一种面向卫星应急通信的快速组网与协同调度方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体的，涉及一种面向卫星应急通信的快速组网与协同调度方法。

背景技术

数十年间，台风、暴雨等大规模自然灾害偶有发生，在灾害发生时，通信基础设施(如地面基站等)经常受损，导致该地区的通信系统崩溃，一时间得不到抢修。卫星通信具有通信距离远、信号覆盖广、不受地理条件限制等优点，被广泛应用于海洋通信、导航定位、应急通信等领域。然而，在卫星-地面直接通信的过程中，会受到建筑物、障碍物的遮挡等引起的阴影效应的影响，导致卫星通信的质量有时无法得到保证。

在应急通信场景中，现有的方案主要是采用无人机进行通信或无人机中继地面基站进行通信，但受灾地区通信基础设施常常受损，部分地区的通信系统崩溃，一时间得不到抢修。无人机中继地面基站不能很好的解决上述问题。少量解决方案提出无人机中继空中基站(如同步卫星)的应急通信方案，但只是对通信链路的波束成形问题以及无人机的覆盖范围问题进行了刻画，并未对该通信方案的资源分配和轨迹优化问题联合进行研究。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的是针对目前无人机参与应急通信时存在组网规划不可靠导致救援效率不高的问题，提出一种面向卫星应急通信的快速组网与协同调度方法，通过对待救援区域和待救援用户进行刻画，分别计算无人机作为移动基站或中继时的通信模式价值度，选定通信模式价值度最大的通信模式作为目标通信模式，通过通信模式价值度最大时对应的参数进行通信组网规划，能够有效助力待救援区域恢复通信，提升了待救援用户的通信传输速率，让灾情得以及时报告，大大提高了救援效率。

本发明实施例中提供的一种技术方案是，一种面向卫星应急通信的快速组网与协同调度方法，包括如下步骤：

S1、获取待救援区域的关联用户集；

S2、设定无人机作为中继的第一链路速率作为第一目标问题，求解第一目标问题得到表征关联用户集、通信资源分配和无人机规划策略的第一通信模式价值度；

S3、设定无人机作为移动基站的第二链路速率作为第二目标问题，求解第二目标问题得到表征关联用户集、通信资源分配和无人机规划策略的第二通信模式价值度；

S4、选定第一通信模式价值度和第一通信模式价值度最大的通信模式作为目标通信模式，基于目标通信模式进行组网规划。

本方案中，通过对待救援区域和待救援用户进行刻画，分别计算无人机作为移动基站或中继时的通信模式价值度，选定通信模式价值度最大的通信模式作为目标通信模式，通过通信模式价值度最大时对应的参数进行通信组网规划，能够有效助力待救援区域恢复通信，提升了待救援用户的通信传输速率，让灾情得以及时报告，大大提高了救援效率。

作为优选，S1中，获取待救援区域的关联用户集包括：

基于待救援用户位置信息构建包络线得到无人机救援区域；

基于无人机救援区域各待救援用户的通信特性信息对无人机的服务资源进行分配得到关联用户集。

本方案中，根据待救援用户的位置信息，构建一个救援区域的包络线。其中，救援用户的位置信息可以通过地理信息系统(GIS)进行调取，以便准确表示出待救援区域的形状和范围；待救援用户可以为学校、医院或厂区等等实体；获取每位待救援用户的通信特性信息，其中通信特性信息包括用户的通信设备类型、信号强度、通信频段等；基于无人机救援区域和待救援用户的通信特性，使用资源分配机制来确定哪架无人机将服务哪些用户，最大程度地提高服务效率，减少通信干扰，确保无人机及时到达；通过以上方法显著提高无人机参与通信应急救援的效率和响应速度，以更好地服务于待救援区域的用户。

