基于无人机的D2D通信下联合功率控制和信道分配方法组成比例

本发明专利技术公开了基于无人机的D2D通信下联合功率控制和信道分配方法，包括：步骤1，将优化问题建模为能源效率最大化问题；步骤2，对优化问题进行转换；步骤3，将转换后的优化问题分解成两个子优化问题：功率控制子优化问题和信道分配子优化问题；步骤4，求解功率控制子优化问题；步骤5，求解信道分配子问题；步骤6，最终得到D2D用户的最优发射功率以及最优信道分配策略。本发明专利技术方法能提高系统的能源效率、抑制D2D用户与地面用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰，并且能够有效降低系统的时间复杂度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
基于无人机的D2D通信下联合功率控制和信道分配方法


[0001]本专利技术属于移动通信
，尤其涉及基于无人机的D2D通信下联合功率控制和信道分配方法。

技术介绍

[0002]近些年来，随着无人机技术的发展，无人机在飞行高度、飞行控制以及可靠性等方面有了较大提升。由于其低成本、高灵活性等特点，在民用和商业领域也有广泛的应用，如天气监测、森林火灾探测、交通控制、货物运输、紧急搜索和救援、通信中继等。无人机可以为没有基础设施覆盖的设备提供无线连接，比如，在地面基站出现故障(如地震，海啸等因素)或者服务拥塞的场景中(如大型公共活动现场等)，移动用户的服务将被恶化或者中断，传统的方案采取通信抢救车的方式进行网络恢复，该方式部署笨重，耗费成本大。在一些通信基础设施欠缺的偏远地区，为了满足通信服务质量而搭建基站的成本过于高昂。在某些用户密集区域，即便是现有的通信基站能够满足用户的需求，也不能适应未来通信的发展需求，而无人机的应用能够很好的解决这些问题。由于无人机通信系统具有成本低、放置速度快、进入危险区域安全、部署极为灵活、能够快速适应特殊场景等特点，在无线通信领域得到了广泛的应用。低空无人机在大多数情况下都可以建立短程视距(LoS)通信链路，可以显著改善直接通信的性能。此外，无人机飞行轨迹的动态调整，也可以进一步提高通信的性能。
[0003]无人机在实际应用中会涉及到各种不同类型的任务，无人机需要收集、处理和传输大量的私密数据，这些任务可能与部队调动、战略行动和环境监测有关，这使得无人机成为网络攻击和窃听的目标。又由于通信的广播性质，无线通信很容易遭受到恶意攻击和窃听。在无人机辅助的无线通信系统中，如何保证信息的保密传输而不被窃听是一个重要的问题。物理层安全技术可以在不需要密钥和复杂算法的前提下保证安全性，作为一种可行的抗窃听技术，在无线通信中的应用受到了广泛的关注。其中，物理层安全的一个重要指标就是保密率，基于保密率，机密消息可以得到可靠地传输，从而窃听者接受不到任何信息。
[0004]目前，地面用户设备的无线数据传输需求增长迅速，仍存在着许多问题需要解决，例如蜂窝网络稀缺的频谱资源问题。为应对这一挑战，出现了大量无线技术。这些技术被认为是5G蜂窝系统的核心，包括设备对设备(D2D，Device
‑
to
‑
Device Communication)通信、超密集小区网络和毫米波(mmW)通信。D2D通信中移动用户可以不经过基站直接传输数据，可以有效降低传输时延，提高传输质量，提高频谱效率和数据传输速率。在D2D通信模式下，用户数据直接在终端之间传输，避免了蜂窝通信中用户数据经过网络中转传输，由此产生链路增益；其次，D2D用户之间以及D2D与蜂窝之间的资源可以复用，由此可产生资源复用增益；通过链路增益和资源复用增益则可提高无线频谱资源的效率，进而提高网络吞吐量。但是频谱的复用会造成D2D用户和蜂窝用户之间的干扰，因此，D2D用户应该动态调整发射功率来进行有效的干扰管理。随着移动互联网的发展，相邻用户进行资源共享，小范围社交以及本地特色业务等，逐渐成为一个重要的业务增长点。基于邻近用户感知的D2D技术的引
入，可以提升用户体验。
