本發(fā)明涉及通信，具體涉及一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法。

背景技術：

1、地面無線通信網絡的快速發(fā)展可以為地面用戶提供良好的通信服務，滿足日常通信需要，但是隨著地面無線設備的爆炸式增長，使得地面通信網絡呈現密集化發(fā)展趨勢。同時，地面無線通信通常會受到建筑物的影響，使得通信鏈路的多徑衰落較為嚴重，很難為用戶提供可靠的通信服務。無人機以其高動態(tài)性、可動態(tài)配置與部署等優(yōu)點，已廣泛應用于無人機輔助地面通信網絡。無人機可作為空中基站，提高與地面用戶的視距傳輸可能性，使其獲得更有的傳輸性能。

2、目前，在空地融合網絡的研究中，現有工作主要通過聯合優(yōu)化無人機群位置部署、信道接入、功率控制等實現全網速率等方面的提升。然而，在大部分研究中，無人機任務調度僅考慮特定位置下的用戶服務，即無人機位置一旦優(yōu)化后便固定不變，僅服務特定用戶。此外，在考慮無人機航跡優(yōu)化的研究中，大部分研究假設網絡中信道充足，不存在用戶間的相互干擾。然而，隨著地面用戶的增加與無人機的動態(tài)移動，用戶間鏈路的動態(tài)干擾變得十分嚴重。

技術實現思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，以解決空地融合網絡中無人機對地通信傳輸性能的提升。

2、技術方案：本發(fā)明所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，包括以下步驟：

3、（1）在無人機群輔助地面通信網絡中，建立無人機群對地面用戶數據傳輸場景包括視距傳輸與非視距傳輸及其對應概率；

4、（2）將無人機群任務調度與信道分配問題建模為基于勢能博弈的航跡優(yōu)化與信道接入博弈模型，其中，博弈參與者為無人機的集合；

5、（3）使用基于最優(yōu)響應的用戶調度與信道聯合選擇方法對所述航跡優(yōu)化與信道接入博弈模型進行求解，使得各無人機服務的所有地面用戶的總效用最大化，完成無人機群任務調度與信道分配。

6、進一步的，步驟（1）具體如下：設所述的無人機任務執(zhí)行場景中，包括n個無人機，每個無人機按順序服務k個地面用戶，網絡中共有m個信道；對于無人機i，其在服務用戶正上方傳輸數據；無人機與用戶間的信道模型分為視距傳輸與非視距傳輸兩種。

7、進一步的，步驟（1）中，概率信道模型其信道增益的具體計算方法如下：

8、對于視距傳輸，其概率的計算方法如下：

9、；

10、其中，a和b是描述環(huán)境的參數，是無人機的仰角，與無人機位置和地面用戶位置有關；無人機i與地面用戶n之間的仰角，具體計算方法如下：

11、；

12、其中，h為無人機飛行高度，為無人機i與地面用戶n之間的距離；定義無人機i的坐標為，地面用戶n的坐標為，具體計算方法如下：

13、；

14、對于非視距傳輸，其概率的計算方法如下：

15、；

16、定義的概率信道模型，無人機i與地面用戶n之間的信道增益為：

17、；

18、其中，為路徑損耗指數因子，為由于非視距傳輸帶來的額外的衰減系數。

19、進一步的，步驟（2）中，模型公式如下：

20、；

21、其中，表示無人機集合，n為無人機數量；為無人機i的動作策略集合；為無人機i的效用函數。

22、進一步的，步驟（2）中，無人機i的效用函數為，具體定義如下：

23、對于任意一個無人機i，定義為無人機i在k個階段的信道選擇，為無人機i在k個階段的服務用戶調度選擇，為無人機i服務用戶k的順序選擇；基于此，無人機i的效用函數定義如下：

24、；

25、其中，k表示無人機i所服務的地面用戶序號，代表無人機i的發(fā)射功率，代表無人機j的發(fā)射功率，表示無人機j對無人機i所服務的第k個地面用戶之間的信道增益，與分別表示無人機i與無人機j的信道選擇。

26、進一步的，步驟（3）中，包括以下步驟：

27、（31）初始化，初始迭代次數設置為，無人機集合中的各無人機隨機選擇信道及用戶服務順序，定義初始策略為，其中，，表示無人機i在第0次迭代時的信道選擇策略向量，，表示無人機i在第0次迭代時的用戶服務順序向量；

