智能反射面辅助的非正交多址无人机空地通信网络节能优化方法技术

本发明专利技术提供一种智能反射面辅助的非正交多址无人机空地通信网络节能优化方法，属于无人机下行通信的功率优化领域。无人机同时服务远近距离两类用户，智能反射面部署在距离无人机较远用户的附近以提高他们接收到的信号功率。为了提高频谱效率，无人机采用非正交多址接入技术服务所有用户。基于该模型，本发明专利技术是一种联合优化无人机的发射波束赋形和智能反射面相移的设计方法，该方法可以有效降低无人机的发射功率，提高无人机的续航能力，节省能量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
智能反射面辅助的非正交多址无人机空地通信网络节能优化方法


[0001]本专利技术属于无人机空地通信网络功率优化领域，涉及一种在智能反射面辅助下的降低无人机发射功率的设计方案，具体是指无人机用非正交多址接入技术服务所有用户时，联合优化无人机的发射波束赋形和智能反射面的相移，从而最小化无人机发射功率。

技术介绍

[0002]无人机可以被应用到很多领域，比如军事、运输和农业。在无线通信领域中，无人机也能发挥重要作用。几代蜂窝通信网络都主要依靠地面通信设备，而当地面设备因为自然灾害或者人为因素遭到破坏时，通信网络处于一个瘫痪状态，无法提供可靠的通信服务。另外，当用户数量激增导致业务需求量急剧增长时，会出现过载情况，此时也不能提供可靠的通信服务。为了解决以上问题，可将基站安装在无人机上，利用无人机的灵活性快速部署到有通信需求的上方，形成空中基站。另外无人机也可以搭载中继节点，成为空中中继，在网络中提供中继服务。相比于传统的地面通信设备，无人机更加灵活，可以按需部署，快速部署，而且视距链路为主要的通信链路，可以提供更可靠的连接。同时，无人机的飞行轨迹也为网络性能的提升提供了一个新的自由度。
[0003]虽然无人机在通信领域中有很多优势，但是它的覆盖区域中也可能存在阴影区，不能实现真正的无缝隙覆盖，智能反射面使全面无缝隙覆盖成为了可能。智能反射面通过软件控制反射，达到重构无线通信传播环境的目的。具体来说，智能反射面是一种金属平面，由多个可以独立反射信号的单元组成，这些单元可以控制反射信号的幅度和相位，从而协同实现无源波束赋形，定向增强或减弱信号功率。与有源中继技术相比，智能反射面并不需要信号发射模块，仅反射信号，不产生新的信号，也不需要复杂的干扰消除技术。而且凭借型薄和重量轻的特点，智能反射面很容易被部署或拆除，这也为它在实际应用中提供了较高的灵活性。为了提高无人机网络的接入能力，非正交多址接入(Non
‑
Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术应用到该网络中。NOMA是一种性能优越的无线接入技术，与传统的正交多址技术相比，NOMA在一个资源块中服务多个用户，在接收端通过串行干扰技术消除多址干扰。
[0004]虽然无人机的制造技术不断进步，续航能力已经有了很大的提升，但是我们依然希望能降低无人机的能耗，减少无人机返回充电的次数，让无人机最大限度留在空中服务用户。在保证用户速率要求的前提下，本专利技术通过最小化无人机的发射功率降低无人机的能耗，对系统中的发射波束赋形和智能反射面的相移进行了合适的设计。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种降低无人机发射功率的方法。在智能反射面的辅助下，无人机服务远近距离两类用户，具体方案如图1。基于此模型本专利技术提供了一种联合优化无人机的发射波束赋形和智能反射面相移的方案，从而降低了无人机的发射功率，提高无人机的续
航能力。
[0006]本专利技术解决技术问题采用的技术方案如下：
[0007]一种智能反射面辅助的非正交多址无人机空地通信网络节能优化方法，包括以下步骤：
[0008]第一步，构建系统模型：
[0009]1)在一个无人机通信网络中，一个配备M根天线的旋翼无人机服务K个用户，根据用户与无人机的距离分为远距离用户U
l
和近距离用户U
c
，其中c∈C＝{q+1,
…
,K}，1<q<K。假设近距离用户有较高的通信需求，无人机悬停在其上方，为了同时满足远距离用户的通信需求，在远距离用户附近部署一个有N个反射单元的智能反射面。NOMA应用到该网络中，以提高频谱效率。通过设计多天线无人机的发射波束赋形，以及智能反射面的相移减小无人机的发射功率，有效提高无人机的续航能力。
[0010]2)在系统模型中，粗体大写字母表示矩阵，粗体小写字母表示向量，不加粗的字母表示标量；表示一个维度为N
×
M的复矩阵；无人机与用户和智能反射面间的信道增益分别用和表示，智能反射面与用户间的信道增益用表示，信道均考虑莱斯信道；||A||表示矩阵A的Frobenius范数，||a||表示向量a的Euclidean范数；A
H
表示对A进行共轭转置操作；表示服从均值为μ方差为σ2的高斯分布。