[0005]部署低空无人机可能是一种为蜂窝基础设施有限地理区域提供无线连通的成本有效方法。利用无人机辅助地面D2D通信网络，可以提高D2D通信链路的可靠性和连通性。一方面，使用无人机可以通过减少地面设备间的传输链路，减轻干扰。另一方面，飞行无人机可以引入发射分集，从而提高D2D、自组网的可靠性和连通性。此外，无人机基站可以使用空对空链路，服务于其他蜂窝连接的无人机
‑
用户设备，减轻地面网络的负荷。
[0006]无人机辅助的D2D通信场景中通常很少考虑系统的安全性问题，实际上，无线通信具有广播特性，信息很容易被窃听。资源管理是基于无人机的通信系统中另一重要研究问题，需要设计有效的调度技术来优化系统的性能。此外，能源效率最大化问题通常是一个混合整数非线性规划问题，计算复杂度高，使用局部搜索等算法需要迭代多次。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：本专利技术主要是为了研究无人机辅助D2D通信系统中的物理层安全问题。通过联合功率控制以及信道分配来提高D2D用户的服务质量(QoS)，并且削弱窃听信道，以此提升安全性能。本专利技术旨在有窃听用户在场同时无人机作为空中基站与地面用户传输信息的场景下，D2D用户与地面用户共享频谱资源，通过优化D2D用户的传输功率以及信道分配使得系统的能源效率最大化，同时满足地面用户与D2D用户的保密率和服务质量的约束。本专利技术方法能提高系统的能源效率、抑制D2D用户与地面用户共享同一频谱资源时所存在的同频干扰，并且能够有效降低系统的时间复杂度。
[0008]本专利技术具体提供基于无人机的D2D通信下联合功率控制和信道分配方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1，将优化问题建模为能源效率最大化问题；
[0010]步骤2，对优化问题进行转换；
[0011]步骤3，将转换后的优化问题分解成两个子优化问题：功率控制子优化问题和信道分配子优化问题；
[0012]步骤4，求解功率控制子优化问题；首先通过连续凸逼近SCA(Successive Convex Approximation)将功率控制子优化问题中的非凸约束转换成凸约束，引入拉格朗日函数，通过拉格朗日对偶理论以及KKT条件解出D2D用户的最优发射功率，通过次梯度算法不断更新对偶变量直至收敛。
[0013]步骤5，求解信道分配子问题；信道分配子问题是一个最大权值二分图匹配问题，通过图论中的匈牙利算法得到最优的信道分配策略。
[0014]步骤6，更新辅助变量r直至收敛，最终得到D2D用户的最优发射功率以及最优信道分配策略。
[0015]步骤1包括：
[0016]步骤1
‑
1，建立无人机辅助下的D2D通信模型；
[0017]步骤1
‑
2，建立优化问题：通过功率控制和信道分配最大化D2D用户的总能源效率，同时保证D2D用户与地面用户的服务质量要求以及保密率。
[0018]步骤1
‑
1包括：所述无人机辅助下的D2D通信模型包括一个无人机，M个地面用户，N对D2D用户以及一个窃听者，无人机作为飞行的基站与地面的用户通信；
[0019]无人机在覆盖区域的中心位置，高度固定为h，每一对D2D用户都有一个发射者和一个接收者，地面用户与D2D用户共用频谱资源；
[0020]无人机与地面用户的通信采用正交频分多址的方式，D2D进行通信时会复用地面用户的信道；地面用户集用表示，D2D用户的用户集用表示；其中M是地面用户数目，N是D2D用户对数目；
[0021]无人机和地面用户之间的通信信道以及D2D发射者对无人机的干扰信道都属于空对地信道，包含了视距传播和非视距传播两部分，因此无人机与地面用户m的信道增益g
m,U
表示为：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于无人机的D2D通信下联合功率控制和信道分配方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将优化问题建模为能源效率最大化问题；步骤2，对优化问题进行转换；步骤3，将转换后的优化问题分解成两个子优化问题：功率控制子优化问题和信道分配子优化问题；步骤4，求解功率控制子优化问题；步骤5，求解信道分配子问题；步骤6，最终得到D2D用户的最优发射功率以及最优信道分配策略。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：步骤1
