本發(fā)明屬于無線通信，具體涉及一種無人機輔助的電力通信用戶關(guān)聯(lián)與頻譜分配方法與裝置。

背景技術(shù)：

1、近年來，智能電網(wǎng)的出現(xiàn)突破了傳統(tǒng)的電力供應(yīng)和用電模式。智能電網(wǎng)利用先進的信息、控制和通信技術(shù)，為安全、高效地使用電力提供了技術(shù)支持，同時減少了能源消耗和溫室氣體排放。這些功能的實現(xiàn)離不開有效、可靠、強大的通信系統(tǒng)。

2、智能電力通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋發(fā)電廠、變電站、分布式電源、電表等設(shè)施，支撐配電側(cè)與上層控制中心的信息交互，支持配電運行監(jiān)控、用電信息采集等業(yè)務(wù)。因此，智能電力通信網(wǎng)絡(luò)直接面向電力客戶和社會，具有覆蓋范圍廣、設(shè)備數(shù)量多、業(yè)務(wù)類型復雜的特點。

3、針對復雜多樣的通信需求，多種通信網(wǎng)絡(luò)互補形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)智能電力通信網(wǎng)絡(luò)的高速無縫覆蓋。為了協(xié)調(diào)多用戶接入并最大限度地提高系統(tǒng)吞吐量，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)必須提供靈活的資源分配、智能的網(wǎng)絡(luò)管理和細粒度的流量控制。同時，智能電力通信網(wǎng)絡(luò)中的無線終端的部署呈現(xiàn)出空間位置上的多樣性和復雜性。為了盡可能地滿足用戶的用電需求，一些終端設(shè)備會被部署在建筑密集、大量用戶聚集的地區(qū)，而另一些可能會分布在地形復雜、計算資源緊缺、通信條件差的偏遠地區(qū)。另外，在智能電力通信場景中，隨著物聯(lián)網(wǎng)和機器通信的不斷發(fā)展，電力通信中存在著大量用戶同時接入的情況。這對電力通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)接入選擇機制提出了嚴格要求。對于上述挑戰(zhàn)，無人機因為具有成本低、機動性高和自適應(yīng)能力等特點，能夠為偏遠地區(qū)、高密度通信區(qū)域以及自然災(zāi)害地區(qū)提供輔助通信服務(wù)。因此，迫切的需要一種無人機輔助的電力通信系統(tǒng)。

4、無人機輔助的電力通信網(wǎng)絡(luò)中，在宏基站覆蓋的區(qū)域內(nèi)布置低功率的無人機基站，形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。宏基站和無人機基站復用同一頻譜資源，能夠為用戶提供更多的頻譜資源以提升系統(tǒng)容量。用戶通過單連接或者多連接技術(shù)與宏基站或無人機基站建立連接從而進行通信。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入選擇機制考慮將用戶簡單地與能夠提供最大信噪比的基站建立連接。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，由于忽略基站間的差異，這種算法極易導致負載不平衡和資源利用率低，無法滿足智能電力通信的需求。文獻1(大規(guī)模mimo異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基于匹配博弈的用戶-網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)算法[j])研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于一對多匹配的用戶關(guān)聯(lián)算法，在保證用戶qos(quality?of?service)的情況下通過匹配博弈得到最大化系統(tǒng)能效的用戶關(guān)聯(lián)策略。但是忽略了對于基站功率控制的考慮，而用戶關(guān)聯(lián)后基站功率的調(diào)節(jié)會影響匹配博弈中的效用函數(shù)，并進一步影響用戶關(guān)聯(lián)的最優(yōu)解。文獻2(異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中用戶關(guān)聯(lián)與基站功率的協(xié)同優(yōu)化[j])研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的用戶關(guān)聯(lián)機制和基站功率控制的協(xié)同優(yōu)化方案，利用約束條件松弛和凸優(yōu)化迭代求得最優(yōu)解。但是松弛變量可能會導致松散的上界解,導致最終得到的上界解決方案并不是原始問題的最優(yōu)解。申請?zhí)枮閏n202110526421.8的專利申請研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于深度學習的用戶關(guān)聯(lián)聯(lián)合功率分配策略，分別匈牙利算法和注水算法求得用戶關(guān)聯(lián)和功率分配策略做為數(shù)據(jù)集，隨后根據(jù)數(shù)據(jù)集訓練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)在線決策。但是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓練需要大量的數(shù)據(jù)，并且存在模型泛化性的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述，本發(fā)明的目的是提供一種無人機輔助的電力通信用戶關(guān)聯(lián)與頻譜分配方法與裝置，可以有效增大用戶通信速率，提升異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)整體實現(xiàn)優(yōu)化。

