一种面向吞吐量提升的无人机协作和轨迹优化方法技术

本发明专利技术提供了一种面向吞吐量提升的无人机协作和轨迹优化方法，用于优化无人机辅助蜂窝网路的资源分配。本发明专利技术中，一架无人机在蜂窝小区的边缘区域按周期飞行，为小区边缘区域的用户提供通信服务，建立联合优化无人机与基站的带宽分配比例、各基站服务覆盖半径以及无人机飞行轨迹，以使得的边缘区域用户最小平均吞吐量最大化的目标函数，并解耦为三个子问题进行求解，从而获得满足需求的资源分配结果和无人机飞行轨迹。本发明专利技术可根据各个蜂窝小区的用户密度，调整无人机轨迹，实现了对多个小区的均衡辅助，提升了用户密集小区的服务质量，提高了资源利用效率。

【技术实现步骤摘要】
一种面向吞吐量提升的无人机协作和轨迹优化方法
本专利技术涉及移动通信
，涉及无人机空中基站辅助蜂窝网络的技术，具体涉及一种面向吞吐量提升的无人机协作和轨迹优化方法。
技术介绍
近年来，移动通信技术在日常生活中的应用越来越广泛，数据流量也以较快速度增长。面对数据流量激增，传统蜂窝网络存在以下几个问题：首先，传统蜂窝网络中的GBS(groundbasestation，地面基站)通常是静态部署，使其难以灵活处理通信热点区域中边缘用户的流量卸载问题；其次，热点区域中小区边缘用户与地面基站的距离较远，具有较差的信道链路状态；最后，面对流量骤增的场景，地面基站难以灵活适应。随着无人机技术的不断发展，使得部署携带无线通信设备的无人机空中基站成为可能，通过无人机空中基站辅助蜂窝网络成为解决上述问题的有效方法。例如在演唱会、广场等热点区域中，通过无人机空中基站与地面基站协作，为小区中的用户提供更高的数据传输服务。无人机空中基站具有高灵活性、高移动性和较低成本的优势，使得无人机空中基站辅助蜂窝网络引起了广泛的关注和研究。无人机空中基站的飞行轨迹会直接影响到其服务用户的信道链路状态，为了实现无人机空中基站对蜂窝小区的高效辅助，需要研究无人机空中基站的飞行轨迹规划问题。为减少无人机空中基站与地面基站之间的干扰，提高资源利用效率，必须对频率资源进行合理的分配和管理。除此之外，通过无人机空中基站与地面基站之间协作划分覆盖范围，实现无人机空中基站对蜂窝小区的高效辅助，提高整体吞吐量。在无人机空中基站辅助蜂窝网络场景中，现有技术进行了较多研究。参考文献1通过在小区的边缘部署多个悬停UAV(unmannedaerialvehicle，无人机)，卸载地面基站部分流量，从而减轻地面基站压力，研究最佳的UAV数量并最大化边缘区域用户吞吐量。参考文献2提出了一种高能效的无人机辅助蜂窝网络，设计了无人机在电池耗尽之前返回到充电位置的循环方式，研究了多个无人机的最优部署，从而实现为整个区域进行不间断服务。参考文献3联合优化用户划分、资源分配，以实现无人机能量效率最大化。参考文献4考虑了边缘区域用户只能连接到GBS或无人机，并优化了无人机的飞行轨迹。但是，现有技术中对考虑多个蜂窝小区并建立多个GBS与无人机空中基站之间的协作划分的研究较少，这使得无法充分发挥无人机空中基站的辅助作用，不能有效提升边缘区域用户吞吐量。并且，现有无人机辅助异构网络的研究中，通常将无人机部署在单个小区或多个独立小区的边缘来提升边缘用户的服务质量，但在广场、体育场等热点区域，多个小区内的用户分布往往具有不均衡性，已有的无人机辅助蜂窝网络策略难以均衡各个小区，在用户密集的小区数据传输服务质量较差，资源利用率低。参考文献：[1]QSong,FZhengandSJin.“MultipleUAVsenableddataoffloadingforcellularhotspots”,2019IEEEWirelessCommunicationsandNetworkingConference(WCNC),Marrakesh,Morocco,2019,pp.1-6；[2]XLi,HYao,JWangetal.“Anear-optimalUAV-aidedradiocoveragestrategyfordenseurbanareas”,IEEETransactionsonVehicularTechnology,vol.68,no.9,pp.9098-9109,Sept.2019；[3]MHua,YWang,CLietal.“Energy-efficientoptimizationforUAV-aidedcellularoffloading”,IEEEWirelessCommunicationsLetters,vol.8,no.3,pp.769-772,June2019；[4]SZhu,LGui,NChengetal.“JointdesignofaccesspointselectionandpathplanningforUAV-assistedcellularnetworks”,IEEEInternetofThingsJournal,vol.7,no.1,pp.220-233,Jan.2020.
技术实现思路
本专利技术针对无人机空中基站辅助蜂窝网络的场景，提供了一种面向吞吐量提升的无人机协作和轨迹优化方法，在保证地面基站服务用户数据速率需求的前提下，联合考虑地面基站与无人机空中基站覆盖划分、频谱资源分配和无人机轨迹，实现有效提高蜂窝小区边缘用户吞吐量的目的，以充分发挥无人机作为空中基站的辅助效果。本专利技术的面向吞吐量提升的无人机协作和轨迹优化方法，用于无人机辅助蜂窝网络场景，场景中存在多个蜂窝小区，各小区内的基站分别服务其覆盖半径内的用户，一架无人机在蜂窝小区的边缘区域按周期T飞行，为小区边缘区域的用户提供通信服务。本专利技术方法包括如下步骤：步骤1，将频带范围划分为两部分，分别被地面基站和UAV使用；设带宽为B，无人机可用带宽为ρB，0＜ρ＜1，地面基站可用带宽为(1-ρ)B；设第j个蜂窝小区的地面基站的覆盖半径为j为正整数；步骤2，将无人机的每个工作周期T分为N个相等大小的时隙，N为正整数；在时隙n无人机的位置用q[n]表示，q[n]为无人机在地面上的投影点的坐标；将无人机的飞行轨迹用N个二维坐标q[n]组成序列表示，n∈{1,2,…N}；在每个时隙，无人机将可用带宽均分，为覆盖地面范围内的每个用户分配相等的频带，以提供通信服务；步骤3，建立联合优化频谱分配比例ρ、各蜂窝小区覆盖半径以及无人机飞行轨迹，以使得的边缘区域用户最小平均吞吐量最大化的目标函数，求解目标函数时需要满足地面基站服务用户以及无人机服务用户的数据速率要求；步骤4，求解目标函数，包括：(1)初始化无人机飞行轨迹和频谱分配比例；(2)在给定无人机飞行轨迹和频谱分配比例的情况下优化各蜂窝小区的基站覆盖区域划分，然后已知无人机飞行轨迹和各地面基站覆盖区域划分的情况下优化频谱分配比例，最后在已知各地面基站的覆盖区域划分和频谱分配比例的情况下优化无人机飞行轨迹；(3)判断优化目标是否收敛，若是，输出当前获得的频谱分配比例、各蜂窝小区覆盖半径以及无人机飞行轨迹；若否，继续执行(2)。所述的步骤3中，建立的目标函数如下：C3:0＜ρ＜1C5:q[1]＝q[N]C6:0≤rGBSj≤rCELL,j＝1,2,...J其中，RUAVth代表边缘区域用户最小平均吞吐量；L表示整个边缘区域的用户总数量；J表示蜂窝小区的总数量；C1～C6为六个约束条件；C1为地面基站服务用户的数据速率要求，为地面基站服务用户时的中断事件概率，Pth为中断事件概率阈值；C2为无人机服务用户的数据速率要求，RUAVl为第l个边缘用户在时间T内的平均吞吐量；Vmax为无人机的最大飞行速度；rCELL为蜂窝小区的区域半径。相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向吞吐量提升的无人机协作和轨迹优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，一架无人机在蜂窝小区的边缘区域按周期T飞行，为小区边缘区域的用户提供通信服务；设第j个蜂窝小区的地面基站的覆盖半径为

