[发明专利]一种高动态网络拓扑下无人机群带宽资源分配方法

说明书

本发明公开了一种高动态网络拓扑下无人机群带宽资源分配方法，属于无线通信技术领域。本发明方法包括：基于链路的瞬时QoS质量以及业务的时延需求，建立用户‑基站匹配偏好列表；执行精匹配过程，依次利用多对一匹配算法和基于三层拍卖框架的动态多对多匹配算法为用户进行无人机链路匹配；基于精匹配结果执行简匹配过程，动态调整无人机群的带宽分配。本发明可循环执行上述精匹配和简匹配过程，进行无人机群带宽资源分配。本发明可实现无人机基站间带宽资源的高效按需分配，用户单连接/多连接连接方式灵活转换，能够克服网络中不稳定非视距链路及用户移动对网络拓扑结构稳定性的影响。本发明方法提高了系统吞吐量，降低了计算复杂度。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体是一种高动态网络拓扑下无人机群带宽资源分配方法。

背景技术

地面应急通信业务在网络覆盖和系统吞吐量要求，单个无人机在板载硬件资源和覆盖区域方面的限制，无法满足服务要求。无人机群可以作为群组工作，为用户提供视线(视距)数据链路，从而可以提高服务质量(QoS)和网络吞吐量。此外，无人机具有敏捷性和可回收性，具备即插即用的灵活高效使用特性。但是，为了使系统吞吐量最大化，传统的无人机航迹改变解决方案消耗了太多的推进能量，这对无人机群的耐久性是不利的。因此，亟需有效的资源流动机制来保证无人机群通信的及时性和可靠性。除非能解决有效和可靠的带宽分配问题，否则将发生严重的用户间干扰，较差的链路质量，数据包丢失和飞机坠毁。

为更好的服务地面应急通信业务，提升用户通信满意度，无人机群采用mesh(无线网格网络)组网方式，该方式具备增强覆盖面积，减少机间信息传输跳数，节省飞机能源消耗的优势。此外，无人机群间通信以及无人机与地面用户通信均采用OFDM(正交频分复用)传输方式。

现有无人机群带宽资源分配方法主要采用用户固定接入配额方式，所有资源分配过程均在基站控制中心的统一调度下完成，无人机基站间缺乏资源按需流动方法，计算复杂度达到指数级。加拿大魁北克大学国家科学研究所Long Bao Le教授团队采用凸优化与二次变换交替优化的方法，解决了无人机群空中排布与带宽优化问题。该方案的所有分配过程由空中集中控制节点统一调配，在进行带宽资源分配前，用户需要将自己所有基站的链路信息上传至集中控制节点，随后该节点不断循环遍历所有用户的接入数据，构建吞吐量全局最优目标函数，随后通过凸优化解决该问题。该方法能实现全局最优的资源分配结果，计算复杂度达2^n·m，其中n为业务数，m为基站数，无法克服不稳定空地链路状态与用户移动对网络拓扑稳定性的影响。

目前无人机群带宽资源分配的技术方案主要存在以下缺点：(1)计算复杂度高达指数级，无法克服不稳定空地链路状态与用户移动对网络拓扑稳定性的影响；(2)基站间缺乏带宽资源的动态按需流动，带宽资源利用率低；(3)用户连接配额固定，尚未根据不同的信道状态制定灵活的接入方式，网络健壮性难以保证。

发明内容

针对上述现有无人机群带宽资源分配技术存在的问题，本发明提出了一种基于匹配博弈理论的高动态网络拓扑下无人机群带宽资源动态分配方法，面向差异化业务需求，实现无人机群动态多对多匹配博弈“精简结合”，在满足用户时延要求的同时，最大化无人机群系统总吞吐量。

本发明提供了一种高动态网络拓扑下无人机群带宽资源分配方法，实现步骤包括如下：

步骤一、每个地面用户根据链路的QoS质量以及时延要求，计算与无人机群中的各无人机链路的用户通信满意度效用值，形成用户侧匹配偏好列表以及基站侧匹配偏好列表；

步骤二、基于匹配偏好列表通过精匹配算法进行无人机群与用户之间的链路匹配；链路匹配矩阵π记载各用户与各无人机之间连接匹配结果，矩阵中元素k_n,m表示用户D_m与无人机U_n的连接匹配结果，k_n,m＝1表示用户D_m连接至无人机U_n，否则k_n,m＝0；各用户记录从所匹配的无人机获得的即时带宽资源；