‑
1，建立无人机辅助下的D2D通信模型；步骤1
‑
2，建立优化问题：通过功率控制和信道分配最大化D2D用户的总能源效率，同时保证D2D用户与地面用户的服务质量要求以及保密率。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1
‑
1包括：所述无人机辅助下的D2D通信模型包括一个无人机，M个地面用户，N对D2D用户以及一个窃听者，无人机作为飞行的基站与地面的用户通信；无人机在覆盖区域的中心位置，高度固定为h，每一对D2D用户都有一个发射者和一个接收者，地面用户与D2D用户共用频谱资源；无人机与地面用户的通信采用正交频分多址的方式，D2D进行通信时会复用地面用户的信道；地面用户集用表示，D2D用户的用户集用表示；其中M是地面用户数目，N是D2D用户对数目；无人机和地面用户之间的通信信道以及D2D发射者对无人机的干扰信道都属于空对地信道，包含了视距传播和非视距传播两部分，因此无人机与地面用户m的信道增益g
m,U
表示为：其中表示无人机和地面用户m的视距传播信道增益，表示无人机和地面用户m的非视距传播信道增益；表示视距传播发生的概率，表示非视距传播发生的概率：概率：其中，d
m,U
是无人机和地面用户m的水平距离，h是无人机的高度，α
u
是空对地信道的路径损耗指数，η是非视距传播存在时的附加衰减因子；视距传播发生概率表示为：
其中A和B是与环境有关的常数，仰角非视距传播发生的概率为D2D发射者n对无人机的干扰信道增益g
n,U
表示为：其中表示无人机和D2D发射者n的视距传播信道增益，表示无人机和D2D发射者n的非视距传播信道增益；D2D发射者n和D2D接收者n之间的信道增益g
n,n
表示为：其中G是路径损耗常数，α是路径损耗指数，β
n,n
是第n对D2D用户之间服从指数分布的快衰落增益，γ
n,n
是服从对数正态分布的慢衰落增益，d
n,n
是D2D发射者n和D2D接收者n的距离；地面用户m对D2D接收者n的干扰信道增益g
m,n
描述为：其中β
m,n
是地面用户m与D2D接收者n的快衰落增益，γ
m,n
是地面用户m与D2D接收者n的慢衰落增益，d
m,n
是地面用户m与D2D接收者n之间的距离；地面用户m到窃听者的窃听信道增益g
m,e
、D2D发射者n到窃听者的窃听信道增益g
n,e
分别为：别为：其中β
m,e
是地面用户m与窃听者的快衰落增益，γ
m,e
是地面用户m与窃听者的慢衰落增益，d
m,e
是地面用户m与窃听者的距离；β
n,e
是D2D发射者n与窃听者的快衰落增益，γ
n,e
是D2D发射者n与窃听者的慢衰落增益，d
n,e
是D2D发射者n与窃听者之间的距离；D2D发射者进行信息传输时会对复用相同频谱资源的地面用户产生干扰，此时，地面用户m的数据速率为：其中表示地面用户m的发射功率，表示D2D发射者n的发射功率，N0表示加性高斯白噪声的功率谱密度；c
m,n
是0/1的变量，表示D2D用户n与地面用户m是否共享相同的频谱资源，如下所示：
D2D用户n的数据速率表示为：D2D用户n的保密率表示为：地面用户m的保密率表示为：4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1
‑
2包括：所述优化问题定义为以下优化模型P1：P1:s.t.C1：C2:C3:C4:C5:C6:C7:C8:其中P0表示电路功耗，条件C1表示第n对D2D用户的服...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵健，周璇，申富饶，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：