通过多智能全向超表面实现增强无人机通信速率的方法技术

本发明专利技术请求保护一种通过多智能全向超表面实现增强无人机通信速率的方法，其包括以下步骤：构建无人机通信系统，无人机通过时分多址服务于多个地面用户，并部署多个智能全向超表面，通过无源波束赋形；构建目标函数，通过联合优化用户调度、无人机轨迹和智能全向超表面相位设计，使用户最小的平均通信速率最大化；得到的速率表达式包含随机变量信道增益，利用Jensen不等式将速率期望的求解转化为可处理的信道增益期望的求解；得出信道增益服从非中心卡方分布，然后求解它的期望；得到的问题是一个用户调度、智能全向超表面相移和无人机轨迹紧密耦合的混合整数非凸问题；采用块坐标下降法和逐次凸逼近法来求解该混合整数非凸问题并获得一个次优解。题并获得一个次优解。题并获得一个次优解。

【技术实现步骤摘要】
通过多智能全向超表面实现增强无人机通信速率的方法


[0001]本专利技术属于无人机通信
，尤其涉及通过多智能全向超表面实现增强无人机通信速率的方法技术。

技术介绍

[0002]可编程超表面已经展示了通过智能控制器实时控制其元件的振幅或相位的能力，这使得它们对无线通信特别有吸引力[1
‑
3]。根据其物理特性，可编程超表面有两种主要的信号传播方式：一种是纯反射，如RIS(Reconfigurable Intelligent Surface,可重构智能表面)[4],[5]；另一种是同时反射和传输，如IOS[6],[7]。与RIS只能增加反射面用户的接收功率不同，IOS可以增强任何一侧用户的接收功率，从而显著扩展服务覆盖范围。具体而言，在[6]中考虑一个IOS辅助的单用户下行通信系统，通过对IOS的相移进行优化，使频谱效率最大化。此外，[7]的作者考虑了一个更实用的IOS辅助多用户通信系统，通过联合优化IOS的模拟波束赋形和基站的数字波束赋形，以最大化所有用户的和率为目标。
[0003]作为另一种有效扩大通信覆盖范围和提高通信服务质量的方式，UAV(unmanned aerial vehicle,无人机)也因其灵活的机动性和空—地视线链路等优势在无线通信系统中得到了广泛的应用。然而，在复杂的城市环境中，无人机与地面的连接很容易被阻断[8]。在这种情况下，IOS能够通过智能控制器调整信号的反射和传输，为其两侧的用户创建虚拟LoS链接。为了实现全方位速率增强，[9]中考虑了IOS辅助的无人机通信系统，结果表明，与传统的RIS辅助无人机通信系统相比，结合IOS和无人机的优势，通过适当设计无人机的轨迹和IOS的相移，可以获得显著的增益。然而，目前关于IOS辅助无人机通信的研究只考虑了一个IOS，这可能无法充分发挥IOS的潜力，因为在城市地区，多个IOS可以协同运作，为更多用户提供更好的服务。此外，多个IOS的通信环境更加复杂，导致与单个IOS的信道模型不同，所以在[9]中提出的算法不能直接应用于多个IOS的情况。
[0004]基于上述动机，本文考虑了一种UAV通信系统，利用UAV通过TDMA(time division multiple access，时分多址)为多个地面用户提供服务，并部署多个IOS来扩大服务的覆盖范围。我们的目标是通过联合优化用户调度、无人机轨迹和IOS的相移，使最小平均通信速率最大化。然而，由于速率函数包含随机的信道功率增益，优化问题难以解决。推导出信道功率增益服从非中心卡方分布，然后根据Jensen不等式得到期望平均速率的易于处理的上界。然而，由此产生的问题仍然是非凸的，求解具有挑战性。因此，我们应用BCD(Block Coordinate Descent,块坐标下降法)和SCA(Successive Convex Approximation,逐次凸逼近法)来获得高质量的次优解。仿真结果表明，与基准方案相比，在无人机通信中部署多个IOS可以有效地实现多个用户的全覆盖，从而显著提高通信速率。
[0005]经过检索，申请公开号CN113890586A，一种智能超表面与中继的协作系统辅助无人机通信方法，其包括建立两阶段的传输协议和信道模型；获得智能超表面与中继协作系统辅助无人机数据采集速率与中继接收与发送的两阶段的时间分配系数、智能超表面的两阶段的相位和无人机的位置之间的关系；优化中继接收与发送的两阶段的时间分配系数、
reflecting surfaces:Reflective
‑
transmissive metasurface aided communications for full
‑
dimensional coverage extension,”IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.69,no.11,pp.13 905
–
13 909,2020.
[0017][10].S.Zhang,H.Zhang,B.Di,Y.Tan,M.Di Renzo,Z.Han,H.Vincent Poor,and L.Song,“Intelligent omni
‑
surfaces:Ubiquitous wireless transmission by reflective
‑
refractive metasurfaces,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.21,no.1,pp.219
–
233,2022.
[0018][11].Y.Zeng,Q.Wu,and R.Zhang,“Accessing from the sky:A tutorial on UAV communications for 5g and beyond,”Proc.IEEE,vol.107,no.12,pp.2327
–
2375,2019.
[0019][12].Y.Liu,B.Duo,Q.Wu,X.Yuan,and Y.Li,“Full
‑
dimensional rate enhancement for UAV
‑
enabled communications via intelligent omni
‑
surface,”2021.
[0020][13].S.Li,B.Duo,X.Yuan,Y.
‑
