[发明专利]无人机蜂群多微蜂窝频谱资源管理方法

权利要求书

1.一种无人机蜂群多微蜂窝频谱资源管理方法，其特征在于，构建无人机蜂群多微蜂窝网络模型，将频谱共享问题描述为信道调度和功率分配两个子问题，在固定其一变量的同时求解另一变量的最优解，信道调度问题为无约束最优化问题，而功率分配问题为约束凸优化问题，且每次功率分配求解均求得解析最优解，步骤如下：

步骤1：初始建网阶段，对于无人机双层蜂窝网络，当完成初步建网，即簇内有簇子节点和簇首后，簇首选择启动资源调度模块；

步骤2：簇子节点向簇首发送资源请求包，簇首对资源管理模块进行初始参数配置，包括工作频段、可分配RU数、最大发射机功率；

步骤3：第一阶段信息收集：簇首根据各节点的上下行需求信息，判断需要进行信息收集的节点和RU，并发送相应训练序列对信道CSI进行估计；

步骤4：初步RU分配：簇首基于收集到的各节点在RU上传输的信道CSI，根据信道调度规则对RU进行分配；

步骤5：簇首判断其自身是否收到其他簇首的信道调度信息，若有，则将初步RU分配结果与其他簇首的信道分配结果相结合，判断该簇首最有可能干扰到的节点，称为主干扰节点；随后簇首发送训练序列，对主干扰节点的干扰路径CSI进行估计；

步骤6：基于初步RU分配结果，簇首根据已获得的信道信息，计算每个RU上对应的最优功率；当计算功率结果小于零时，取功率0，同时修正初步RU分配结果；

步骤7：本次资源调度结束，簇首的资源管理模块向MAC层输出调度结果，并将本轮调度结果通过宏蜂窝广播给其他簇首；

步骤8：下一轮调度周期开始，回到步骤3；

所述构建无人机蜂群多微蜂窝网络模型，具体如下：

无人机蜂群网络分为两层，上层为宏蜂窝，采用无中心的ad-hoc网络形式，下行为微蜂窝，采用以簇首为中心的集中式网络形式，一个下层微蜂窝为一个簇，其中中心节点为簇首，负责簇间交互以及簇内资源调度，底层通信节点为簇子节点，簇子节点根据所属簇首的资源调度信息进行信道接入和数据传输；簇内的信道链路分为上行和下行，上行为簇子节点到簇首，下行为簇首到簇子节点，上下行使用不同的频段，资源调度相互独立；

基于上述网络模型，无人机蜂窝网中的下行资源调度问题，建模为如下最优化模型

其中，m表示微蜂窝即簇首的索引号；k表示微蜂窝内簇子节点的索引号，若子节点k属于微蜂窝m，则表示为k∈K_m，K_m表示微蜂窝m内的簇子节点集合；n表示RU的索引号，假设全网RU序列号同步，即一个n只对应一个频率的RU，假设所有微蜂窝都共享同一个大的频段；表示微蜂窝m内节点k在所有RU上的信道速率的长时平均，用公式表示为表示RU的分配情况，若则在微蜂窝m中，将RUn分配给节点k进行数据传输，同一个蜂窝内，一个RU仅能为一个节点服务，但一个节点可同时占用多个RU；表示微蜂窝m中在RU上与节点k进行数据传输发射信号的功率，总和不应超过簇首发射机的总功率

簇首m到簇子节点k在RU n上的下行信道的接收信干噪比的计算公式如下

采用分布迭代算法，首先在固定功率分配的条件下将各个RU分配给子节点，然后在信道调度固定的情况下更新功率分配，有限次的反复迭代后，即达到上述资源管理优化问题的相对最优解；

所述将频谱共享问题描述为信道调度和功率分配两个子问题，在固定其一变量的同时求解另一变量的最优解，信道调度问题为无约束最优化问题，而功率分配问题为约束凸优化问题，且每次功率分配求解均求得解析最优解，具体如下：

第一阶段：信道调度

假设初始入网时，所有RU都未被占用，此时所有N为RU的总数，对于每一个RU n，按照以下的规则分配子节点

若则

其中为蜂窝m内，子节点k占用RU n时的信道瞬时速率的估计值；

第二阶段：功率分配

在固定RU信道调度的情况下，将式(1)中的优化问题简化为如下的凸优化模型

将式(2)中的约束优化问题转化为无约束优化问题进行求解，有

使用KKT条件解式(3)中的无约束优化问题，得功率分配的解为

其中，表示改变蜂窝内簇子节点的发送功率对相邻受同频干扰的蜂窝内的簇子节点在同一RU上的信道接收性能的影响，由求导获得解析表达式；

同时受到同频小区间干扰的蜂窝小区可能不止一个，对所有受到干扰的簇子节点的求和，参数表示下行干扰信道的增益，将求和过程简化为倍数关系，具体为：

其中c≥1。

2.根据权利要求1所述的无人机蜂群多微蜂窝频谱资源管理方法，其特征在于，步骤6中基于初步RU分配结果，簇首根据已获得的信道信息，计算每个RU上对应的最优功率；当计算功率结果小于零时，取功率0，同时修正初步RU分配结果，具体为：

步骤6.1：对每一个簇首m，和其内的簇子节点k∈K_m，初始化λ_m＝0，迭代步长设置为0.01；

步骤6.2：根据本地信道CSI和通过跨簇估计得到的相邻蜂窝CSI，基于距离最近原则选取主干扰节点及对应簇首，计算本蜂窝内功率变化对齐链路的影响值t；

步骤6.3：根据t参数，对所有的节点k和RU号n，计算信道占用参数不为0的RU的发射信号功率

步骤6.4：判断每个节点k和Ru n上所对应的发射信号功率是否大于0，若小于零，则取零值；

步骤6.5：上行：对簇首m内的每一个簇子节点k，遍历占用的RU，即的RU，并对相应功率值求和，判断其是否满足簇子节点的发射机最大功率约束；

下行：对簇首m内所有的簇子节点和RU，对所有功率值进行求和，判断是否满足簇首节点的发射机最大功率约束；

若不满足约束，则将λ_m增大，λ_m＝λ_m+0.01，返回步骤6.3；否则进入步骤6.6；

步骤6.6：功率分配计算完成，对初步RU分配进行修正，具体为：若RU n上的功率值且信道占用标志位则将信道占用标志位置零，