[發明專利]UAV異構網絡多維資源動態管理方法

有效

• 申請號: 202011043077.9
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112584347B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 喬冠華;吳麒;王翔
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所(中國電子科技集團公司第十研究所)
• 主分類號: H04W4/44
• 分類號: H04W4/44;H04W24/02;G06N3/04
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發明公開的UAV異構網絡多維資源動態管理方法，旨在提供一種能夠降低計算復雜度、提升學習模型泛化性的網絡管理策略的方法。本發明通過下述技術方案予以實現：統一的聯邦學習架構由地面基站集中匯聚層和UAV分布式執行層組成，地面基站計算平臺基于任意UAV異構網絡場景構建多智能體增強學習模型并初始化模型參數；分布式執行層利用多智能體增強學習算法輸出多維資源管理行為，獲得網絡環境對智能體行為的獎勵和狀態轉移反饋，同時將模型參數上傳至與其關聯的本地基站。地面基站通過交互獲得所有局部模型參數并將更新后的參數下發至每個UAV學習模型。根據算法停止條件，統一聯邦學習框架輸出能夠使局部和全局性能達到折中優化的模型參數。

技術領域

本發明涉及一種無人機異構網絡多維資源動態管理方法。

背景技術

隨著無人機自主性和通信技術的快速發展，無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)組網越來越廣泛地應用于多樣化的民用、商用和軍用場景中，如環境監測、邊界監視、目標跟蹤、緊急救援、精準打擊等應用。針對無人機的快速部署和廣闊覆蓋能力，UAV異構網絡融合了5G蜂窩網絡和點對點通信網絡的優點，即可以采用以地面基礎設施為中繼的U2I(UAV-to-Infrastructure)傳輸模式，又能夠靈活地將視距范圍內的UAV以鏈路直通的方式U2U(UAV-to-UAV)進行數據傳輸。針對高動態和復雜的空中網絡環境，無人機群組網需要具備更加靈活和可靠的特點，不僅要在物理層擁有高速可靠的數據傳輸能力，而且也需要設計出適應高速移動、抗強干擾和高實時性的無線網絡協議棧和資源管理框架。目前以互聯網為基礎的分層通信協議構架無法適應無人機的組網要求，而無人機網絡預先規劃的資源管理方式也不符合動態變化的無人機組網特點，其網絡性能無法得到有效保障。

考慮一個典型的無人機異構網絡，無人機應用中的業務類型主要分為遙測、協調和傳感數據類型，無人機可以將采集到傳感數據通過U2I鏈路發送至地面基站的計算平臺進行實時處理生成網絡態勢感知結果。為了增強無人機間的協作以更好地完成任務，相鄰無人機之間可以通過U2U鏈路交互遙測信息(位置信息)或協調信息(同步信息、任務交換計劃、路由信息等)。這種無人機異構網絡可以利用U2I和U2U鏈路特性，以滿足不同的任務需求。

5G蜂窩網絡采用OFDMA的接入機制為U2I通信鏈路分配正交的頻譜資源，為了充分利用無人機的高機動性和空中通信的視距傳輸特性，U2U鏈路可以根據信道狀態質量靈活地復用U2I頻譜資源，通過頻譜共享的方式提升資源利用率。UAV異構網絡的資源優化問題需要設計一種有效的動態資源管理策略，包括頻譜接入、功率分配和調制選擇的聯合優化，實現U2I和U2U各自的通信需求。

傳統無人機異構網絡資源管理解決方案是通過數學方法對無線信道和通信性能進行建模，并利用凸優化或啟發式算法對所定義問題進行求解。這些解決方案均假設集中式節點(例如地面基站)擁有全網所有信道狀態信息(Channel State Information，CSI)。然而，在實際高動態的UAV異構網絡場景中，此類方法存在以下挑戰：

(1)針對拓撲高動態變化的UAV網絡，采用集中式的方式獲得全網CSI是一件極具挑戰的事情，難以滿足時延敏感的業務傳輸需求。

(2)針對基于信道狀態的資源管理策略，如果估計的CSI與實際的CSI不符，那么算法輸出的頻譜分配結果可能會降低網絡性能或用戶間公平性。在時變的信道環境下，很難尋求一種有效的方式獲得準確的CSI。

(3)基于數學模型的資源管理策略優化通常屬于非確定性多項式(non-deterministic polynomial，縮寫NP)問題，目前通常采用貪婪方式、最優化理論或啟發式算法進行求解。但是，隨著UAV節點數和可調參數的規模不斷增加，對應的計算復雜度和空間復雜度將以指數級的趨勢增加，這種方案不適用于動態的UAV異構網絡場景。