CN109586773A - 临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法，属于临空通信技术领域。构建地面基站和临空基站之间的通信场景，地面基站对归一化信号进行叠加发射；每个临空基站都接收到混合信号，利用混合信号中的波束赋形向量w，计算各临空基站的有效信道的增益并排序；有效信道增益越低，解码优先级越高；各空基直接解码，得到各自的可达率；当可达率之和达到最大化时，将目标函数简化得到最优功率分配，将目标函数转化得到最优的接收端波束赋形向量，并代入目标函数得到发射端波束赋形问题并进行求解，得到发射端波束赋形向量。本发明提高了接入临空基站和用户的接入数量，实现了最大化多空基/多用户可达率之和的目的。

Description

临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及 功率分配方法

技术领域

本发明属于临空通信技术领域，具体是一种临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法。

背景技术

随着信息技术日新月异的发展，空域的信息化竞争越来越激烈，其中临近空间与低空空间都是重要的竞争领域，利用临近空间飞行器和低空无人机在临空的灵活机动性，可以完成监视、侦查、气象监测、灾害预警和通信中继等各项任务，而其中地面对飞行器的控制以及空地间的数据传输都需要建立起空地通信链路，实现稳定的临空通信是完成这些工作的基本前提和重要保障。

临空通信面临的一个重要问题就是如何提高传输速率，由于空地链路距离较远，在频谱资源有限的微波频段进行数据传输已经无法满足需求，并且地面通信大多使用微波频段，会对临空通信造成干扰，临空通信需要开发新的未利用的频段来满足自身高数据传输量的需求。毫米波频段，频率范围为30GHz-300GHz，有着丰富的频谱资源，可以作为临空通信的工作频段。由于处于高频段的毫米波具有较强的距离衰减特性，通常采用大规模相控阵列天线进行定向通信，利用高阵列增益弥补传播衰减的损失，由于毫米波信号的波长在毫米级，在发射端与接收端很小的空间内就可以搭载大量的天线，获得可观的阵列增益。

随着技术的发展，需要部署更多的飞行器来满足更多地区的作业需求，同时也需要更高的频谱效率，这就对临空通信技术提出了新的挑战。以一个地面基站对多个临空基站的传输为例，传统的正交多址接入技术，是在同一时/频/码域资源下地面基站只能连接一个空中基站，由于射频资源有限，使得接入空基数量受到了限制，其传输速率也无法进一步提高。而非正交多址接入技术打破了这一限制，地面基站将多个空基的信号在同一正交资源块下叠加发射，并分配不同的发射功率，接收端采用串行干扰消除技术依次解码信号，这样可以使得接入空基数量成倍地增长，并且进一步提高频谱效率。

将毫米波非正交多址接入技术应用到临空通信当中，一方面非正交多址接入涉及到了叠加信号的功率分配，另一方面，为了提高传输速率，发射端和接收端都搭载相控阵列天线，需要进行收/发端的波束赋形。为了提高整体传输速率，需要联合设计收发端波束赋形及功率分配，三个变量的耦合以及高变量维度使得该问题非常困难。

发明内容

针对上述问题，本发明提出在临空通信采用毫米波非正交多址接入技术，通过联合设计收发端波束赋形及功率分配，最大化多个空基的可达率之和；具体是一种临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法。

具体步骤如下：

步骤一、针对下行临空非正交多址接入通信系统，构建地面基站和临空基站之间的通信场景。

通信场景包括：1.地面基站对多个临空基站的下行传输；2.临空基站对多个地面用户的下行传输；3.地面基站服务多个低空无人机的下行传输。

针对第一种地面基站对多个临空基站的下行传输的场景，具体构建如下：

地面基站在同一时域/频域/码域资源块内连接K个远程临空基站，分别命名为空基1、空基2、……、空基K；集合为：{1,2,...,k,...,K}。在地面基站和临空基站均搭载半波间距的均匀线性阵列天线，采用相控毫米波阵列进行定向通信，地面基站搭载天线个数为N，每个天线分别由一个功率放大器和相位转换器控制，每个空基搭载天线个数均为M，每个天线分别由一个低噪放大器和相位转换器控制，地基和空基的天线权系数向量，即波束赋形向量分别由如下模长约束：