C.Liang,and M.Di Renzo,“Reconfigurable intelligent surface assisted UAV communication:Joint trajectory design and passive beamforming,”IEEE Wireless Commun.Lett.,vol.9,no.5,pp.716
–
720,2020.
[0021][14].L.Ge,P.Dong,H.Zhang,J.
‑
B.Wang,and X.You,“Joint beamforming and trajectory optimization for intelligent reflecting surfaces
‑
assisted UAV communications,”IEEE Access,vol.8,pp.78 702
–
78 712,2020.
[0022][15].W.Tang,M.Z.Chen,X.Chen,J.Y.Dai,Y.Han,M.Di Renzo,Y.Zeng,S.Jin,Q.Cheng,and T.J.Cui,“Wireless communications with reconfigurable intelligent surface:Path loss modeling and experimental measure本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过多智能全向超表面实现增强无人机通信速率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建UAV无人机通信系统，UAV通过TDMA时分多址服务于多个地面用户，并部署多个IOS，通过无源波束赋形；步骤2、构建目标函数，通过联合优化用户调度、UAV轨迹和IOS相位设计，使用户最小的平均通信速率最大化；步骤3、得到的速率表达式包含随机变量信道增益，利用Jensen不等式将速率期望的求解转化为可处理的信道功率增益期望的求解；得出信道功率增益服从非中心卡方分布，然后求解它的期望；得到的问题是一个用户调度、IOS相移和UAV轨迹紧密耦合的混合整数非凸问题；步骤4、采用BCD块坐标下降法和SCA逐次凸逼近法来对该混合整数非凸问题求解获得一个次优解。2.根据权利要求1所述的一种通过多智能全向超表面实现增强无人机通信速率的方法，其特征在于，所述步骤1构建UAV通信系统具体包括：将UAV部署为空中基站，为地面用户提供下行通信服务，通过对到达信号的智能反射和传输，使用多个IOS来提高各个方向地面用户的可达通信速率；利用三维笛卡尔坐标系来描述UAV、IOS和地面用户的位置，假设UAV的飞行高度固定为H，它在一段周期T内与地面用户通信，假设第l个地面用户的水平坐标为w
l
＝[x
l
，y
l
]
T
，x
l
是用户的横坐标，y
l
是用户的纵坐标，是用户的集合，L是用户个数；将T分为N个间隙，即T＝Nδ
t
，其中δ
t
是时间间隙的长度，因此UAV的水平轨迹可以近似表示为q[n]＝[x[n]，y[n]]
T
，x[n]是UAV横坐标，y[n]是UAV纵坐标；且满足以下限制||q[n+1]
‑
q[n]||2≤D2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1a)||q[n]
‑
q
F
||2≤D2，q[1]＝q0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1b)其中q0和q
F
分别代表UAV的起点和终点的坐标，v
max
是UAV的最大速度，D＝v
max
δ
t
是它在一个时间间隙内可以移动的最大距离；假设有K个IOS，第k个IOS的高度和水平坐标分别是和w
k
＝[x
k
，y
k
]
T
，每个IOS有M个元素，假设UAV和用户离IOS足够远，能够满足IOS的远场条件，当这个条件满足时，IOS的所有元素的反射或透射相位认为是相同的；此外，我们假设从UAV到IOSs的链路为LoS信道，从IOSs到地面用户是莱斯衰落信道。3.根据权利要求2所述的一种通过多智能全向超表面实现增强无人机通信速率的方法，其特征在于，UAV通过第k个IOS在第n个时隙给第l个用户的信道增益为
其中β是透射和反射信号功率的比率，d
x
和d
y
分别是IOS沿x轴和y轴的尺寸，κ1是莱斯因子，用和分别代表UAV到第k个IOS中心的距离；地面用户到第k个IOS中心的距离，和分别代表第k个IOS中心到UAV和地面用户的仰角，和分别代表UAV到IOS和IOS到用户的归一化功率辐射模式，ψ
k
[n]是第k个IOS的相移，λ是信号的波长；G
t
，G
r
，G分别表示传输者、接收者、IOS元素的归一化信号增益，由零均值、单位方差的CSCG圆对称复高斯随机变量建模的随机散射分量。4.根据权利要求3所述的通过多智能全向超表面实现增强无人机通信速率的方法，其特征在于，假设从UAV到地面用户是莱斯信道，在第n个时隙的UAV到第l个用户链路信道增益为其中ρ是每米的路径损耗，α是路径损耗因子，κ2是莱斯因子；是莱斯因子；是第n个时隙UAV到地面用户的距离，表示由零均值、单位方差的圆对称复高斯CSCG随机变量建模的随机散射分量；综上所述，第l个用户在第n个时隙中的信道增益可以写成
其中其中其中其中h
U，k，l
[n]是第n个时隙，无人机发射信号经过第k个IOS到第l个用户链路的信道增益；然后，给出第n个时隙内地面用户的速率其中P是UAV的最大传输功率，σ2是噪声方差；假设在T期间，用户通过TDMA与UAV通信，当α
l
[n]＝1时，表示UAV在第n个时点服务的第l个用户；否则，α
l
[n]＝0；在每个时隙中，最多只能有一个用户与UAV通信个时隙中，最多只能有一个用户与UAV通信5.根据权利要求4所述的通过多智能全向超表面实现增强无人机通信速率的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：通过联合优化用户调度IOSs相移UAV轨迹来最大化地面用户的最小通信速率，得出的问题如下小通信速率，得出的问题如下0≤ψ
k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：多滨，雷雨，罗俊松，
申请(专利权)人：成都天纵元航智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：