作为优选，所述基于无人机救援区域各待救援用户的通信特性信息对无人机的服务资源进行分配得到关联用户集，包括如下步骤：

基于各待救援用户的通信数据帧的数量得到单位传输时间，基于单位传输时间对无人机通信周期进行切割得到对应的通信子周期；

为每一个通信子周期对应的单位传输时间配置专属信道；

为待救援用户配置对应的专属信道得到关联用户集。

本方案中，通过将通信周期分割成多个子周期，并为每个用户配置专属信道，系统可以最大程度地提高通信效率，确保用户可以在其分配的时间内传输所需的数据；每个用户在其分配的时间段内独占使用信道，从而减少了与其他用户之间的通信干扰，有助于提高通信质量和可靠性；系统具有灵活性，可以根据每个用户的通信需求动态地分配通信资源，意味着在紧急情况下，可以更快地响应用户的需求；通过配置专属信道，系统可以优化通信质量，确保用户能够在通信中获得更好的体验；通过精细的时间和信道分配，提高无人机救援系统中通信的效率和质量，以更好地满足不同用户的通信需求。

作为优选，S2、设定无人机作为中继的第一链路速率作为第一目标问题，包括：

以最大化无人机到同步卫星的回程链路速率以及无人机到用户的无线接入链路速率作为所述第一链路速率构建第一目标问题。

作为优选，第一通信模式价值度

其中，λ[n]是时隙比例分配函数，R

作为优选，S3、设定无人机作为移动基站的第二链路速率作为第二目标问题，包括：以最大化一个服务周期内无人机到用户的无线接入链路速率为第二链路速率构建第二目标问题。

作为优选，第二通信模式价值度

其中，a

作为优选，第一目标问题或第二目标问题的求解步骤为：

a1、初始化用户关联，时隙分配，功率分配以及无人机轨迹；

a2、选取初始化后的用户关联，时隙分配，功率分配以及无人机轨迹中的任意三个参数采用连续凸逼近算法优化剩余参数对应的优化参数；

a3、基于所述优化参数联合任意两个参数采用步骤a2的方式轮次优化剩余参数对应的优化参数直至达到优化停止条件。

作为优选，优化停止条件包括达到迭代次数或目标问题的解的变化率小于设定值。

本发明的有益效果：本发明一种面向卫星应急通信的快速组网与协同调度方法通过对待救援区域和待救援用户进行刻画，分别计算无人机作为移动基站或中继时的通信模式价值度，选定通信模式价值度最大的通信模式作为目标通信模式，通过通信模式价值度最大时对应的参数进行通信组网规划，能够有效助力待救援区域恢复通信，提升了待救援用户的通信传输速率，让灾情得以及时报告，大大提高了救援效率；通过将通信周期分割成多个子周期，并为每个用户配置专属信道，系统可以最大程度地提高通信效率，确保用户可以在其分配的时间内传输所需的数据；每个用户在其分配的时间段内独占使用信道，从而减少了与其他用户之间的通信干扰，有助于提高通信质量和可靠性；系统具有灵活性，可以根据每个用户的通信需求动态地分配通信资源，意味着在紧急情况下，可以更快地响应用户的需求；通过配置专属信道，系统可以优化通信质量，确保用户能够在通信中获得更好的体验；通过精细的时间和信道分配，提高无人机救援系统中通信的效率和质量，以更好地满足不同用户的通信需求。

上述发明内容仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明一种面向卫星应急通信的快速组网与协同调度方法流程图。

图2为本发明基于无人机作为中继的卫星通信系统结构图。

图3为本发明基于无人机作为移动基站的卫星通信系统结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在更加详细地讨论示例性实施例之前，应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作(或步骤)可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤；所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例：如图1所示，一种面向卫星应急通信的快速组网与协同调度方法，包括如下步骤：