针对地面基站的第n个天线发射端的波束赋形向量为：

w表示地面基站发射端波束赋形向量；

针对空基k的第m个天线接收端的波束赋形向量为：

u_k表示空基k接收端波束赋形向量；

步骤二、针对第一种场景模型，地面基站将对K个临空基站发送的功率归一化信号进行叠加发射；

叠加信号表达式为：

s_k表示地面基站给临空基站k发送的发射信号，p_k为地面基站对临空基站k的发射信号功率；

步骤三、叠加信号s经过地面基站和临空基站之间的信道响应以及天线噪声，形成混合信号，并被每个临空基站都接收到；

临空基站k接收的混合信号为：

其中，n_k表示空基k天线上的高斯白噪声，其平均功率记为σ²；H_k是地面基站和空基k的信道响应矩阵：

其中λ_k,l表示空基k的第l条径的复系数，θ_k,l表示空基k的第l条径在地面基站发射角的余弦值，ψ_k,l表示空基k的第l条径在空基k接收角的余弦值，L_k表示空基k的多径分量总个数，a_t(·)表示发射端的指向向量的函数；a_r(·)表示接收端的指向向量的函数，其表达式为：

步骤四、利用混合信号中的波束赋形向量w，计算各临空基站的有效信道的增益并对有效信道增益做出相应排序，得到各空基信号的解码优先级顺序。

有效信道增益越低，解码优先级越高；

针对有效信道增益空基K的信号解码时的优先级最高，空基1的信号解码优先级最低；

步骤五、针对有效信道增益排序为空基K直接解码s_K，空基K-1先解码s_K并根据串行干扰删除法删除，然后解码s_K-1，以此类推，空基1先依次解码s_K,s_K-1,…,s₂并删除，最后解码s₁；得到各个空基的可达率；