2、為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，實施例提供的一種無人機輔助的電力通信用戶關(guān)聯(lián)與頻譜分配方法，所述方法應(yīng)用于由若干個無人機基站、一個宏基站、以及隨機分布的若干個用戶組成的無人機輔助電力通信異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，包括以下步驟：

3、以最大化系統(tǒng)吞吐量為優(yōu)化目標，建立系統(tǒng)中基站用戶關(guān)聯(lián)、子信道分配和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化問題；

4、考慮用戶需求、基站負載、層內(nèi)干擾和層間干擾，對用戶速率、基站容量、功率和信號干擾強度建立相應(yīng)約束；

5、在相應(yīng)約束下求解聯(lián)合優(yōu)化問題，具體包括使用匹配算法解決用戶關(guān)聯(lián)和子信道分配優(yōu)化問題，隨后使用拉格朗日對偶方法對功率分配問題進行求解。

6、優(yōu)選地，以最大化系統(tǒng)吞吐量為優(yōu)化目標，建立系統(tǒng)中基站用戶關(guān)聯(lián)、子信道分配和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化問題，包括：

7、根據(jù)香農(nóng)公式，當用戶k與無人機基站m在子信道n上建立連接時，其通信速率rk,m,n表述為：

8、rk,m,n＝bnlog2(1+γk,m,n),

9、其中，bn表示子信道n的帶寬，γk,m,n表示用戶k接收信號的信干噪比，其計算公式如下：

10、

11、其中，pk,n表示無人機基站用戶k在子信道n上的信號功率大小，pj,n表示無人機基站用戶j在子信道n上的信號功率大小，pl,n表示宏基站用戶l在子信道n上的信號功率大小，hk,m,n、hj,m,n、hl,m,n分別表示無人機基站用戶k、無人機基站用戶j和宏基站用戶l到無人機基站m的信道增益，σ2表示噪聲功率，表示在子信道n上通信的無人機基站用戶的集合；

12、定義用戶關(guān)聯(lián)變量xk,m表示無人機基站m和用戶k之間的連接關(guān)系，當用戶k與基站m建立連接時，xk,m＝1，否則，xk,m＝0；定義子信道分配變量yk,m,n表示無人機基站m的子信道分配情況，當無人機基站m的子信道n被用戶k占據(jù)時，yk,m,n＝1，否則，yk,m,n＝0；使用作為用戶關(guān)聯(lián)變量的集合，作為子信道分配變量的集合，作為用戶功率分配變量的集合；

13、基于上述定義，考慮基站用戶關(guān)聯(lián)、子信道分配和用戶信號傳輸功率等因素，以最大化系統(tǒng)吞吐量為優(yōu)化目標，建立如下聯(lián)合優(yōu)化問題：

14、

15、其中，分別表示無人機基站的集合、用戶的集合、以及正交子信道的集合。

16、優(yōu)選地，考慮用戶需求、基站負載、層內(nèi)干擾和層間干擾，對用戶速率、基站容量、功率和信號干擾強度建立相應(yīng)約束，包括：

17、當無人機輔助電力通信系統(tǒng)被應(yīng)用于單連接場景，即用戶通過單連接技術(shù)與宏基站或一個無人機基站建立連接并進行通信時，建立的相應(yīng)約束共計9個，分別為：