S1、获取待救援区域的关联用户集。

具体地，基于待救援用户位置信息构建包络线得到无人机救援区域；

基于无人机救援区域各待救援用户的通信特性信息对无人机的服务资源进行分配得到关联用户集。

本实施例中，根据待救援用户的位置信息，构建一个救援区域的包络线。其中，救援用户的位置信息可以通过地理信息系统(GIS)进行调取，以便准确表示出待救援区域的形状和范围；待救援用户可以为学校、医院或厂区等等实体；获取每位待救援用户的通信特性信息，其中通信特性信息包括用户的通信设备类型、信号强度、通信频段等；基于无人机救援区域和待救援用户的通信特性，使用资源分配机制来确定哪架无人机将服务哪些用户，最大程度地提高服务效率，减少通信干扰，确保无人机及时到达；通过以上方法显著提高无人机参与通信应急救援的效率和响应速度，以更好地服务于待救援区域的用户。

具体地，基于无人机救援区域各待救援用户的通信特性信息对无人机的服务资源进行分配得到关联用户集，包括如下步骤：

基于各待救援用户的通信数据帧的数量得到单位传输时间，基于单位传输时间对无人机通信周期进行切割得到对应的通信子周期；

为每一个通信子周期对应的单位传输时间配置专属信道；

为待救援用户配置对应的专属信道得到关联用户集。

本实施例中，通过将通信周期分割成多个子周期，并为每个用户配置专属信道，系统可以最大程度地提高通信效率，确保用户可以在其分配的时间内传输所需的数据；每个用户在其分配的时间段内独占使用信道，从而减少了与其他用户之间的通信干扰，有助于提高通信质量和可靠性；系统具有灵活性，可以根据每个用户的通信需求动态地分配通信资源，意味着在紧急情况下，可以更快地响应用户的需求；通过配置专属信道，系统可以优化通信质量，确保用户能够在通信中获得更好的体验；通过精细的时间和信道分配，提高无人机救援系统中通信的效率和质量，以更好地满足不同用户的通信需求。

S2、设定无人机作为中继的第一链路速率作为第一目标问题，求解第一目标问题得到表征关联用户集、通信资源分配和无人机规划策略的第一通信模式价值度。

具体地，设定无人机作为中继的第一链路速率作为第一目标问题，包括：

以最大化无人机到同步卫星的回程链路速率以及无人机到用户的无线接入链路速率作为所述第一链路速率构建第一目标问题。

考虑由同步卫星、无人机和多个地面移动用户组成的应急通信系统，如图2所示。其中，同步卫星作为基站，无人机作为中继共同为地面用户提供通信服务。在一个服务周期内，采用离散近似法，将无人机的服务周期T等分为N个长度为α的单位传输时间，则无人机在一个周期位置坐标可用N个离散坐标点表示，后期对无人机的位置轨迹进行优化。考虑到无人机的物理性能有限，还需对一个服务周期内无人机通信能量、最大飞行速度、发射功率等进行限制。在本系统中，卫星到无人机与无人机到用户链路工作在时分模式。具体而言，两跳通信信号沿同一信道进行传输，为了避免不同信号之间相互干扰，需将通信信道划分为多个时隙，分别分配给同步卫星到无人机链路与无人机到地面用户链路使用。数据按照帧格式进行传输，一帧包含若干个时隙，一个服务周期由若干个帧组成，帧长与无人机单位传输时间长度α应满足整数倍关系。本实施例只考虑一帧内分配给卫星到无人机链路的时隙比例，而不考虑具体精确某个时隙给哪一跳链路使用，后期以α为周期对时隙比例进行分配。在一个服务周期内，无人机需要服务到所有用户，保证用户服务的公平性，但在一个单位传输时间内无人机只能为一个用户服务，优化无人机每个单位传输时间的服务对象问题称为用户关联。

进一步地，对于链路增益的建模，将同步卫星与无人机间的信道增益表示为路径损耗和小尺度衰落的乘积。由于同步卫星与无人机的距离远大于无人机轨迹的移动高度，且在应急通信的场景下，无人机的轨迹范围较小，本实施例假设卫星与无人机间的信道不受无人机轨迹的影响，即信道增益可近似为定值。当无人机在一定高度以上与地面用户进行通信时，可近似将空-地信道为视距衰落信道，因此将无人机与地面用户信道增益表示为：

