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专利号: 202410440830X
申请人: 南京邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-09-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.无人机辅助网络的自适应负载均衡地面用户接入方法,其特征在于:所述方法包括如下步骤:步骤1,设计使用地面基站BS‑无人驾驶飞行器UAV‑非地面网络NTN集成网络的替代传输路径,其中BSs、UAVs和NTNs共同为地面用户GUs服务;

步骤2,对系统进行建模,建立UAV到GU信道U2G,获得U2G链路间通道的路径损耗模型,以及信号干扰噪声比模型和中断概率模型;

步骤2中,U2G被建模为广义Nakagami‑m衰落模型;

将随机变量x的概率密度函数PDF写成:

式中,x为接收信号的幅值,Γ(Ψ)为伽马函数,Ψ和Ω分别为形状和尺度参数;

因此,U2G链路间通道的路径损耗模型表示为:

式中, 为参考距离d0米处的路径损耗,一般d0=1,n为路径损耗指数,d为U2G链路的距离,XU2G为具有标准差的对数正态阴影分量;

路径损耗指数n是Nakagami‑m参数m和载频与光速之比fc/c的函数表示为:其中,α是一个常数,取决于环境以及无人机和GU的天线高度;

在Nakagami‑m衰落信道上的U2G链路的信号干扰噪声比SINR表达式写成:式中Pt为发射功率,N0为噪声功率谱密度,ΩUAV和ΩGU分别为无人机和GU的天线增益,m为Nakagami‑m衰落参数;IU2G为总干扰功率,取决于其通信范围内的GUs数;

最后,U2G信道的中断概率OP用Q函数表示为:

式中, 为高斯Q函数,γth为停机阈值SINR,fγ(γ)为SINR的PDF,参数γ表示从0到1的贴现因子,反映了在更新策略时,未来奖励是否比即时奖励更有价值;得:利用高斯Q函数、SINR的PDF和中断的阈值SINR来模拟U2G链路的现实;

步骤3,建立BS到GU信道B2G模型,给出信号干扰噪声比模型和中断概率模型;

步骤3中,B2G链路的路径损耗模型为:

式中 表示参考距离d0=1处的路径损耗;参数n表示路径损失指数,取值范围为2~4;变量d是B2G链路中发射机和接收机之间的距离;XB2G表示对数正态阴影,平均为零,标准差为σshadow;

因此,SINR模型表示为:

PL(d)表示路径损失,和距离d有关;

式中Pt为发射功率,ΩBS为BS的天线增益,ΩGU为GU的天线增益,与U2G中的型号相同,β是通道增益,N0为噪声功率谱密度,W为带宽,IB2G为总干扰功率;

OP模型表示为:

其中Q(x)是高斯Q函数,γth是SINR的阈值,低于该阈值通信被认为处于中断状态;

步骤4,在B2G模型中,各个BS基于距离更短、干扰更小、信道噪声更低的因素优先为GU提供服务;假设GUs具有相同的干扰和噪声模型,则一个BS倾向于与距离最近的GU建立链路;GUs与BS或UAV进行数据上传或下载,优先考虑BS为主要,NTN为次要,并面向QoS以实现访问管理;

步骤5,基于优化BS‑UAV‑NTN综合网络中未知环境下的GUs接入,设定目标函数以及相应约束条件;

步骤5中,目标函数是:

其中C1和C2表示中断概率小于或小于阈值,C3和C4表示访问的GUs不应打破最大值集和 C5表示无人机的位置 应在网络区域 内,C6表示无人机的速度VUAV有限制Vmax,Pth表示中断概率的阈值;

步骤6,设计对GUs的自适应和负载平衡ALB访问方案,该方案优先考虑BSs和NTN,为综合网络提供面向QoS的解决方案;ALB方案以支持BS和NTN辅助功能为重点,保证各种网络场景下GUs的自适应和负载均衡接入;

步骤6包括以下步骤:

步骤6‑1,将覆盖区域划分为网格结构,其中无人机穿越各个方向,每个方向对应一个网格位移,基于无人机状态和行动,建立无人机奖励函数,获得无人机的以奖励期望最大化的目标函数;

步骤6‑2,通过马尔可夫决策过程MDP建模,每架无人机都有动作A和状态S,采用基于DQN的算法处理具有主体间冲击的大规模收敛问题;