空基k的可达率公式如下：

步骤六、当所有临空基站的可达率之和达到最大化时，设计联合收发端的功率分配及波束赋形需满足的约束条件。

可达率之和达到最大化也就是目标函数，如下：

需满足的约束条件如下：

Subject to R_k≥r_k,k＝1,2,…,K

p_k≥0,k＝1,2,…,K

其中r_k表示空基k的最小可达率约束；P表示地面基站的最大发射功率；

步骤七、当固定收发端的波束赋形向量时，将目标函数简化，得到最优功率分配；

简化如下：

Subject to R_k≥r_k,k＝1,2,…,K

p_k≥0,k＝1,2,…,K

通过推导求得最优功率分配为：

其中此时必然有R_k＝r_k,(k＝2,3,…,K)；

步骤八、当固定发送端的波束赋形向量时，将目标函数转化，得到最优的接收端波束赋形向量；

转化公式为：

Subject to R_k≥r_k,k＝1,2,…,K

p_k≥0,k＝1,2,…,K

经过推导求得此时最优的接收端波束赋形向量为：

步骤九、将最优功率分配和最优的接收端波束赋形向量代入目标函数，得到发射端波束赋形问题；

即

其中R(w)表示最优功率分配和最优收端波束赋形下的空基可达率之和；

步骤十、对发射端波束赋形问题利用基于边界压缩的粒子群算法进行求解，得到发射端波束赋形向量；

在搜索空间内通过每一步迭代下的边界压缩，使得最终所有粒子都集中在该空间的外边界上，即满足上述问题的恒模约束，具体实施方式如下：

步骤1001、在搜索空间内随机初始化I个粒子的位置x_i＝w_i及初始速度v_i；

其中w_i表示第i个粒子的波束赋形向量，每个w_i都是N维向量；v_i表示第i个粒子的波束赋形向量的运动速度；i＝1,2,…,I；

步骤1002、找到当前各个粒子的局部最优位置p_best,i和全局最优位置g_best；

步骤1003、对于每一次迭代循环，t从1到T，计算惯性因子及搜索空间的内边界；

惯性因子计算公式如下：

其中ω_max表示惯性因子最大取值，ω_min表示惯性因子最小取值；

搜索空间的内边界公式如下：

步骤1004、更新每个粒子的每个分量的速度和位置：

[v_i]_n＝ω[v_i]_n+c₁rand()*([p_best,i]_n-[x_i]_n)+c₂rand()*([g_best]_n-[x_i]_n)

[x_i]_n＝[x_i]_n+[v_i]_n

其中，c₁为认知因子，c₂为社会因子，rand()表示0到1之间的均匀分布随机数，p_best,i表示粒子i经历的最优位置，g_best表示所有粒子经历过的最优位置；[x_i]_n表示第i个粒子当前位置向量的第n个分量；

步骤1005、对于超出搜索空间内/外边界的粒子，将其直接压缩到内/外边界上；

即如果|[x_i]_n|＜d，则取如果则取如果|[p_best,i]_n|＜d，则取

步骤1006、将最优功率分配及接收端波束赋形向量代入目标函数，得到适应度函数R(w)的值；

步骤1007、更新各个粒子的局部最优位置p_best,i和全局最优位置g_best，继续从步骤1003开始迭代；

步骤1008、所有循环迭代结束后，得到发端波束赋形向量w^*＝g_best；

本发明的优点在于：

1、一种临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法，得到了任意收发端波束赋形下的闭式最优功率分配；

2、一种临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法，得到了任意发射端波束赋形下的闭式最优接收端波束赋形；

3、一种临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法，得到了发射端波束赋形的次优解；

4、一种临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法，能够在同一时频资源下将接入用户数提高K倍，有效地提高了频谱效率。

附图说明

图1是本发明临空通信毫米波非正交多址接入系统天线结构示意图；

图2是本发明一种临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法流程图；

具体实施方案

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明针对临空通信下行传输系统，采用毫米波非正交多址接入技术，实现了在同一时/频/码域资源下实现多目标传输，可以成倍地提高接入临空基站和用户的接入数量。适用场景包括地面基站对临空基站，临空基站对地面用户以及地面基站对低空无人机。通过联合设计收发端波束赋形及功率分配，实现了恒模约束及最低可达率约束下的最大化多空基/多用户可达率之和的目的。

如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、针对下行临空非正交多址接入通信系统，构建地面基站和临空基站之间的通信场景。

通信场景包括：1.地面基站对多个临空基站的下行传输；2.临空基站对多个地面用户的下行传输；3.地面基站服务多个低空无人机的下行传输。

针对第一种地面基站对多个临空基站的下行传输的场景，如图1所示，具体构建如下：

地面基站在同一时域/频域/码域资源块内连接K个远程临空基站，分别命名为空基1、空基2、……、空基K；集合为：{1,2,...,k,...,K}。在地面基站和临空基站均搭载半波间距的均匀线性阵列天线，采用相控毫米波阵列进行定向通信，基站搭载天线个数为N，每个天线分别由一个功率放大器和相位转换器控制，所有空基搭载天线个数均为M，每个天线分别由一个低噪放大器和相位转换器控制，地基和空基的天线权系数向量，即波束赋形向量分别由如下模长约束；

