一种面向UAV-WSN系统的无线通信资源分配方法

本发明属于uav-wsn通信领域，具体涉及一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法。

背景技术：

1、随着物联网技术的发展，无线传感器网络(wireless sensor networks，wsn)在环境监测、安全保障领域得到广泛应用。近年来，大型群众活动呈现数量增多，规模扩大的趋势，安全问题成为焦点。此类活动移动用户会短时间快速聚集，既需要快速完成监测数据的采集传输，又需要满足大量移动用户的数据传输需求。然而，传统基站存在覆盖范围有限和响应速度受限的问题。无人机(unmanned aerial vehicle，uav)的灵活性和机动性能够扩大监测范围并迅速响应事件，将uav引入无线传感器网络成为一种可能的解决方案。

2、目前，针对uav-wsn系统的无线通信资源分配方面的研究，主要集中于单一传感器网络场景，缺少对移动用户和传感器网络共存的考虑，即既需保证移动用户体验又需考虑传感网络数据传输；对性能的关注则以吞吐量、传输速率、网络时延为主，缺乏对传感器数据时效性的考虑。因此，亟需一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，满足用户体验的同时，快速有效传输监测数据，保证感知信息的新鲜度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，应用于uav-wsn系统中，无人机uav采用时分复用的方式调用wsn传感器和用户；在调用用户的时隙，uav向uav进行数据上传；在调用传感器的时隙，wsn收集uav发送的射频能量，利用从uav收集的射频能量向uav进行数据上传，所述资源分配方法具体包括：

2、基于移动用户通信需求和传感器信息时效性，构建无线通信资源分配模型；

3、根据传感器信息迭代过程，构建最小化平均信息年龄目标函数；

4、根据实际应用场景、uav和传感器能耗、移动用户体验以及传感器数据采集需求，分别构建相关uav能动性约束、uav和传感器的能量约束、信息传输量约束和信道条件约束；

5、求解由最小化平均信息年龄目标函数和各约束条件构成的传感器信息年龄优化问题，得到无线通信资源分配方案。

6、本发明的有益效果：

7、本发明针对固定基站覆盖范围有限、响应速度慢的问题，构建了一种uav辅助无线传感器网络的系统模型。在uav-wsn通信场景下，兼顾用户通信质量和传感器数据新鲜度，构建了无线通信资源分配模型。根据无线通信资源分配模型，构建信息年龄优化问题，设计的问题考虑了uav和传感器能耗、移动用户体验、传感器数据时效性及信道质量等影响；同时，在求解过程中提出了一种交替优化的改进算法。此外，与现有方案相比，本发明在保障移动用户通信需求的前提下提高了传感器的信息新鲜度。

技术特征：

1.一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，其特征在于，应用于uav-wsn系统中，无人机uav采用时分复用的方式调用wsn传感器和用户；在调用用户的时隙，uav向uav进行数据上传；在调用传感器的时隙，wsn收集uav发送的射频能量，利用从uav收集的射频能量向uav进行数据上传，所述资源分配方法具体包括：

2.根据权利要求1所述的一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，其特征在于，所述方法还包括当在优化时隙内移动用户通信需求处于低需求状态时，优先调度传感器；当在优化时隙内移动用户通信需求处于高需求状态时，优先调度移动用户，所述低需求状态包括移动用户通信需求处于空闲状态；所述高需求状态包括移动用户通信需求处于紧急状态或者繁忙状态。

3.根据权利要求1所述的一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，其特征在于，所述平均信息年龄计算过程为确定等待调度和成功上传到uav基站所经历的总时间，若某时隙传感器被调度且上传成功，信息年龄置为1，否则信息年龄线性增加；根据更新时隙数和传感器个数，计算得到传感器平均信息年龄。

4.根据权利要求3所述的一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，其特征在于，信息年龄计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，其特征在于，最小化平均信息年龄目标函数和各约束条件构成的传感器信息年龄优化问题表示为：

6.根据权利要求5所述的一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，其特征在于，所述传感器收集到的能量的计算公式包括：

7.根据权利要求5所述的一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，其特征在于，所述用户上传的数据量的计算公式包括：

8.根据权利要求5所述的一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，其特征在于，所述传感器上传的数据量的计算公式包括：

9.根据权利要求1或5所述的一种面向uav-wsn系统的无线通信资源分配方法，其特征在于，求解信息年龄优化问题的过程包括：

技术总结本发明属于UAV‑WSN通信领域，具体涉及一种面向UAV‑WSN系统的无线通信资源分配方法；该方法包括：将移动用户和传感器同时引入UAV‑WSN，构建一种更贴近现实的UAV‑WSN系统模型；基于移动用户通信需求和传感器信息新鲜度构建无线通信资源分配模型；根据资源分配模型，构建UAV‑WSN系统的传感器信息年龄优化问题；求解传感器信息年龄优化问题，得到无线通信资源分配方案；在保证移动用户通信需求的同时，本发明提升了UAV‑WSN系统的信息时效性，并具有较高的实用性。技术研发人员：王茜竹,卢诗萱,苟艳,陈莉受保护的技术使用者：重庆邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23