本發(fā)明屬于通信，具體涉及一種無(wú)人機(jī)群智能資源調(diào)度與干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、無(wú)人機(jī)被廣泛應(yīng)用于災(zāi)后恢復(fù)、監(jiān)視以及在農(nóng)村和欠發(fā)達(dá)地區(qū)提供通信服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展以及多種新服務(wù)的出現(xiàn)，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的爆炸性增長(zhǎng)變得日益明顯。然而，由于地形復(fù)雜等因素，現(xiàn)有地面基站的覆蓋能力仍然不足以滿足日益增長(zhǎng)的通信需求。

2、因此，集成的空間-空中-地面網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已成為未來(lái)通信系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵趨勢(shì)，而無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)是空間網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。配備無(wú)線通信模塊的無(wú)人機(jī)可以迅速部署為空中基站，提供在臨時(shí)事件期間(如熱點(diǎn)區(qū)域或大型公共聚會(huì))對(duì)地面用戶設(shè)備(ue)的普遍接入，成為一種有前景的解決方案。無(wú)人機(jī)的部署被視為現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，能夠在超高密度流量需求的場(chǎng)景下提升無(wú)線容量并擴(kuò)展覆蓋范圍。通過(guò)利用其機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性，基于無(wú)人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)為解決傳統(tǒng)地面通信基礎(chǔ)設(shè)施的局限性提供了變革性機(jī)會(huì)。然而，將無(wú)人機(jī)整合到無(wú)線通信系統(tǒng)中面臨著重大挑戰(zhàn)，特別是在頻譜管理方面。作為空中基站或中繼節(jié)點(diǎn)，無(wú)人機(jī)必須高效地與地面用戶共享有限的無(wú)線資源。這些挑戰(zhàn)由于無(wú)人機(jī)的高機(jī)動(dòng)性和用戶位置的動(dòng)態(tài)變化而進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致時(shí)變的信道條件和干擾模式。

3、無(wú)人機(jī)通信中的資源分配面臨若干關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先，用戶位置的動(dòng)態(tài)變化引入了通信環(huán)境中的強(qiáng)時(shí)空相關(guān)性。其次，無(wú)人機(jī)的資源受限，如電池電量和頻譜，需要采用高效的利用策略，以平衡通信質(zhì)量和資源效率。最后，多用戶之間的資源競(jìng)爭(zhēng)和干擾需要有效的調(diào)度機(jī)制，以確保公平性和性能。這些問(wèn)題的復(fù)雜性使得傳統(tǒng)的靜態(tài)資源分配方法難以應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性。因此，開發(fā)針對(duì)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新頻譜分配策略對(duì)于充分發(fā)揮其潛力并解決它們所面臨的獨(dú)特挑戰(zhàn)至關(guān)重要。

4、隨著空中無(wú)人機(jī)基站(uav-bs)在應(yīng)急通信、災(zāi)后恢復(fù)和臨時(shí)大規(guī)?；顒?dòng)中的廣泛應(yīng)用，干擾協(xié)調(diào)與資源分配技術(shù)成為其服務(wù)地面用戶的核心問(wèn)題之一。然而，現(xiàn)有的干擾協(xié)調(diào)與資源分配方案在實(shí)際應(yīng)用中仍存在顯著的不足。首先，傳統(tǒng)的基于規(guī)則的資源分配方法依賴于預(yù)先設(shè)定的固定策略，難以應(yīng)對(duì)用戶需求、信道條件和干擾環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。這種靜態(tài)的資源分配方式往往無(wú)法在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下提供足夠的靈活性和效率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。其次，基于優(yōu)化理論的方法(如凸優(yōu)化和非凸優(yōu)化)雖然能夠在一定程度上獲得理論上的最優(yōu)解，但其依賴于問(wèn)題的精確建模和復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程。尤其是在無(wú)人機(jī)基站服務(wù)高密度用戶或高速移動(dòng)場(chǎng)景時(shí)，優(yōu)化問(wèn)題可能變得極其復(fù)雜，導(dǎo)致求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或收斂到次優(yōu)解。此外，傳統(tǒng)優(yōu)化方法通常難以處理非線性、高維和動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的環(huán)境，缺乏實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性。