针对地面基站的第n个天线发射端的波束赋形向量为：

w表示地面基站发射端波束赋形向量；

针对空基k的第m个天线接收端的波束赋形向量为：

u_k表示空基k接收端波束赋形向量；

步骤二、针对第一种场景模型，地面基站将对K个临空基站发送的功率归一化信号进行叠加发射；

叠加信号表达式为：

s_k表示地面基站给临空基站k发送的发射信号，p_k为地面基站对临空基站k的发射信号功率；

步骤三、叠加信号s经过地面基站和临空基站之间的信道响应以及天线噪声，形成混合信号，并被每个临空基站都接收到；

临空基站k接收的混合信号为：

其中，n_k表示空基k天线上的高斯白噪声，其平均功率记为σ²；H_k是地面基站和空基k的信道响应矩阵：

其中λ_k,l表示空基k的第l条径的复系数，θ_k,l表示空基k的第l条径在地面基站发射角的余弦值，ψ_k,l表示空基k的第l条径在空基k接收角的余弦值，L_k表示空基k的多径分量总个数，a_t(·)表示发射端的指向向量的函数；a_r(·)表示接收端的指向向量的函数，其表达式为：

a_t(ψ)＝[e^jπ0ψ,e^jπ1ψ,e^jπ2ψ,…,e^jπ(N-1)ψ]^T

a_r(θ)＝[e^jπ0θ,e^jπ1θ,e^jπ2θ,…,e^jπ(M-1)θ]^T

步骤四、利用混合信号中的波束赋形向量w，计算各临空基站的有效信道的增益并对有效信道增益做出相应排序，得到各空基信号的解码优先级顺序。

有效信道增益越低，解码优先级越高；

针对有效信道增益空基K的信号解码时的优先级最高，空基1的信号解码优先级最低；

步骤五、针对有效信道增益排序为空基K直接解码s_K，空基K-1先解码s_K并根据串行干扰删除法删除，然后解码s_K-1，以此类推，空基1先依次解码s_K,s_K-1,…,s₂并删除，最后解码s₁；得到各个空基的可达率；

空基k的可达率公式如下：

步骤六、当所有临空基站的可达率之和达到最大化时，设计联合收发端的功率分配及波束赋形需满足的约束条件。

可达率之和达到最大化也就是目标函数，如下：

需满足的约束条件如下：

Subject to R_k≥r_k,k＝1,2,…,K…，

p_k≥0,k＝1,2,…,K…，

其中r_k表示空基k的最小可达率约束；P表示地面基站的最大发射功率；

步骤七、在固定收发端波束赋形的情况下，将目标函数简化为单纯的功率分配问题；

Subject to R_k≥r_k,k＝1,2,…,K

p_k≥0,k＝1,2,…,K

通过推导可以求得最优功率分配为

其中此时必然有R_k＝r_k,(k＝2,3,…,K)；

步骤八、对于固定的发端波束赋形向量，最优接收端波束赋形向量的问题转化为

Subject to R_k≥r_k,k＝1,2,…,K

p_k≥0,k＝1,2,…,K

经过推导可以求得此时最优的接收端波束赋形向量为

步骤九、将最优功率分配和最优接收端波束赋形代入原问题，归结为一个发射端波束赋形问题，即：

其中R(w)表示最优功率分配和收端波束赋形下的空基可达率之和，仅与发端波束赋形向量有关，虽然可以写出其闭式表达式，但结果过于复杂，传统的优化方法不再适用。

步骤十、通过基于边界压缩的粒子群算法，在搜索空间内通过每一步迭代下的边界压缩，使得最终所有粒子都集中在该空间的外边界上，即满足恒模约束，得到发射端波束赋形向量；

步骤1001、在搜索空间内随机初始化I个粒子的位置x_i＝w_i及初始速度v_i；

其中w_i表示第i个粒子的波束赋形向量，每个w_i都是N维向量；v_i表示第i个粒子的波束赋形向量的运动速度；i＝1,2,…,I；

步骤1002、找到当前各个粒子的局部最优位置p_best,i和全局最优位置g_best；

步骤1003、对于每一次迭代循环，t从1到T，计算惯性因子及搜索空间的内边界；

惯性因子计算公式如下：

其中ω_max表示惯性因子最大取值，ω_min表示惯性因子最小取值；

搜索空间的内边界公式如下：

步骤1004、更新每个粒子的每个分量的速度和位置：

[v_i]_n＝ω[v_i]_n+c₁rand()*([p_best,i]_n-[x_i]_n)+c₂rand()*([g_best]_n-[x_i]_n)

