RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，通信系统考虑了莱斯信道模型及无人机飞行高度对莱斯因子的影响，设计了无人机的最优飞行高度和RIS的最佳相移矩阵。方法包括：根据无人机、RIS和地面用户的位置信息计算各自之间的距离及仰角；基于距离信息，计算RIS相移矩阵；根据相移矩阵和距离仰角得到接收速率的上界表达式，并设计最优的无人机飞行高度；将最优无人机飞行高度代入到相移表达式重新计算，得到最优的相移矩阵。本发明专利技术无需获取完美的信道状态信息，仅在获得距离及仰角信息下就可计算出最优的飞行高度及相移，可有效降低飞行计算复杂度并提高通信用户的可达速率，实用性强。实用性强。实用性强。

【技术实现步骤摘要】
RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法


[0001]本专利技术属于无人机作为空中移动基站的无线通信
，具体涉及一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着无人机制造技术的进步和成本的大幅降低，进一步促进了无人机与无线通信系统融合的广泛研究热潮。相比传统的卫星通信，无人机部署和维护的费用更低，而且自由度更高，可以通过灵活移动来与地面用户之间建立视距(Line of Sight，LoS)连接，不管是针对偏远地区还是人口密集的城市区域，无人机作为空中基站都可以成为传统地面移动通信系统的重要补充。但是，无人机在应对复杂的随机时变信道时还具有一定的局限性，而可重构智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)作为一项新兴的技术，具有定义新的无线传输模式和控制无线信道的能力，因此，将具体灵活机动性的无人机和具有改变无线信道能力的RIS结合起来，利用二者互补的优势，有望进一步解决无线信道日益复杂以及更高频率带来的信道衰落问题。
[0003]在RIS辅助的无人机通信系统中，无人机的飞行位置会同时影响无人机到用户以及无人机到RIS之间的信道，信道中视距链路成分的变化也需要根据无人机的飞行高度来进行综合考虑，同时RIS的相移矩阵也需要设计，这就会使得实际情况下飞行高度和相移矩阵的设计变得更为困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种RIS辅助的无人机通信系统中飞行高度和相移的设计方法，在考虑较为一般的通信场景下，充分利用RIS和无人机的优点，设计无人机的最优飞行高度和RIS的最佳相移矩阵，该方法可以有效降低飞行高度和相移的计算复杂度，提高通信用户的可达速率。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。
[0006]一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，首先构建RIS辅助的无人机通信系统，包括无人机、RIS以及地面用户，其中无人机作为空中基站向地面用户传输数据，RIS部署在高楼表面且配备N个反射单元，无人机与地面用户之间存在直接链路，RIS反射无人机的发射信号给地面用户以增强地面用户处的接收信号强度；各通信节点坐标分别设为：无人机坐标(x
q
,y
q
,H
q
)，RIS坐标(x
r
,y
r
,z
r
)，地面用户坐标(x
g
,y
g
,0)；各通信节点之间的信道均建模为莱斯信道，无人机到RIS之间的信道RIS到地面用户之间的信道以及无人机到地面用户之间h3的信道分别表示为：
[0007][0008][0009][0010]其中，ρ0表示参考距离1米处的路径损耗，d1、d2、d3分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的距离，α表示路径损耗的指数因子，κ1、κ2、κ3表示莱斯因子；分别表示对应信道的LoS分量，而NLoS分量分别表示对应信道的LoS分量，而NLoS分量为独立同分布且服从零均值单位方差的循环对称复高斯分布；假设RIS上N个反射单元采用均匀线性阵列排布，则就可以表示为：
[0011][0012][0013][0014]其中，λ表示载波波长，d表示RIS上各反射单元之间的间距，l1、l2分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间的水平距离，N表示RIS上反射单元的数量；
[0015]莱斯因子表示为与LoS链路概率相关的模型，LoS链路发生的概率P
LoS
可以表示为：
[0016][0017]其中，a、b是与环境因素有关的常数；θ
i
为角度制，表示通信链路中发送端与接收端之间的仰角；莱斯因子κ
i
与LoS链路概率P
LoS
之间的关系表示为i∈{1,2,3}，因此可以将莱斯因子表示为κ
i
＝cexp(bθ
i
),i∈{1,2,3}，其中为常数；
[0018]所述方法，包括以下步骤：
[0019]步骤1.根据无人机、RIS和地面用户的位置信息计算各自之间的距离及仰角；
[0020]步骤2.根据步骤1中的距离信息，计算RIS的相移矩阵Θ；