5、因此，如何提供一種適應(yīng)無(wú)人機(jī)基站部署環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，可以在復(fù)雜、不確定性高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中保持較高的性能，滿足資源管理的實(shí)時(shí)性需求的無(wú)人機(jī)群智能資源調(diào)度與干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化方法成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種無(wú)人機(jī)群智能資源調(diào)度與干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化方法及裝置。

2、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種無(wú)人機(jī)群智能資源調(diào)度與干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，包括：

4、構(gòu)建無(wú)人機(jī)群服務(wù)用戶系統(tǒng)的系統(tǒng)模型；所述系統(tǒng)模型包括n架無(wú)人機(jī)和u個(gè)用戶；其中，每架無(wú)人機(jī)服務(wù)于un個(gè)用戶；

5、根據(jù)所述系統(tǒng)模型確定信道模型以及速率模型；所述信道模型用于表示無(wú)人機(jī)與其所服務(wù)的用戶之間的自由路徑損耗；所述速率模型用于表示用戶被分配信道后獲得的傳輸速率；

6、基于所述信道模型和所述速率模型構(gòu)建時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題，并利用近端策略優(yōu)化算法，求解所述時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題，得到無(wú)人機(jī)群資源分配方案；所述時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題中以每個(gè)無(wú)人機(jī)的最大發(fā)射功率和有限帶寬為約束，以最大化用戶總傳輸速率為優(yōu)化目標(biāo)；所述最大發(fā)射功率表示每個(gè)無(wú)人機(jī)發(fā)射給其所服務(wù)的用戶的功率總和不能超過(guò)自身的總發(fā)射功率；所述有限帶寬表示每個(gè)無(wú)人機(jī)發(fā)射給其所服務(wù)的用戶的帶寬總和不能超過(guò)自身的總帶寬。

7、可選的，利用近端策略優(yōu)化算法，求解所述時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題，得到無(wú)人機(jī)群資源分配方案，包括：

8、將所述時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題建模為mdp；

9、利用近端策略優(yōu)化算法，以每個(gè)無(wú)人機(jī)的最大發(fā)射功率和有限帶寬為約束，以最大化用戶總傳輸速率為優(yōu)化目標(biāo)更新所述mdp，得到無(wú)人機(jī)群資源分配方案；

10、其中，mdp中的狀態(tài)空間、動(dòng)作空間和獎(jiǎng)勵(lì)的定義如下：

11、所述動(dòng)作空間中無(wú)人機(jī)的每個(gè)動(dòng)作映射為u×m的二進(jìn)制矩陣中的一列；所述二進(jìn)制矩陣中第u行的第m列的元素用于描述第u個(gè)用戶被分配到第m個(gè)信道的動(dòng)作；

12、所述狀態(tài)空間定義為用于反映當(dāng)前信道分配狀態(tài)的一維數(shù)組；所述一維數(shù)組中的每個(gè)元素用于描述用戶被分配到一個(gè)信道的狀態(tài)；

13、所述獎(jiǎng)勵(lì)定義為在所述當(dāng)前信道分配狀態(tài)下，所有用戶的總傳輸速率之和。

14、可選的，所述信道模型為：

15、

16、其中，表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)與其所服務(wù)的第un個(gè)用戶之間的自由路徑損耗；fc表示載波頻率；表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)和其所服務(wù)的第un個(gè)用戶之間的距離；c＝3×108m/s。

17、可選的，所述速率模型為：

18、

19、其中，rtotal表示所述用戶總傳輸速率；表示時(shí)隙t，第un個(gè)用戶被分配信道后獲得的傳輸速率；b表示無(wú)人機(jī)的總帶寬；表示時(shí)隙t，第m個(gè)信道被分配給第un個(gè)用戶的分配方案；表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)所服務(wù)的第un個(gè)用戶在時(shí)隙t內(nèi)的信噪比；t＝1,2,...,t；n＝1,2,...,n；un＝1,2,...,un；m＝1,2,...,m；t表示時(shí)隙的總數(shù)量；n表示無(wú)人機(jī)的總數(shù)量；un表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)所服務(wù)的用戶的總數(shù)量；m表示信道的總數(shù)量。