[x_i]_n＝[x_i]_n+[v_i]_n

其中，c₁为认知因子，c₂为社会因子，rand()表示0到1之间的均匀分布随机数，p_best,i表示粒子i经历的最优位置，g_best表示所有粒子经历过的最优位置；[x_i]_n表示第i个粒子当前位置向量的第n个分量；

步骤1005、对于超出搜索空间内/外边界的粒子，将其直接压缩到内/外边界上；

即如果|[x_i]_n|＜d，则取如果则取如果|[p_best,i]_n|＜d，则取

步骤1006、将最优功率分配及收端波束赋形向量代入目标函数，得到适应度函数R(w)的值；

步骤1007、更新各个粒子的局部最优位置p_best,i和全局最优位置g_best，继续从步骤1003开始迭代；

步骤1008、所有循环迭代结束后，得到发端波束赋形向量w^*＝g_best。

Claims (4)

1.临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、针对下行临空非正交多址接入通信系统，构建地面基站和临空基站之间的通信场景；

通信场景包括：1.地面基站对多个临空基站的下行传输；2.临空基站对多个地面用户的下行传输；3.地面基站服务多个低空无人机的下行传输；

步骤二、针对第一种场景模型，地面基站将对K个临空基站发送的功率归一化信号进行叠加发射；

叠加信号表达式为：

s_k表示地面基站给临空基站k发送的发射信号，p_k为地面基站对临空基站k的发射信号功率；

步骤三、叠加信号s经过地面基站和临空基站之间的信道响应以及天线噪声，形成混合信号，并被每个临空基站都接收到；

临空基站k接收的混合信号为：

其中，u_k表示空基k接收端波束赋形向量，w表示地面基站发射端波束赋形向量，n_k表示空基k天线上的高斯白噪声，其平均功率记为σ²；H_k是地面基站和空基k的信道响应矩阵：

其中λ_k,l表示空基k的第l条径的复系数，θ_k,l表示空基k的第l条径在地面基站发射角的余弦值，ψ_k,l表示空基k的第l条径在空基k接收角的余弦值，L_k表示空基k的多径分量总个数，a_t(·)表示发射端的指向向量的函数；a_r(·)表示接收端的指向向量的函数，其表达式为：

a_t(ψ)＝[e^jπ0ψ,e^jπ1ψ,e^jπ2ψ,…,e^jπ(N-1)ψ]^T

a_r(θ)＝[e^jπ0θ,e^jπ1θ,e^jπ2θ,…,e^jπ(M-1)θ]^T

步骤四、利用混合信号中的波束赋形向量w，计算各临空基站的有效信道的增益并对有效信道增益做出相应排序，得到各空基信号的解码优先级顺序；

步骤五、针对有效信道增益排序为空基K直接解码s_K，空基K-1先解码s_K并根据串行干扰删除法删除，然后解码s_K-1，以此类推，空基1先依次解码s_K,s_K-1,…,s₂并删除，最后解码s₁；得到各个空基的可达率；