GUs接入的ALB方案具体为,根据步骤1‑5的基于DQN的无人机部署算法提供合适的无人机移动步数,以优化所有GUs链路的负载均衡,确保GUs首选连接到基站,其次是无人机,如果覆盖范围内的GUs不再需要链接,无人机将离开;同时将无人机飞行划分为巡航‑悬停时隙,巡航时隙的决策也由基于DQN的无人机部署算法进行。

2.根据权利要求1所述的无人机辅助网络的自适应负载均衡地面用户接入方法,其特征在于:步骤1中,在BS‑UAV‑NTN集成网络中,当数据突发时,GUs利用无人机将数据中继到其他BSs或NTNs;当GUs已经从BSs获得覆盖时,优先选择延迟较低的BSs。

3.根据权利要求1所述的无人机辅助网络的自适应负载均衡地面用户接入方法,其特征在于:步骤4中,假设GU访问PU2G或PB2G低于Pth的任何BS或UAV,然后将此链接命名为潜在访问,如果存在可用的BS或可用的UAV,则它将转为有效访问,优先使用BS;然后写出一个和UAV 的访问集,OP模型表示为:

U2G信道的中断概率OP用Q函数表示为:

Pth表示中断概率的阈值;

其中Ui为第i个无人机,Bj为第j个基站。

4.根据权利要求1所述的无人机辅助网络的自适应负载均衡地面用户接入方法,其特征在于:步骤6‑1中,无人机根据自己的状态进行移动;由于无人机没有关于GUs分布的信息,因此它们将网络区域网格化以量化状态;然后,将无人机的状态定义为:其中,lU表示该无人机的位置,Ngrid表示该区域一侧的网格号;另外,将状态空间表示为其中t表示总时间T之外的时隙;由于无人机每次移动一步,因此转移概率表示为:

式中, 表示迁移概率;

基于状态和系统假设,无人机行动代表做出的影响系统的决策或选择;首先定义长度空间 为{1,2,…,η}×Sm,其中Sm为移动步长,η为移动步长的最大倍数,用式(11)中的Vmax表示;然后,定义方向空间 为{N,E,W,S,H},表示北N,东E,西W,南S和悬停H五个方向;

最后,将作用空间 表示为 与 的笛卡尔积,表示为无人机奖励函数为每个状态‑行动对赋值,奖励表示在特定状态下采取特定行动的即时可取性或相关成本;将其表示为对等式(11)中目标影响最大的IAs的差值,定义为:将方程中的问题公式化;(11)作为一个MDP问题,用一个元组表示;重写目标,使每架无人机的总折扣奖励期望最大化,表示为:指每架无人机的总折扣奖励期望;

(11)作为一个MDP问题,用一个元组表示,分别表示状态、动作、奖励、下一个状态;rk、sk表示元组的元素,k表示个数;

其中策略π表示从状态空间到动作空间的映射;参数γ表示从0到1的贴现因子,反映了在更新策略时,未来奖励是否比即时奖励更有价值;无人机i的最优策略 满足Bellman方程;目标函数表示为:其中s'i是无人机i的动作ai在状态si之后的下一个状态,V(s'i)是下一个状态的目标函数,pi(s'i∣si,ai)指条件概率。

5.根据权利要求1所述的无人机辅助网络的自适应负载均衡地面用户接入方法,其特征在于:步骤6‑2中,Q‑learning通过Q(s,a)=Q(s,a)+α(r+γmaxa'Q(s',a')‑Q(s,a))更新Q值,其中变量可引用;Q‑learning通过更新下式来克服状态空间的限制和快速收敛:在这里 由于 DQN模型概括了它所训练的状态和

动作之外的内容;

α是一个常数,取决于环境以及无人机和GU的天线高度; 表示求梯度;L(θi)表示损失函数;

在每次训练迭代i时,从重放存储器 中均匀采样一次经验et=(st,at,rt,st+1),确定网络损失如下:‑

目标网络的参数θ 是从当前策略网络的参数θi复制过来的,并且不会频繁更新,而是以一定的频率进行更新;

其中 为目标网络 给出的陈旧更新目标。

6.根据权利要求1所述的无人机辅助网络的自适应负载均衡地面用户接入方法,其特征在于:步骤6中,基于DQN的无人机部署算法的步骤为:输入:无人机位置、GUs位置、GUs数据流量、GUs信道参数、基站位置、运行时间T;

输出:无人机定位;

1:初始化Q‑学习参数θ,λ,α;DQN参数w,b;

2:当系统时间t

3:获得状态

4:从基于DQN的决策中获取行动;

5:获得奖励;

6:获取基于DQN的决策;

7:更新状态空间

8:无人机移动跟随动作输出;

9:更新t;

10:结束。