【技术特征摘要】
1.一种面向吞吐量提升的无人机协作和轨迹优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，一架无人机在蜂窝小区的边缘区域按周期T飞行，为小区边缘区域的用户提供通信服务；设第j个蜂窝小区的地面基站的覆盖半径为设频带范围为B，将B划分为两部分分别供地面基站和UAV使用，设无人机可用带宽为ρB，ρ为频谱分配比例，0＜ρ＜1，剩余(1-ρ)B为地面基站可用带宽；j为正整数；
步骤2，将无人机的每个工作周期T分为N个相等大小的时隙，N为正整数；在时隙n无人机的位置用q[n]表示，q[n]为无人机在地面上的投影点的坐标；将无人机的飞行轨迹用N个二维坐标q[n]组成序列表示，n∈{1,2,…N}；在每个时隙，无人机将可用带宽均分，为覆盖范围内的每个用户分配相等的频带，提供服务；
步骤3，建立联合优化频谱分配比例ρ、各蜂窝小区覆盖半径以及无人机飞行轨迹，以使得的边缘区域用户最小平均吞吐量最大化的目标函数，并且求解目标函数时需要满足地面基站服务用户以及无人机服务用户的数据速率要求；
步骤4，求解目标函数，包括：(1)初始化无人机飞行轨迹和频谱分配比例；(2)在给定无人机飞行轨迹和频谱分配比例的情况下优化各蜂窝小区的基站覆盖区域划分，然后已知各地面基站覆盖区域划分和无人机飞行轨迹的情况下优化频谱分配比例，最后在已知各地面基站的覆盖区域划分和频谱分配比例的情况下优化无人机飞行轨迹；(3)判断优化目标是否收敛，若是，输出当前获得的频谱分配比例、各蜂窝小区覆盖半径以及无人机飞行轨迹；若否，继续执行(2)。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤3中，建立的目标函数如下：



s.t.C1:
C2:
C3:0＜ρ＜1
C4:
C5:q[1]＝q[N]
C6:0≤rGBSj≤rCELL,j＝1,2,...J
其中，RUAVth代表边缘区域用户最小平均吞吐量；L表示整个边缘区域的用户总数量；J表示蜂窝小区的总数量；C1～C6为六个约束条件；C1为地面基站服务用户的数据速率要求，为地面基站服务用户时的中断事件概率，Pth为中断事件概率阈值；C2为无人机服务用户的数据速率要求，RUAVl为第l个边缘用户在时间T内的平均吞吐量；Vmax为无人机的最大飞行速度；rCELL为蜂窝小区的区...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹤立，李杨，纪红，李曦，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11