[0011]假设远距离用户同时接收来自无人机的信号和智能反射面的反射信号，而近距离用户距离智能反射面较远，加上二者之间存在严重的阻挡，智能反射面的反射信号可忽略，则远距离用户U
l
接收的信号为：
[0012][0013]其中为对角矩阵，θ
n
∈[0,2π)为智能反射面的第n个单元产生的相移，其中s
j
和分别表示用户U
j
的信号和发射波束赋形向量，其中s
j
的均值和方差分别为0和1，的均值和方差分别为0和1，是在用户U
k
处的加性高斯白噪声。而近距离用户U
c
接收的信号为：
[0014][0015]3)将NOMA应用到该系统网络中，为了顺利解码所有用户信号，每一个接收者通过串行干扰技术消除多址干扰。不失一般性，假设用户与无人机的距离满足如下关系式：
[0016]d
K
＜
…
＜d
q+1
＜d
q
＜
…
＜d1,
ꢀꢀ
(3)
[0017]其中d
k
表示U
k
与无人机的距离，本专利技术假设无人机与用户的空地信道质量主要依赖于二者之间的距离，则信道质量的顺序可表示为：
[0018]‖h
d,1
‖2＜
…
＜‖h
d,q+1
‖2＜‖h
d,q
‖2＜
…
＜‖h
d,K
‖2.
ꢀꢀ
(4)
[0019]对于远距离用户U
l
，信号与干扰加噪声比(SINR)为：
[0020][0021]其中，表示U
j
在U
k
处的SINR；表示U
k
解码自己信号时的SINR；表示在用户U
k
处的噪声功率。对于用户U
q+1
到U
K
‑1，没有反射信号，SINR可表示为：
[0022][0023]对于U
K
，首先解码并移除U1至U
K
‑1的信号，U
K
的SINR为：
[0024][0025]为了顺利实现串行干扰消除，用户的SINR需要满足：
[0026][0027]其中，γ
j
表示用户U
j
最低SINR要求。
[0028]第二步，根据第一步的具体设置，确定目标函数，列出优化问题：
[0029本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面辅助的非正交多址无人机空地通信网络节能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，构建系统模型：1)在一个无人机通信网络中，一个配备M根天线的旋翼无人机服务K个用户，根据用户与无人机的距离分为远距离用户U
l
和近距离用户U
c
，其中c∈C＝{q+1,
…
,K}，1<q<K；假设近距离用户有较高的通信需求，无人机悬停在其上方，为了同时满足远距离用户的通信需求，在远距离用户附近部署一个有N个反射单元的智能反射面；2)在系统模型中，粗体大写字母表示矩阵，粗体小写字母表示向量，不加粗的字母表示标量；表示一个维度为N
×
M的复矩阵；无人机与用户和智能反射面间的信道增益分别用和表示，智能反射面与用户间的信道增益用表示，信道均考虑莱斯信道；||A||表示矩阵A的Frobenius范数，||a||表示向量a的Euclidean范数；A
H
表示对A进行共轭转置操作；表示服从均值为μ方差为σ2的高斯分布；假设远距离用户同时接收来自无人机的信号和智能反射面的反射信号，而近距离用户距离智能反射面较远，二者之间存在严重阻挡，忽略智能反射面的反射信号：则远距离用户U
l
接收的信号为：其中，为对角矩阵，θ
n
∈[0,2π)为智能反射面的第n个单元产生的相移，其中s
j
和分别表示用户U
j
的信号和发射波束赋形向量，其中s
j
的均值和方差分别为0和1，的均值和方差分别为0和1，是在用户U
k
处的加性高斯白噪声；近距离用户U
c
接收的信号为：3)将NOMA应用到该系统网络中，为了解码所有用户信号，每一个接收者通过串行干扰技术消除多址干扰；不失一般性，假设用户与无人机的距离满足如下关系式：d
K
＜
…
＜d
q+1
＜d
q
＜
…
＜d1,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，d
k
表示U
k
与无人机的距离，假设无人机与用户的空地信道质量主要依赖于二者之间的距离，则信道质量的顺序表示为：‖h
d,1
‖2＜
…
＜‖h
d,q+1
‖2＜‖h
d,q
‖2＜
…
＜‖h
d,K
‖2.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)对于远距离用户U
l
，信号与干扰加噪声比SINR为：
其中，表示U
j
在U
k
处的SINR；表示U
k
解码自己信号时的SINR；表示在用户U
k
处的噪声功率；对于用户U
q+1
到U
K
‑1，没有反射信号，SINR表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵琛，赵楠，逄小玮，邹德岳，陈炳才，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：