[发明专利]一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法

说明书

一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法，建立了一种由终端接入层、无人机中继层与回程链路层构成的三层异构网络容量分析模型。在模型中，终端经过无人机的中继作用连接到可用基站。首先采用随机几何的方法将地面异构终端建模为泊松点过程，利用泊松点过程的性质分析了采用NOMA的终端接入层的遍历容量闭合表达式。然后通过引入能够避免无人机簇间干扰的跳频机制，提出了一种基于中继无人机速率满意度函数的资源分配方案，对多跳传输的中继链路层容量进行分析。最后在回程链路中，回程无人机与BS的通信采用一种支持SDMA的基于独立非正交波束通信的模型，以此推导了回程链路的容量闭合表达式。

技术领域

该发明涉及通信网络技术领域，具体涉及一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法。

背景技术

未来的6G将会是“空天地海一体化”、“分布式自组织”、“资源按需分配”的网络，而能够为灾害、应急场景下的感知、连接、计算等需求提供支撑。在发生局部地区的小型灾害时，部分宏蜂窝网络等基础设施会出现功能下降甚至毁灭性打击而不能满足灾区的通信需求。相较于大范围的自然灾害，局部地区的小型灾害更为常见且难以预测，且因及时救援而挽回的经济损失是很可观的。因此在这种情况下，受害者的求救信号与生存情况、物联网设备的环境测量信息的上传是至关重要的。移动信息网络可以通过及时构建可靠且高性能的应急通信网络来满足灾区通信需求。

无人机因其灵活的移动性，现已被广泛用作应急场景下的中继基站。针对无人机中继的应急通信场景，现有研究通过设计优化方法，找到无人机最优部署位置，以达到最优的通信性能；通过设计上行链路吞吐量的优化模型，联合优化多种因素使网络吞吐量最大；采用D2D技术，分析信息多跳传输下的时延性能；采用非正交多址接入技术，提升单个无人机在应急通信下的频谱效率。

但是现有研究在优化网络吞吐速率时都是根据节点对网络吞吐速率的提升效益分配资源。而在多跳的上行场景中会导致通信资源大多集中在靠近信宿的高层节点中，而低层节点因为中继传输导致其对网络的吞吐速率提升效益低，分配到的通信资源较少。此外，目前的研究还没有建立三层异构网络的容量分析模型。

发明内容

本发明的目的在于解决基站功能受损场景下的应急通信容量评估问题，在于分别通过随机几何方法解决了非正交多址接入下的终端接入层遍历容量的闭合表达式求解问题，通过设计最优化问题解决了多跳的无人机中继层容量分析问题，通过分析采用独立波束的回程链路解决了回程链路层的容量闭合表达式求解问题。

一种基于多跳无人机辅助通信的三层异构网络容量分析方法，该方法步骤如下：

步骤1，对于包含终端接入层、无人机中继层、回程链路层的三层异构通信系统，根据异构终端的分布密度、无人机的飞行高度、接入门限与信号处理能力、高斯白噪声谱密度、终端接入层频带宽度、瑞丽衰落信道的信道系数与衰落因子，计算出终端接入层的遍历容量

步骤2，根据无人机簇的跳频序列、无人机位置关系与路由信息、瑞丽衰落信道下的信道系数与衰落因子，初始化如下参数：平均持续系数N_p、各个跳频子信道的带宽与其在跳频序列中所占比例τ_k、每跳链路的平均可达速率

步骤3，根据初始化的参数，以满意度函数为目标函数、以各个信息流所占用的通信资源量为决策变量、以工作机制的限制条件做为约束，形成最优化问题；

步骤4，将优化问题按照决策变量之间的约束关系，将其转换为一个线性规划问题，该问题的最优解即为满意度最高时的资源分配情况，得到无人机中继层的容量

步骤5，根据多个回程无人机与基站之间的位置关系以及波束方向图，计算出扰增益，进而得到闭合表达式；代入干扰增益、回程链路层频带宽度以及瑞丽衰落信道下的信道系数与衰落因子，得到回程链路的容量

步骤6，将所求得的三层的网络容量比较，最小一层的网络容量即为整个系统的网络容量。