[0021]步骤3.基于步骤2中的相移矩阵和步骤1中的距离及仰角信息，分析地面用户的接收速率的上界R
max
，并根据接收速率上界设计出最优的无人机飞行高度
[0022]步骤4.将步骤3求得最优的无人机飞行高度代入步骤1、2中重新计算，得到最优的相移矩阵Θ
opt
。
[0023]进一步地，所述步骤1中，由于无人机、RIS和地面用户的三维坐标分别设为(x
q
,y
q
,H
q
)、(x
r
,y
r
,z
r
)、(x
g
,y
g
,0)，则：
[0024]无人机到RIS之间的距离及仰角分别为
[0025]RIS到地面用户之间的距离及仰角分别为
[0026]无人机到地面用户之间的距离及仰角分别为其中，l1、l2、l3分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的水平距离，即的水平距离，即
[0027]进一步地，RIS相移矩阵Θ的计算表达式为：其中，n∈{1,2,...,N},λ表示载波波长，d表示RIS上各反射单元之间的间距，N表示RIS上反射单元的数量，d1、d2、d3、l1、l2为步骤1中计算得到的距离及水平距离。
[0028]进一步地，所述的基于步骤2中的相移矩阵和步骤1中的距离及仰角信息，分析地面用户的接收速率的上界R
max
，其计算表达式如下：
[0029][0030]其中，P为信号的发送功率，为高斯白噪声的方差。
[0031]进一步地，所述的根据接收速率上界设计出最优的无人机飞行高度步骤包括：
[0032]步骤3.1设置t为辅助变量，建立方程t＝g(t)：
[0033][0034]其中，ρ0表示参考距离1米处的路径损耗，α表示路径损耗的指数因子，N为RIS上反
射单元的数量，a、b是与环境因素有关的常数且κ
i
＝cexp(bθ
i
),i∈{1,2,3}表示与仰角θ
i
有关的莱斯因子，z
r
表示RIS部署的高度，d1、d2、d3、l1、l2、l3为步骤1中计算得到的距离及水平距离；
[0035]根据设置的辅助变量t，将g(t)中部分变量改写为关于t的函数：因此g(t)为仅关于t的函数，其余均为确定性参数；
[0036]步骤3.2设置初始值t＝t0，k＝1，代入t＝g(t)中迭代计算t本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，其特征在于，首先构建RIS辅助的无人机通信系统，包括无人机、RIS以及地面用户，其中无人机作为空中基站向地面用户传输数据，RIS部署在高楼表面且配备N个反射单元，无人机与地面用户之间存在直接链路，RIS反射无人机的发送信号给地面用户以增强地面用户处的接收信号强度；各通信节点坐标分别设为：无人机坐标(x
q
,y
q
,H
q
)，RIS坐标(x
r
,y
r
,z
r
)，地面用户坐标(x
g
,y
g
,0)；各通信节点之间的信道均建模为莱斯信道，无人机到RIS之间的信道RIS到地面用户之间的信道以及无人机到地面用户之间h3的信道分别表示为：的信道分别表示为：的信道分别表示为：其中，ρ0表示参考距离1米处的路径损耗，d1、d2、d3分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的距离，α表示路径损耗的指数因子，κ1、κ2、κ3表示莱斯因子；分别表示对应信道的LoS分量，而NLoS分量分别表示对应信道的LoS分量，而NLoS分量为独立同分布且服从零均值单位方差的循环对称复高斯分布；假设RIS上N个反射单元采用均匀线性阵列排布，则就可以表示为：就可以表示为：就可以表示为：其中，λ表示载波波长，d表示RIS上各反射单元之间的间距，l1、l2分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间的水平距离，N表示RIS上反射单元的数量；莱斯因子表示为与LoS链路概率相关的模型，LoS链路发生的概率P
LoS
可以表示为：其中，a、b是与环境因素有关的常数；θ
i
为角度制，表示对应通信链路中发送端与接收端之间的仰角；莱斯因子κ
i
与LoS链路概率P
LoS
之间的关系表示为因此可以将莱斯因子表示为κ
i
＝cexp(bθ
i
),i∈{1,2,3}，其中为常数；所述方法，包括以下步骤：
步骤1.根据无人机、RIS和地面用户的位置信息计算各自之间的距离及仰角；步骤2.根据步骤1中的距离信息，计算RIS的相移矩阵Θ；步骤3.基于步骤2中的相移矩阵和步骤1中的距离及仰角信息，分析地面用户的接收速率的上界R
max
，并根据接收速率上界设计出最优的无人机飞行高度步骤4.将步骤3求得最优的无人机飞行高度代入步骤1、2中重新计算，得到最优的相移矩阵Θ
opt
。2.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，其特征在于，所述步骤1中，由于无人机、RIS和地面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，李东兴，蔡曙，张琦，王海荣，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：