去蜂窝大规模MIMO中无人机通信的频谱效率优化方法技术

本发明专利技术属于无线通信技术领域，具体地说，是一种去蜂窝大规模MIMO中无人机通信的频谱效率优化方法，包括步骤：获取系统内地面用户与无人机到接入点AP之间的大尺度衰落和信道估计信息；设置通信质量阈值，并根据大尺度衰落信息选择部分AP为用户服务；将信道估计信息转换为导频污染强度值，通过改进的灰狼优化算法分配导频；根据导频分配和信道估计信息计算信干噪比，以最大化最小用户速率为目标建立功率优化模型；将功率优化问题转化为线性规划问题，利用二分法求解得到可行解；根据可行解对去蜂窝大规模MIMO系统进行功率优化。本发明专利技术方法采用改进的灰狼优化算法和凸优化相关理论联合求解导频分配和功率优化问题，可以增强系统鲁棒性并优化频谱效率。统鲁棒性并优化频谱效率。统鲁棒性并优化频谱效率。

【技术实现步骤摘要】
去蜂窝大规模MIMO中无人机通信的频谱效率优化方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体地说，是一种去蜂窝大规模MIMO中无人机通信的频谱效率优化方法。

技术介绍

[0002]cell
‑
free(去蜂窝)大规模多输入多输出(multiple
‑
input multiple
‑
output MIMO)系统是一个分布式的大规模MIMO系统，可以有效避免蜂窝小区系统的区间干扰以及频繁越区切换服务的问题，同时凭借更高的系统吞吐量，更强大的对抗阴影衰落、非相干干扰以及噪声的能力，成为了6G的关键技术之一。将无人机集成到无线网络中与地面用户共存，可以通过可靠远程通信实现远程监视、武装攻击、数据采集以及更强大的无人机导航和交通管制等功能。通过部署大量的AP并依靠时分双工(TDD)操作，借助在相同的时频资源运行的前传网络和中央处理器(CPU)来为相较于AP数量少得多的地面用户和无人机服务。然而由于无线网络通信中所接入的地面用户和无人机越来越多，对区域吞吐量的要求越来越高，目前采用的主要解决方法是通过设计合理的导频分配和功率分配算法来优化系统频谱效率。
[0003]由于相干时间长度限制导频长度，即不可避免地在不同的用户之间会复用相同的导频序列，在AP处接收到来自期望和非期望信道的导频信号会干扰信道估计，最终产生导频污染问题，因此如何合理分配上行通信链路的导频是关键问题之一。此外，由于每个AP的总能量是有限的，即每个AP服务的用户从该AP处获取的功率是有上限的，因此如何优化上行通信过程的功率分配也是亟需解决的关键问题。综上所述，上行通信过程中的导频分配和功率分配问题将成为地面用户与无人机共存的去蜂窝大规模MIMO系统中影响频谱效率的主要因素。
[0004]目前，现有技术中用于提升地面用户与无人机共存的去蜂窝大规模MIMO系统性能的解决方案是将两类用户拆分为不相交的用户子集进行导频分配和功率分配：即根据大尺度衰落(LargeScaleFading)、信道估计和信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)通过启发式或优化的方法，分别求解。但分别求解用户子集得到的最优解并不一定是所有用户的最优解，所以基于上述的方法仍然有所欠缺，因此，需要一种能够对所有用户进行联合求解导频分配和功率分配，实现频谱效率优化的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种去蜂窝大规模MIMO中无人机通信的频谱效率优化方法，通过联合求解导频分配和功率优化问题，可以有效优化用户的频谱效率。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0007]一种去蜂窝大规模MIMO中无人机通信的频谱效率优化方法，包括以下步骤：
[0008]1)获取去蜂窝大规模MIMO系统内地面用户与无人机用户到接入点AP之间的大尺度衰落信息和信道估计信息；
[0009]2)根据1)中大尺度衰落信息计算具有相同导频信号的用户之间的潜在导频污染，并通过设置通信质量阈值选择部分AP为用户服务；
[0010]3)利用改进的灰狼优化算法，将2)的被选择AP与对应用户间的信道估计信息转换为导频污染强度值，在地面用户与无人机共存的去蜂窝大规模MIMO系统中进行导频分配；
[0011]4)以最大化最小用户速率为目标建立优化模型，引入约束条件，结合3)中得到的导频分配和1)中得到的信道估计信息计算得到信干噪比；
[0012]5)引入优化变量，结合4)中信干噪比，将最大化最小用户速率问题转化为线性规划问题，利用二分法求解所述凸优化问题的可行解；
[0013]6)根据可行解对去蜂窝大规模MIMO系统进行功率优化，实现频谱效率优化。
[0014]优选地，所述的步骤1)，获取去蜂窝大规模MIMO系统内地面用户与无人机用户到接入点AP之间的大尺度衰落信息和信道估计信息，包括：
[0015]M个AP、G个地面用户和U个无人机用户随机分布在1km
×
1km的方形区域内，各个AP和用户k之间的大尺度衰落系数表示为β
k,m
，其中m是AP的序号m∈{1,...,M},k是用户的序号，k∈{1,...,K},将K定义为系统中的用户总数K＝G∪U且AP的数目远多于用户的数目；
[0016]大尺度衰落系数β
k,m
的计算公式为：
[0017][0018]其中，PL
k,m
代表仅与第k个用户到第m个AP之间距离有关的路径损耗系数，代表标准差为σ
sh
的阴影衰落，z
k,m
为阴影衰落相关系数；
[0019]各个地面用户到AP的路径损耗系数不同，计算公式采用三斜率模型表示为：
[0020][0021]其中d0和d1是两个常数，d
