一种基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法与系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法与系统，包括：获取地面用户集合和无人机集合，确定林区信道模型；确定无人机和地面用户之间的预设连接场景，构建无人机集合位置部署目标函数，并采用遍历速率上下边界函数求解；采用层次化分簇对地面用户集合和无人机集合进行分簇，获得地面用户分簇结果和无人机分簇结果；基于深度强化学习算法，对无人机集合位置部署目标函数中协作多点传输下的用户遍历速率和用户通过基站通行的传输速率进行联合优化，得到无人机集合最优位置部署结果。本发明专利技术针对特有的应急救援场景，分别考虑基站存在和缺失的无人机部署方案，提高了无人机部署的整体性能和整体数据吞吐量，实现资源最大优化配置。资源最大优化配置。资源最大优化配置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法与系统


[0001]本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法与系统。

技术介绍

[0002]随着无人机应用的日益广泛，特别是在应急灾害中能发挥无人机的优势。
[0003]由于自然灾害的频频发生，例如在林区场景中，由于林区通常位于比较偏远的地区，原有的基础通信设施往往不足或者已经受灾损毁而无法正常使用，因此，仅仅依靠灾区原有的通信设施，无法支撑一些视频回传、图片下载等应急需求。为此，考虑到无人机的灵活性和机动性，已经在货物运输、交通管理等方面应用广泛，因此可以将无人机部署在林区中充当临时基站，辅助地面用户进行通信。然而，考虑到林区遮挡严重、卫星信号衰弱、多径复杂、无人机的电量有限等问题，如何在无人机的能量限制下，用数目固定的无人机实现系统性能的最大化，需要进行研究。当前，许多研究工作都基于城乡环境，如地震、火灾、搜救等场景下，对无人机的部署问题进行了分析，而忽略了林区这种特殊环境；同时，现有的一些以林区下无人机部署研究，也仅仅将林区环境局限在场景中，并没有对林区中的信道模型等的实质性差异做出研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法与系统，用以解决现有技术中存在的缺陷。
[0005]第一方面，本专利技术提供一种基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法，包括：
[0006]获取地面用户集合和无人机集合，确定林区信道模型；
[0007]基于所述林区信道模型，确定无人机和地面用户之间的预设连接场景，构建所述无人机集合位置部署目标函数；
[0008]采用层次化分簇对所述地面用户集合和所述无人机集合进行分簇，获得地面用户分簇结果和无人机分簇结果；
[0009]基于深度强化学习算法，根据和所述地面用户分簇结果和所述无人机分簇结果，对所述无人机集合位置部署目标函数中协作多点传输下的用户遍历速率和用户通过基站通行的传输速率进行联合优化，得到无人机集合最优位置部署结果。
[0010]第二方面，本专利技术还提供一种基于层次化分簇的林区无人机网络部署系统，包括：
[0011]获取模块，用于获取地面用户集合和无人机集合，确定林区信道模型；
[0012]构建模块，用于基于所述林区信道模型，确定无人机和地面用户之间的预设连接场景，构建所述无人机集合位置部署目标函数；
[0013]分簇模块，用于采用层次化分簇对所述地面用户集合和所述无人机集合进行分簇，获得地面用户分簇结果和无人机分簇结果；
[0014]优化模块，用于基于深度强化学习算法，根据所述地面用户分簇结果和所述无人
机分簇结果，对所述无人机集合位置部署目标函数中协作多点传输下的用户遍历速率和用户通过基站通行的传输速率进行联合优化，得到无人机集合最优位置部署结果。
[0015]第三方面，本专利技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法的步骤。
[0016]第四方面，本专利技术还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法的步骤。
[0017]本专利技术提供的基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法与系统，针对特有的应急救援场景，分别考虑基站存在和缺失的无人机部署方案，提高了无人机部署的整体性能和整体数据吞吐量，实现资源最大优化配置。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1是本专利技术提供的基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法的流程示意图；
[0020]图2是本专利技术提供的林区中无人机部署场景图；
[0021]图3是本专利技术提供的基于FCM的初始化算法流程图；
[0022]图4是本专利技术提供的无人机成簇过程图；
[0023]图5是本专利技术提供的最小切割图示意图；
[0024]图6是本专利技术提供的无人机待部署区域网格划分图；
[0025]图7是本专利技术提供的整体算法流程图；
[0026]图8是本专利技术提供的不同模型衰减对比图；
[0027]图9是本专利技术提供的实际遍历速率与松弛上界、下界对比图；
[0028]图10是本专利技术提供的林区中用户三维PPP分布图；
[0029]图11是本专利技术提供的与其他方案对比部分实施例的不同方案对比图：
[0030]图12是本专利技术提供的参数设置影响部分实施例的不同方案对比图；
[0031]图13是本专利技术提供的平均遍历速率随无人机发射功率变化图；
[0032]图14是本专利技术提供的网格密集程度对用户平均速率和收敛时间影响图；