18、

19、

20、其中，約束(a1)保證每一個用戶k都能得到能夠滿足其最低要求的通信速率約束(b1)表示無人機基站m在子信道n上對宏基站的信號干擾要控制在干擾閾值內(nèi)，hk,0,n表示無人機基站用戶k到宏基站0的信道增益；約束(c1)表示一個用戶只能與一個基站連接；約束(d1)表示無人機基站m服務(wù)的用戶不能超過其能服務(wù)的最大用戶數(shù)目qm以保證負載均衡；約束(e1)和約束(f1)表示對于每個無人機基站，每個子信道最多可以分配給一個用戶，每個用戶最多可以被分配一個子信道；約束(g1)和約束(h1)表示變量xk,m和變量yk,m,n為二進制變量；約束(i1)表示每一個用戶的信號傳輸功率要控制在由最大信號傳輸功率和最小傳輸功率形成的一定范圍內(nèi)。

21、優(yōu)選地，考慮用戶需求、基站負載、層內(nèi)干擾和層間干擾，對用戶速率、基站容量、功率和信號干擾強度建立相應(yīng)約束，包括：

22、當無人機輔助電力通信系統(tǒng)被應(yīng)用于多連接場景，即用戶通過多連接技術(shù)與多個基站建立連接并進行通信時，建立的相應(yīng)約束同樣共計9個，只有第3個約束(c1)修改為：

23、

24、其余8個約束均與單連接場景的約束(a1)-(b1)，(d1)-(i1)相同，約束(c2)表示每一個用戶k最多可以與bk個基站連接。

25、優(yōu)選地，在相應(yīng)約束下求解聯(lián)合優(yōu)化問題，具體包括使用匹配算法解決用戶關(guān)聯(lián)和子信道分配優(yōu)化問題，隨后使用拉格朗日對偶方法對功率分配問題進行求解，包括：

26、步驟1：初始化給定條件和約束信息，包括用戶數(shù)目和位置，基站數(shù)目和位置，用戶最低速率，干擾閾值，基站容量，功率范圍，子信道帶寬和信號噪聲，同時，初始化用戶關(guān)聯(lián)變量集合x、子信道分配變量集合y和用戶功率分配變量集合p；

27、步驟2：在約束下，根據(jù)子信道分配變量集合y和用戶功率分配變量集合p，通過匹配算法求解用戶關(guān)聯(lián)問題，得到x；

28、步驟3：在約束下，根據(jù)步驟2得到的x和功用戶功率分配變量集合p，通過匹配算法求解子信道分配問題，得到y(tǒng)；

29、步驟4：在約束下，根據(jù)步驟2、3得到的x和y，通過拉格朗日對偶方法求解功率分配問題，得到p；

30、步驟5：重復步驟2、3、4，直到達到最大迭代次數(shù)或收斂，得到最終的基站用戶關(guān)聯(lián)、子信道分配和功率分配結(jié)果。

31、優(yōu)選地，步驟2包括：

32、用戶側(cè)采用無人機基站m所有可用子信道的平均信干噪比作為評估基站m的效用函數(shù)即:

33、

34、基站側(cè)采用用戶k的接收信號強度作為評估用戶k的效用函數(shù)即；

35、

36、其中，γk,m,n表示用戶k接收信號的信干噪比，pk,n表示無人機基站用戶k在子信道n上的信號功率大小，hk,m,n表示無人機基站用戶k到無人機基站m的信道增益，sm表示基站m可用子信道的集合；

37、根據(jù)用戶側(cè)的效用函數(shù)用戶構(gòu)建對無人機基站的偏好列表，并向其中效用函數(shù)最大的一個或bk個無人機基站發(fā)送連接請求，無人機基站則根據(jù)基站側(cè)的效用函數(shù)和自身剩余容量決定是否接受用戶的連接請求；