20、可選的，所述時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題為：

21、

22、其中，表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)對(duì)其所服務(wù)的第un個(gè)用戶的發(fā)射功率；表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)與其所服務(wù)的第un個(gè)用戶之間的信道參數(shù)；表示時(shí)隙t，第n個(gè)無(wú)人機(jī)的內(nèi)部干擾；表示時(shí)隙t，第n個(gè)無(wú)人機(jī)所服務(wù)的第un個(gè)用戶所受到的其他無(wú)人機(jī)的干擾；δ2(t)表示高斯白噪聲；sinrthreshold表示信噪比閾值；表示第un個(gè)用戶的需求速率；pn表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)的總發(fā)射功率；b表示無(wú)人機(jī)的總帶寬；表示時(shí)隙t，第m個(gè)信道被分配給第un個(gè)用戶的分配方案；表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)所服務(wù)的第un個(gè)用戶在時(shí)隙t內(nèi)的信噪比；t＝1,2,...,t；n＝1,2,...,n；un＝1,2,...,un；m＝1,2,...,m；t表示時(shí)隙的總數(shù)量；n表示無(wú)人機(jī)的總數(shù)量；un表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)所服務(wù)的用戶的總數(shù)量；m表示信道的總數(shù)量；表示無(wú)人機(jī)的集合；表示第n個(gè)無(wú)人機(jī)所服務(wù)的用戶的集合；表示信道的集合。

23、第二方面，本發(fā)明提供了一種無(wú)人機(jī)群智能資源調(diào)度與干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化裝置，包括：

24、構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建無(wú)人機(jī)群服務(wù)用戶系統(tǒng)的系統(tǒng)模型；所述系統(tǒng)模型包括n架無(wú)人機(jī)和u個(gè)用戶；其中，每架無(wú)人機(jī)服務(wù)于un個(gè)用戶；

25、確定模塊，用于根據(jù)所述系統(tǒng)模型確定信道模型以及速率模型；所述信道模型用于表示無(wú)人機(jī)與其所服務(wù)的用戶之間的自由路徑損耗；所述速率模型用于表示用戶被分配信道后獲得的傳輸速率；

26、求解模塊，用于基于所述信道模型和所述速率模型構(gòu)建時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題，并利用近端策略優(yōu)化算法，求解所述時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題，得到無(wú)人機(jī)群資源分配方案；所述時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題中以每個(gè)無(wú)人機(jī)的最大發(fā)射功率和有限帶寬為約束，以最大化用戶總傳輸速率為優(yōu)化目標(biāo)；所述最大發(fā)射功率表示每個(gè)無(wú)人機(jī)發(fā)射給其所服務(wù)的用戶的功率總和不能超過(guò)自身的總發(fā)射功率；所述有限帶寬表示每個(gè)無(wú)人機(jī)發(fā)射給其所服務(wù)的用戶的帶寬總和不能超過(guò)自身的總帶寬。

27、本發(fā)明提供的一種無(wú)人機(jī)群智能資源調(diào)度與干擾協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，考慮到在干擾情況下資源受限，地面多用戶共享有限的無(wú)線資源的問(wèn)題，構(gòu)建了在每個(gè)無(wú)人機(jī)的最大發(fā)射功率和有限帶寬的約束下實(shí)現(xiàn)用戶總傳輸速率最大化的時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題，并且采用了近端策略優(yōu)化算法，對(duì)時(shí)頻資源分配優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，相對(duì)于資源動(dòng)態(tài)分配算法而言，降低了資源分配復(fù)雜度，在保證策略改進(jìn)效率的同時(shí)，提高了收斂的穩(wěn)定性，有效避免傳統(tǒng)優(yōu)化算法在高維環(huán)境中可能面臨的維度災(zāi)難問(wèn)題，相對(duì)于靜態(tài)分配算法，增強(qiáng)了通信系統(tǒng)的抗干擾能力能夠適應(yīng)無(wú)人機(jī)基站部署環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，可以在復(fù)雜、不確定性高的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中保持較高的性能，更接近于現(xiàn)實(shí)情況，適用性強(qiáng)。

28、以下將結(jié)合附圖及對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。