面向差异化业务需求的无人机群带宽资源分配方法研究

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因快速部署、灵活机动等特点,无人机(Unmanned Aerial Vehicles,UAVs)已广泛应用在环境监测、火灾探测、灾难救援等场景。无人机组网通信应用中,高效可靠的机间合作对于提升无人机蜂群系统吞吐量尤为重要。然而,核心挑战在于如何克服空地信道的高动态变化以及地面差异化需求业务分布的动态流动对机群网络拓扑稳定性的影响,研究高动态网络拓扑环境下无人机群与多用户间的多对多资源高效分配问题。为此,本文针对无人机群场景,研究差异化业务需求的无人机群通信与缓存资源高效分配方法,最大化无人机群网络总吞吐量,提升带宽资源利用率。本文的主要贡献为两部分:(1)针对高动态网络拓扑下无人机群与用户间带宽资源高效匹配难题,本文提出了一种基于三层拍卖框架的无人机群动态多对多带宽精匹配算法,实现全局网络带宽资源优化,更新所有用户的接入策略。与传统集中式凸优化算法相比,复杂度由指数级下降至线性级。为进一步适应网络拓扑的高动态特性,在精匹配算法的结果上提出了一种交换简匹配方法,实现不稳定单连接用户和多连接用户之间的局部动态匹配资源交换,相比于精匹配算法,可实现系统吞吐量次优解决方案,但具有更低的复杂度。仿真验证表明,与传统多对一匹配算法相比,精简匹配算法的系统吞吐量分别提高了55%和38%。与传统集中式凸优化算法相比,两种算法都具有较低的复杂度,而简匹配算法的复杂度仅为精匹配算法的40%。(2)针对无人机群规模扩大导致基站与核心网回传资源使用紧张难题,本文提出了一种业务、带宽资源、缓存资源循环三边匹配算法,实现无人机群通信与缓存资源联合高效资源分配。仿真结果表明,三边匹配算法系统总吞吐量较双边匹配算法提升35%,用户平均通信满意度提升10%,进一步缓解回传链路压力,提升带宽资源利用效率。
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