38、如果用戶被拒絕，則將無人機基站從偏好列表中刪除，并繼續(xù)嘗試向偏好列表中效用函數(shù)最大的一個或bk個無人機基站發(fā)送連接請求，以此類推，直到為每個用戶匹配一個接受自己的無人機基站并建立連接，以構(gòu)建用戶關(guān)聯(lián)變量集合x；

39、其中，當無人機輔助電力通信系統(tǒng)被應(yīng)用于單連接場景時，向一個無人機基站發(fā)送連接請求，當無人機輔助電力通信系統(tǒng)被應(yīng)用于多連接場景時，向bk個無人機基站發(fā)送連接請求。

40、優(yōu)選地，步驟3包括：

41、對于每個無人機基站，只需要將子信道分配給與自己建立連接的用戶，不需要考慮其他無人機基站的用戶連接和子信道分配情況，并將子信道分配問題看作一個獨立的子問題，基于此，對于無人機基站m，用戶側(cè)采用在子信道n上的通信速率rk,m,n作為其評估該子信道的效用函數(shù)即：

42、

43、子信道側(cè)采用用戶k在子信道n上的通信速率與用戶為其他基站在子信道n上帶來的干擾的加權(quán)結(jié)果作為評估用戶k的效用函數(shù)即：

44、

45、其中，表示最低要求的通信速率，pk,n表示無人機基站用戶k在子信道n上的信號功率大小，hk,q,n表示無人機基站用戶k到無人機基站q的信道增益，hk,0,n表示無人機基站用戶k到宏基站0的信道增益，α和β分別表示加權(quán)系數(shù)；

46、根據(jù)用戶側(cè)效用函數(shù)用戶構(gòu)建對子信道的偏好列表，并向基站對其中效用函數(shù)最大的一個子信道發(fā)送請求，基站則根據(jù)子信道側(cè)的效用函數(shù)和信道占用情況決定是否為用戶分配子信道；

47、如果用戶被拒絕，則將該子信道從偏好列表中刪除，并繼續(xù)嘗試向基站子信道的偏好列表中效用函數(shù)最大的一個的子信道發(fā)送連接請求，以此類推，直到為每個用戶匹配一個接受自己的子信道并建立連接，以構(gòu)建用子信道分配變量集合y。

48、優(yōu)選地，步驟4包括：

49、對于不同的正交子載波，由于不同的子載波之間不會相互干擾，將使用不同的子信道的用戶-基站對的功率分配問題看作獨立的子問題；

50、對于不同的子信道的用戶-基站對的功率分配問題，引入拉格朗日乘子來構(gòu)建拉格朗日方程，然后使用kkt條件求得功率分配的最優(yōu)解，得到用戶功率分配變量集合p。

51、為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，實施例還提供了一種無人機輔助的電力通信用戶關(guān)聯(lián)與頻譜分配裝置，包括存儲器和一個或多個處理器，所述存儲器中存儲有可執(zhí)行代碼，所述裝置應(yīng)用于由若干個無人機基站、一個宏基站、以及隨機分布的若干個用戶組成的無人機輔助電力通信異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，所述一個或多個處理器執(zhí)行所述可執(zhí)行代碼時，用于實現(xiàn)上述一種無人機輔助的電力通信用戶關(guān)聯(lián)與頻譜分配方法。

52、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果至少包括：

53、本發(fā)明綜合考慮無人機輔助的電力通信異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中最大化系統(tǒng)吞吐量、保證用戶的通信質(zhì)量、保證基站的負載均衡、以及實施調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)信號干擾的需求，聯(lián)合優(yōu)化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的用戶關(guān)聯(lián)、子信道分配和功率分配問題，并以低復雜度的算法對問題進行求解。所提出的無人機輔助的電力通信異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有助于促進電力通信系統(tǒng)在偏遠地區(qū)、高密度通信以及自然災(zāi)害地區(qū)為用戶提供高速無縫的覆蓋。所設(shè)計的無人機輔助的電力通信用戶關(guān)聯(lián)與頻譜分配方法能夠協(xié)調(diào)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中多方面的要求，對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的資源分配進行整體優(yōu)化，提升系統(tǒng)容量。