28、（32）固定當前所有無人機的信道選擇，利用最優(yōu)響應算法對無人機群的服務用戶調度選擇進行優(yōu)化，優(yōu)化結果記為；

29、（33）固定當前所有無人機優(yōu)化后的服務用戶調度選擇，利用最優(yōu)響應算法對無人機群的信道選擇進行優(yōu)化，優(yōu)化結果記為；

30、（34）重復執(zhí)行步驟（32）至步驟（33），直至該選擇方法收斂；輸出當前各無人機的效用和聯合信道與用戶服務調度選擇結果，完成無人機群任務調度與信道分配。

31、進一步的，步驟（32）中，利用最優(yōu)響應算法對無人機群的服務用戶調度選擇進行優(yōu)化，具體更新準則如下：

32、隨機選擇一個無人機i，根據如下公式選擇最大效用所對應的服務用戶調度策略作為下一次迭代的服務用戶調度，其余無人機重復之前的服務用戶調度：

33、；

34、其中，是第次迭代中無人機i的服務用戶調度選擇，是第q次迭代中無人機i的效用函數。

35、進一步的，步驟（33）中，利用最優(yōu)響應算法對無人機群的信道選擇進行優(yōu)化，具體更新準則如下：

36、隨機選擇一個無人機i，根據如下公式選擇最大效用所對應的信道資源作為下一次迭代的信道選擇，其余無人機重復之前的信道選擇：

37、；

38、其中，是第次迭代中無人機i的信道選擇，是第q次迭代中無人機i的效用函數。

39、本發(fā)明所述的一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述計算機程序被加載至處理器時實現任一項所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法。

40、本發(fā)明所述的一種存儲介質，所述存儲介質存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現任一項所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法。

41、有益效果：與現有技術相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點：通過運用非合作博弈，使得各無人機具備自主決策能力，分布式地做出最利于自己的決策，有效降低了網絡的計算復雜度；同時，通過所提的聯合任務調度與信道分配框架可有效避免無人機與設備間的動態(tài)干擾，且有效提升無人機的任務執(zhí)行效用。

技術特征：

1.一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，其特征在于，步驟（1）具體如下：設所述的無人機任務執(zhí)行場景中，包括n個無人機，每個無人機按順序服務k個地面用戶，網絡中共有m個信道；對于無人機i，其在服務用戶正上方傳輸數據；無人機與用戶間的信道模型分為視距傳輸與非視距傳輸兩種。

3.根據權利要求2所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，其特征在于，步驟（1）中，概率信道模型其信道增益的具體計算方法如下：

4.根據權利要求1所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，其特征在于，步驟（2）中，模型公式如下：

5.根據權利要求4所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，其特征在于，步驟（2）中，無人機i的效用函數為，具體定義如下：

6.根據權利要求1所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，其特征在于，步驟（3）中，包括以下步驟：

7.根據權利要求6所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，其特征在于，步驟（32）中，利用最優(yōu)響應算法對無人機群的服務用戶調度選擇進行優(yōu)化，具體更新準則如下：

8.根據權利要求6所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，其特征在于，步驟（33）中，利用最優(yōu)響應算法對無人機群的信道選擇進行優(yōu)化，具體更新準則如下：

9.一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被加載至處理器時實現根據權利要求1-8任一項所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法。

10.一種存儲介質，所述存儲介質存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現根據權利要求?1-8任一項所述的一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法。

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于勢能博弈的無人機群任務調度與信道分配方法，包括以下步驟：（1）在無人機群輔助地面通信網絡中，建立無人機群對地面用戶數據傳輸場景；（2）將無人機群任務調度與信道分配問題建模為基于勢能博弈的航跡優(yōu)化與信道接入博弈模型，其中，博弈參與者為無人機的集合；（3）使用基于最優(yōu)響應的用戶調度與信道聯合選擇方法對所述航跡優(yōu)化與信道接入博弈模型進行求解，使得各無人機服務的所有地面用戶的總效用最大化，完成無人機群任務調度與信道分配；本發(fā)明有效提升無人機的任務執(zhí)行效用。

技術研發(fā)人員：陳佳馨,夏之杰,賀嘉璠,毛一鳴,李清偉
受保護的技術使用者：中國電子科技集團公司第二十八研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6