空基k的可达率公式如下：

步骤六、当所有临空基站的可达率之和达到最大化时，设计联合收发端的功率分配及波束赋形需满足的约束条件；

可达率之和达到最大化也就是目标函数，如下：

需满足的约束条件如下：

Subject to R_k≥r_k,k＝1,2,…,K

p_k≥0,k＝1,2,…,K

其中r_k表示空基k的最小可达率约束；P表示地面基站的最大发射功率；

步骤七、当固定收发端的波束赋形向量时，将目标函数简化，得到最优功率分配；

简化如下：

Subject to R_k≥r_k,k＝1,2,…,K

p_k≥0,k＝1,2,…,K

通过推导求得最优功率分配为：

其中此时必然有R_k＝r_k,(k＝2,3,…,K)；

步骤八、当固定发送端的波束赋形向量时，将目标函数转化，得到最优的接收端波束赋形向量；

转化公式为：

Subject to R_k≥r_k,k＝1,2,…,K

p_k≥0,k＝1,2,…,K

经过推导求得此时最优的接收端波束赋形向量为：

步骤九、将最优功率分配和最优的接收端波束赋形向量代入目标函数，得到发射端波束赋形问题；

即

其中R(w)表示最优功率分配和最优收端波束赋形下的空基可达率之和；

步骤十、对发射端波束赋形问题利用基于边界压缩的粒子群算法进行求解，得到发射端波束赋形向量；

在搜索空间内通过每一步迭代下的边界压缩，使得最终所有粒子都集中在该空间的外边界上，即满足上述问题的恒模约束。

2.如权利要求1所述的临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法，其特征在于，所述的步骤一中，针对第一种地面基站对多个临空基站的下行传输的场景，具体构建如下：

地面基站在同一时域/频域/码域资源块内连接K个远程临空基站，分别命名为空基1、空基2、……、空基K；集合为：{1,2,...,k,...,K}。在地面基站和临空基站均搭载半波间距的均匀线性阵列天线，采用相控毫米波阵列进行定向通信，地面基站搭载天线个数为N，每个天线分别由一个功率放大器和相位转换器控制，每个空基搭载天线个数均为M，每个天线分别由一个低噪放大器和相位转换器控制，地基和空基的天线权系数向量，即波束赋形向量分别由如下模长约束：

针对地面基站的第n个天线发射端的波束赋形向量为：

w表示地面基站发射端波束赋形向量；

针对空基k的第m个天线接收端的波束赋形向量为：

u_k表示空基k接收端波束赋形向量。

3.如权利要求1所述的临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法，其特征在于，步骤四中所述的解码优先级顺序为：有效信道增益越低，解码优先级越高；

针对有效信道增益空基K的信号解码时的优先级最高，空基1的信号解码优先级最低。

4.如权利要求1所述的临空通信毫米波非正交多址接入技术联合收发端波束赋形及功率分配方法，其特征在于，所述的步骤十，具体实施方式如下：

步骤1001、在搜索空间内随机初始化I个粒子的位置x_i＝w_i及初始速度v_i；

其中w_i表示第i个粒子的波束赋形向量，每个w_i都是N维向量；v_i表示第i个粒子的波束赋形向量的运动速度；i＝1,2,…,I；

步骤1002、找到当前各个粒子的局部最优位置p_best,i和全局最优位置g_best；

步骤1003、对于每一次迭代循环，t从1到T，计算惯性因子及搜索空间的内边界；

惯性因子计算公式如下：

其中ω_max表示惯性因子最大取值，ω_min表示惯性因子最小取值；

搜索空间的内边界公式如下：

步骤1004、更新每个粒子的每个分量的速度和位置：

[v_i]_n＝ω[v_i]_n+c₁rand()*([p_best,i]_n-[x_i]_n)+c₂rand()*([g_best]_n-[x_i]_n)

[x_i]_n＝[x_i]_n+[v_i]_n

其中，c₁为认知因子，c₂为社会因子，rand()表示0到1之间的均匀分布随机数，p_best,i表示粒子i经历的最优位置，g_best表示所有粒子经历过的最优位置；[x_i]_n表示第i个粒子当前位置向量的第n个分量；

步骤1005、对于超出搜索空间内/外边界的粒子，将其直接压缩到内/外边界上；

即如果|[x_i]_n|＜d，则取如果则取如果|[p_best,i]_n|＜d，则取

步骤1006、将最优功率分配及接收端波束赋形向量代入目标函数，得到适应度函数R(w)的值；

步骤1007、更新各个粒子的局部最优位置p_best,i和全局最优位置g_best，继续从步骤1003开始迭代；

步骤1008、所有循环迭代结束后，得到发端波束赋形向量w^*＝g_best。