[0033]图15是本专利技术提供的基于层次化分簇的林区无人机网络部署系统的结构示意图；
[0034]图16是本专利技术提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0035]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]针对现有技术的局限性，本专利技术为增强无人机部署方案在林区场景中的实际应用价值，如林区搜救、林区灭火等场景，本专利技术将进一步对卫星拒止情况下林区场景中无人机的部署优化问题进行研究，并提出一种基于层次化分簇深度强化学习(Hierarchical Clustering based Deep Reinforcement Learning，HC
‑
DRL)的无人机林区部署方案，提高林区通信容量和用户覆盖比例。
[0037]图1是本专利技术提供的基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法的流程示意图，如图1所示，包括：
[0038]S1，获取地面用户集合和无人机集合，确定林区信道模型；
[0039]S2，基于所述林区信道模型，确定无人机和地面用户之间的预设连接场景，构建所述无人机集合位置部署目标函数；
[0040]S3，采用层次化分簇对所述地面用户集合和所述无人机集合进行分簇，获得地面用户分簇结果和无人机分簇结果；
[0041]S4，基于深度强化学习算法，根据所述地面用户分簇结果和所述无人机分簇结果，对所述无人机集合位置部署目标函数中协作多点传输下的用户遍历速率和用户通过基站通行的传输速率进行联合优化，得到无人机集合最优位置部署结果。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法，其特征在于，包括：获取地面用户集合和无人机集合，确定林区信道模型；基于所述林区信道模型，确定无人机和地面用户之间的预设连接场景，构建所述无人机集合位置部署目标函数；采用层次化分簇对所述地面用户集合和所述无人机集合进行分簇，获得地面用户分簇结果和无人机分簇结果；基于深度强化学习算法，根据所述地面用户分簇结果和所述无人机分簇结果，对所述无人机集合位置部署目标函数中协作多点传输下的用户遍历速率和用户通过基站通行的传输速率进行联合优化，得到无人机集合最优位置部署结果。2.根据权利要求1所述的基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法，其特征在于，所述获取地面用户集合和无人机集合，确定林区信道模型，包括：在基站缺失场景下，确定所述无人机集合和所述地面用户集合之间的总衰落包括对数距离阴影衰落和额外衰减，得到任一簇中任一无人机和任一地面用户之间的总损耗；基于所述总损耗确定任一簇中任一无人机通过协作多点传输到任一用户的信道增益矢量和第一用户信噪比，确定所有无人机具有相同的无人机发射功率，获取加性高斯白噪声，根据所述信道增益矢量、所述无人机发射功率和所述加性高斯白噪声，得到所述协作多点传输下的用户遍历速率；基于第一二元变量确定任一簇中所有无人机是否与所述任一簇中的任一用户建立协作多点传输关系，所述第一二元变量是基于用户连接中断概率和预设概率阈值所得到的，所述用户连接中断概率是基于所述第一用户信噪比、所述无人机发射功率、所述加性高斯白噪声、所述信道增益矢量和预设信噪比阈值所得到的；在基站通信场景下，确定单基站和地面用户之间的信道衰落，获取基站发射功率，基于所述信道衰落、所述基站发射功率和所述加性高斯白噪声，得到第二用户信噪比；基于第二二元变量确定所述单基站是否与所述任一簇中的任一用户建立连接关系，所述第二二元变量是基于所述第二用户信噪比和所述预设信噪比阈值所得到的；基于所述信道衰落、所述基站发射功率和所述加性高斯白噪声，得到所述用户通过基站通行的传输速率；确定第三二元变量，基于所述第三二元变量确定用户位置是否超出基站服务范围，并通过无人机协作多点传输进行通信。3.根据权利要求2所述的基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法，其特征在于，所述基于所述林区信道模型，确定无人机和地面用户之间的预设连接场景，构建所述无人机集合位置部署目标函数，包括：确定基站缺失概率，基于所述第一二元变量、所述第二二元变量、所述第三二元变量、所述协作多点传输下的用户遍历速率和所述用户通过基站通行的传输速率，建立所述无人机集合位置部署目标函数，并使所述无人机集合位置部署目标函数同时满足第一约束条件至第六约束条件；所述第一约束条件至第三约束条件包括每个地面用户仅能和一个无人机簇建立协作多点传输，每个用户仅能选择通过无人机进行协作多点传输或与基站进行传输；第四约束条件包括所述无人机发射功率不大于无人机发射功率最大值，所述基站发射
功率不大于基站发射功率最大值；第五约束条件包括所述用户连接中断概率小于所述预设概率阈值；所述第六约束条件包括所述第二用户信噪比大于所述预设信噪比阈值。4.根据权利要求3所述的基于层次化分簇的林区无人机网络部署方法，其特征在于，所述基于所述预设林区信道模型，确定无人机和地面用户之间的预设连接场景，构建所述无人机集合位置部署目标函数，之后还包括：确定协作多点传输下的用户遍历速率上边界值和用户遍历速率下边界值；基于所述无人机发射功率、所述加性高斯白噪声和所述信道增益矢量得到用户遍历速率上边界值函数和用户遍历速率下边界值函数；基于Jensen不等式获得所述用户遍历速率上边界值函数的凹函数，以及所述用户遍历速率下边界值函数的凸函数；将所述凹函数和所述凸函数代入所述无人机集合位置部署目标函数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，费爱国，徐连明，张平，吴雪薇，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：