[發明專利]一種基于無人機中繼的小區間業務卸載方法及系統

有效

• 申請號: 202110385358.0
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113141205B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 翟道森;李歡;張若南;王琛;王大偉
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04W28/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

1.一種基于無人機中繼的小區間業務卸載方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、構建包含小區Cell-1，小區Cell-2，1個通信用無人機的小區通信網絡模型，Cell-1中有M個用戶，Cell-2中有K個用戶，基站BS1和BS2分別位于兩個小區Cell-1和小區Cell-2內，構建小區通信網絡模型具體為：

S101、構建一個三維直角坐標系，將Cell-1小區中的基站BS1設為坐標系原點，x、y軸為水平方向，z軸為垂直高度，Cell-1中的用戶數高于BS1的負載，Cell-2中的用戶數低于BS2的負載；

S102、基站天線高為H，基站BS1的信號源的位置為(0,0,H)，基站BS2的信號源位置為(2R,0,H)，設置用戶m的位置在地面上為(x_m,y_m,0)，無人機的位置為(x,y,z)；

S2、基于通信節點之間的網絡模型構建通信節點之間信息傳輸機制，通信節點之間信息傳輸機制具體為：

采用單信道時分系統，BS1服務Cell-1中接入BS1的用戶，所有用戶時分BS1發送信道的占時為BS2服務Cell-2中的所有用戶，Cell-2中各用戶占時為無人機服務Cell-1中部分用戶對應時隙占時部分用戶為用戶分配方案中接入無人機的所有用戶，則無人機服務Cell-1的用戶時隙為

S3、基于步驟S1構建的通信網絡模型與步驟S2構建的信息傳輸機制，確立基站、無人機以及用戶之間的傳輸速率，基站BS1到Cell-1用戶i的傳輸速率基站BS2到Cell-2用戶j的傳輸速率無人機到Cell-1用戶的鏈路的信道容量為基站BS2對無人機發送數據時的信道容量為表示從基站BS1到Cell-1和Cell-2中用戶以及無人機的信道功率增益，表示從基站BS2到Cell-1和Cell-2中用戶以及無人機的信道功率增益，表示從UAV到Cell-1和Cell-2中用戶的信道功率增益，P_BS1、P_BS2表示兩個基站的發射功率，P_UAV表示無人機的發射功率，σ²表示噪聲功率；

S4、基于通信節點間的信道容量建立約束機制；

S5、根據步驟S4建立的約束機制構建全部用戶傳輸速率均衡的優化目標與約束條件，確定優化問題；

S6、基于步驟S3確定的基站、無人機以及用戶之間的傳輸速率以及步驟S5構建的優化目標與約束條件，采用分支定界算法求解步驟S5的優化問題，求解公平原則下的用戶分配方案，在保證用戶公平的條件下完成業務卸載。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S4中，約束機制具體為：

其中，定義為用戶分配方案，表示第i個用戶被關聯到基站BS1，表示第i個用戶被關聯到無人機；表示第i個用戶被關聯到無人機，表示第i個用戶被關聯到BS1。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，無人機到Cell-1用戶的鏈路的信道容量與基站BS2對無人機發送數據時的信道容量的關系如下

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S5中，優化問題具體為：

其中，定義為用戶分配方案，表示第i個用戶被關聯到基站BS1，表示第i個用戶被關聯到無人機；表示第i個用戶被關聯到無人機，表示第i個用戶被關聯到BS1。

5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S6中，基于優化目標與約束條件，對目標函數采用對數求和的方式求解優化問題。

6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S6完成后，根據步驟S1建立的小區通信網絡模型，采用遺傳算法優化無人機的空間位置，協調各個信道功率增益。

7.一種基于無人機中繼的小區間業務卸載系統，其特征在于，包括：

網絡模塊，構建包含小區Cell-1，小區Cell-2，1個通信用無人機的小區通信網絡模型，Cell-1中有M個用戶，Cell-2中有K個用戶，基站BS1和BS2分別位于兩個小區Cell-1和小區Cell-2內，構建小區通信網絡模型具體為：

構建一個三維直角坐標系，將Cell-1小區中的基站BS1設為坐標系原點，x、y軸為水平方向，z軸為垂直高度，Cell-1中的用戶數高于BS1的負載，Cell-2中的用戶數低于BS2的負載；基站天線高為H，基站BS1的信號源的位置為(0,0,H)，基站BS2的信號源位置為(2R,0,H)，設置用戶m的位置在地面上為(x_m,y_m,0)，無人機的位置為(x,y,z)；

節點模塊，基于通信節點之間的網絡模型構建通信節點之間信息傳輸機制，傳輸機制具體為：

采用單信道時分系統，BS1服務Cell-1中接入BS1的用戶，所有用戶時分BS1發送信道的占時為BS2服務Cell-2中的所有用戶，Cell-2中各用戶占時為無人機服務Cell-1中部分用戶對應時隙占時部分用戶為用戶分配方案中接入無人機的所有用戶，則無人機服務Cell-1的用戶時隙為

傳輸模塊，基于網絡模塊構建的通信網絡模型與節點模塊構建的信息傳輸機制，確立基站、無人機以及用戶之間的傳輸速率；

基站BS1到Cell-1用戶i的傳輸速率基站BS2到Cell-2用戶j的傳輸速率無人機到Cell-1用戶的鏈路的信道容量為基站BS2對無人機發送數據時的信道容量為表示從基站BS1到Cell-1和Cell-2中用戶以及無人機的信道功率增益，表示從基站BS2到Cell-1和Cell-2中用戶以及無人機的信道功率增益，表示從UAV到Cell-1和Cell-2中用戶的信道功率增益，P_BS1、P_BS2表示兩個基站的發射功率，P_UAV表示無人機的發射功率，σ²表示噪聲功率；

約束模塊，基于通信節點間的信道容量建立約束機制，優化模塊，根據約束模塊建立的約束機制構建全部用戶傳輸速率均衡的優化目標與約束條件，確定優化問題；

分配模塊，基于傳輸模塊確定的基站、無人機以及用戶之間的傳輸速率以及優化模塊構建的優化目標與約束條件，采用分支定界算法求解優化模塊的優化問題，求解公平原則下的用戶分配方案，在保證用戶公平的條件下完成業務卸載。