其中，其中β

基于以上变量的描述，本发明以最大化无人机到同步卫星的回程链路以及无人机到用户的无线接入链路速率和为第一目标问题，联合优化用户关联、资源分配和无人机轨迹对第一目标问题进行求解得到第一通信模式价值度

其中，λ[n]是时隙比例分配函数，R

进一步地，由于时隙分配，用户关联，功率分配以及无人机轨迹变量间相互耦合，且该优化问题为非凸问题，无法直接得到闭式解，故本发明采用先将复杂的多变量耦合问题分解为四个子问题，运用连续凸近似等方法将非凸问题转化为凸问题进行求解，最后利用交替优化迭代逼近最优解。具体求解步骤可以描述如下：

a1、初始化用户关联，时隙分配，功率分配以及无人机轨迹；

a2、选取初始化后的用户关联，时隙分配，功率分配以及无人机轨迹中的任意三个参数采用连续凸逼近算法优化剩余参数对应的优化参数；

a3、基于所述优化参数联合任意两个参数采用步骤a2的方式轮次优化剩余参数对应的优化参数直至达到优化停止条件。

具体地，优化停止条件包括达到迭代次数或目标问题的解的变化率小于设定值。

S3、设定无人机作为移动基站的第二链路速率作为第二目标问题，求解第二目标问题得到表征关联用户集、通信资源分配和无人机规划策略的第二通信模式价值度。

具体地，设定无人机作为移动基站的第二链路速率作为第二目标问题，包括：

以最大化一个服务周期内无人机到用户的无线接入链路速率为第二链路速率构建第二目标问题。

将无人机作为中继的应急通信系统改为无人机直接作为移动基站的应急通信系统，如图3所示。该场景可以扩展为有多个无人机同时为用户提供服务，这样可以有效的增大覆盖范围，但同时需要考虑无人机间的干扰性问题。用户以时分多址的方式接入无人机基站，具体来说，将通信时间分割成互不重叠的时段(帧)，再将帧分割成互不重叠的时隙(信道)与用户具有一一对应关系，依据时隙区分来自不同地址的用户信号，从而完成的多址连接。在一个服务周期内，采用离散近似法，将无人机的服务周期T等分为N个长度为α的单位传输时间，无人机在一个周期位置坐标用N个离散坐标点表示。并对一个服务周期内无人机通信能量、最大飞行速度、发射功率等进行限制。无人机作为中继和无人机作为基站能够使用的最大通信能量存在区别。在一个单位传输时间内无人机只能为一个用户提供服务。在一个服务周期内，无人机需要服务到所有用户，本方案对用户最小传输速率进行限制，以保证用户服务的公平性。

进一步地，将无人机到地面用户通信信道增益建模为视距衰落信道，本实施例以最大化一个服务周期内无人机到用户的无线接入链路速率和为第二目标问题，联合优化用户关联、资源分配和无人机轨迹对第二目标问题进行求解得到第二通信模式价值度

其中，a

需要说明书的是，第一目标问题和第二目标问题的求解原理相同，在此不做累述。

S4、选定第一通信模式价值度和第一通信模式价值度最大的通信模式作为目标通信模式，基于目标通信模式进行组网规划。

本实施例中，通过对待救援区域和待救援用户进行刻画，分别计算无人机作为移动基站或中继时的通信模式价值度，选定通信模式价值度最大的通信模式作为目标通信模式，通过通信模式价值度最大时对应的参数进行通信组网规划，能够有效助力待救援区域恢复通信，提升了待救援用户的通信传输速率，让灾情得以及时报告，大大提高了救援效率。

以上所述之具体实施方式为本发明一种面向卫星应急通信的快速组网与协同调度方法的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。