k,m
是地面用户与AP之间的三维空间距离，当d
k,m
≤d1时不存在阴影衰落，L是跟载波频率f
c
、用户的高度h
K
以及AP的部署高度h
AP
有关的一个变量，定义为：
[0022][0023]无人机用户到AP的非视距链路路径损耗表示为：
[0024][0025]PL_LOS
k,m
代表无人机用户到AP的视距链路路径损耗，计算公式为：
[0026]PL_LOS
k,m
＝max{PL'
k,m
,30.9+(22.25
‑
0.5log
10
(h
UAV
))log
10
(d
k,m
)+20log
10
(f
c
)}
[0027]PL'
k,m
代表自由空间路径损耗；
[0028]根据大尺度衰落的定义得到以特定概率随机建模视距链路和非视距链路信道g
m,k
的估计信道计算公式为：
[0029][0030]其中，代表导频发射功率，第m个AP处接收到的导频信号估计值，代表相关矩阵的G
k,m
和B
k,m
的计算公式为：
[0031][0032][0033]其中R
k,m
代表概率视距信道模型中的瑞利因子，代表均匀天线阵列在AP处的转向向量，φ代表导频序列，代表归一化的噪声，为单位矩阵。
[0034]优选地，所述的步骤2)，根据大尺度衰落信息计算具有相同导频信号的用户之间的潜在导频污染，并通过设置通信质量阈值选择部分AP为用户服务，包括：
[0035]在用户之间使用相同导频信号产生的导频污染可以借助以用户为中心的思想和每一个用户的大尺度衰落矩阵来进行AP的选择，保证在选择一定数量的AP和全AP的情况下，频谱效率所差不大，将AP的选择公式定义为：
[0036][本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种去蜂窝大规模MIMO中无人机通信的频谱效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取去蜂窝大规模MIMO系统内用户到接入点AP之间的大尺度衰落信息和信道估计信息；2)根据1)中大尺度衰落信息计算具有相同导频信号的用户之间的潜在导频污染，并通过设置通信质量阈值选择部分AP为用户服务；3)利用改进的灰狼优化算法，将2)的被选择AP与对应用户间的信道估计信息转换为导频污染强度值，在地面用户与无人机共存的去蜂窝大规模MIMO系统中进行导频分配；4)以最大化最小用户速率为目标建立优化模型，引入约束条件，结合3)中得到的导频分配和1)中得到的信道估计信息计算得到信干噪比；5)引入优化变量，结合4)中信干噪比，将最大化最小用户速率问题转化为线性规划问题，利用二分法求解所述凸优化问题的可行解；6)根据可行解对去蜂窝大规模MIMO系统进行功率优化，实现频谱效率优化。2.根据权利要求1所述的去蜂窝大规模MIMO中无人机通信的频谱效率优化方法，其特征在于，所述的获取去蜂窝大规模MIMO系统内用户到接入点AP之间的大尺度衰落信息和信道估计信息，包括：M个AP、G个地面用户和U个无人机用户随机分布在1km
×
1km的方形区域内，各个AP和用户k之间的大尺度衰落系数表示为β
k,m
，其中m是AP的序号m∈{1,...,M},k是用户的序号，k∈{1,...,K},将K定义为系统中的用户总数K＝G∪U且AP的数目远多于用户数目；大尺度衰落系数β
k,m
的计算公式为：其中，PL
km
代表仅与第k个用户到第m个AP之间距离有关的路径损耗系数，代表标准差为σ
sh
的阴影衰落，z
k,m
为阴影衰落相关系数；各个地面用户到AP的路径损耗系数不同，计算公式采用三斜率模型表示为：其中d0和d1是两个常数，d
k,m
是地面用户与AP之间的三维空间距离，当d
k,m
≤d1时不存在阴影衰落，L是跟载波频率f
c
、用户的高度h
K
以及AP的部署高度h
AP
有关的一个变量，定义为：无人机用户到AP的非视距链路路径损耗表示为：PL_LOS
k,m
代表无人机用户到AP的视距链路路径损耗，计算公式为：PL_LOS
k,m
＝max{PL'
k,m
,30.9+(22.25
‑
0.5log
10
(h
UAV
))log
10
(d
k,m
)+20log
10
(f
c
)} (5)PL'
k,m
代表自由空间路径损耗；
根据大尺度衰落的定义得到以特定概率随机建模视距链路和非视距链路信道g
m,k
的估计信道计算公式为：其中，代表导频发射功率，第m个AP处接收到的导频信号估计值，代表相关矩阵的G
k,m
和B
k,m
的计算公式为：的计算公式为：其中R
k,m
代表概率视距信道模型中的瑞利因子，代表均匀天线阵列在AP处的转向向量，φ代表导频序列，代表归一化的噪声，为单位矩阵。3.根据权利要求1所述的去蜂窝大规模MIMO中无人机通信的频谱效率优化方法，其特征在于，所述的根据大尺度衰落信息计算具有相同导频信号的用户之间的潜在导频污染，并通过设置通信质量阈值选择部分AP为用户服务，包括：在用户之间使用相同导频信号产生的导频污染可以借助以用户为中心的思想和每一个用户的大尺度衰落矩阵来进行AP的选择，保证在选择一定数量的AP和全AP的情况下，频谱效率所差不大，将AP的选择公式定义为：其中{k
(1)
,k
(2)
...,k
(S)
}代表了对于用户k所选择的S个AP(S≤M)，δ代表对每一个UE选中的S个AP占其总AP的总接收功率的稳定百分比，设为一个常数，计算得出用户与AP...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春海，李诗佳，杨业进，苏昭宇，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：