CN110034856B - 一种无人机非正交多址接入波束宽度的设计方法 - Google Patents

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Abstract

在基于非正交多址接入的无人机辅助通信网络中，我们提出能够满足超可靠低时延通信的波束宽度设计方法。为了实现超可靠低时延传输，我们通过适当减小无人机的波束宽度来最小化传输的错误概率。由于用户分组方法可以通过使无人机仅覆盖每组中的用户来减少对无用户区域的覆盖范围，以实现波束宽度的最小化。因此我们基于此场景，使用基于无人机辅助通信的两种用户分组算法。第一种是传统的K‑means算法，但是有时候会出现单用户组的情况，不能有效的共享频谱资源。第二个是改进的K‑means算法。这种算法能保证每组有两个以上的用户，在解决本文所考虑的问题方面具有良好的性能。在用户分组之后，我们为每组用户设计一个包含本组内所有用户的无人机波束宽度覆盖方法，并针对每组用户设计了基于用户位置的波束宽度计算方法，以进一步最小化波束宽度并解决此优化问题。

Description

一种无人机非正交多址接入波束宽度的设计方法
技术领域
本发明涉及在无人机与地面用户通信网络中，实现无人机非正交多址接入的超可靠低时延传输设计。确切地说，通过联合优化无人机波束宽度与分组数量，在特定满足超可靠低时延的时延条件下，使得系统的错误概率满足超可靠低时延传输的限制，属于无线通信领域的技术。
背景技术
以人工智能为主的全新技术革命正在改变我们的生活、工作和交流方式。新一代前所未有的服务和应用已经出现，如无人驾驶的车辆和基于无人机的交付，以及基于人工智能的个性化助理。为了解决日益多样化的服务和应用，5G相关技术已被提上日程并逐一实施。近几年来，国际电信联盟在2015年定义了5G三大主要应用场景：增强型移动宽带、大规模物联网和超可靠低时延通信。其中，超可靠低时延通信由于其特有的两个互斥的需求，超可靠性和低时延性，而得到了工业界和学术界的广泛关注。
作为5G无线系统中不可忽略的一部分，超可靠低时延通信通常不需要较高的数据速率，但低时延与超可靠性是至关重要的。无人机作为超可靠低时延通信的主要应用，近年来受到了广泛的关注。由于4G网络只能实现一部分对时延不敏感的无人机应用，能够满足大多数无人机通信，即时延敏感的无人机通信，的5G技术在无人机日益火爆的今天，是值得研究的。无人机以其特有的机动性强、安全风险系数小、部署方便以及成本低等优点已经成为了国内外的研究热点。随着移动通信技术的不断发展，频谱资源也变得越来越紧张。非正交多址接入技术以其能够共享频谱资源提高频谱效率等特点，在频谱资源日益紧张的情况下也成为了无线通信的技术热点之一。为了满足5G飞速增长的业务需求以及实现超可靠低时延传输，基于无人机通信的非正交多址接入技术成为了研究的重点。
针对现有的无人机波束方向垂直于地面的无人机与地面用户通信网络不能有效减小波束宽度的问题，本发明提出了一种能够有效减小波束宽度的设计方法，即通过对用户进行分组，使得无人机波束只需要覆盖每组用户，通过减小对无用户区域的覆盖面积来实现波束宽度的减小，同时针对每组用户，设计基于用户位置的波束宽度设计方法来实现波束宽度的进一步减小。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是在超可靠低时延的应用限制中，实现无人机非正交多址接入波束宽度的设计。我们考虑的是无人机作为飞行基站的情况，包括一个无人机和多个用户。无人机位于区域正上方，多个用户随机地分布在区域中。无人机对用户进行非正交多址接入传输。所述方法包括下列两个个操作步骤：
(1)多用户非正交多址接入推导：本发明研究了基于非正交多址接入技术的无人机辅助通信，并实现了超可靠低时延传输。在超可靠低时延传输的约束下，波束宽度与分组数量被联合优化，以在特定延迟的条件下最小化传输的错误概率。值得注意的是，本发明针对的是多用户的非正交多址接入，而不是仅局限于两用户的非正交多址接入。根据上述的描述，K个用户在分为S组后，第s(s＝1,…,S)组中第
Figure BDA0002031788000000021
个用户的SINR为
Figure BDA0002031788000000022
其中，PUAV为无人机总功率，
Figure BDA0002031788000000023
Figure BDA0002031788000000024
分别为无人机波束在第s组中仰角
Figure BDA0002031788000000025
和方位角
Figure BDA0002031788000000026
方向上的波束宽度，G0≈2.2846，Gg＝0，αk为第k个用户的功率分配因子，σ2为高斯白噪声的功率，
Figure BDA0002031788000000027
Figure BDA0002031788000000028
为距离为1m的信道增益，
Figure BDA0002031788000000031
是第s组中第k个用户到无人机的距离，ε为路径损耗指数，Ks为第s组的用户数。
由于传输的低时延性和超可靠性，本发明采用有限码长进行传输。在有限码长的条件下，第s组中第k个用户的错误概率为
Figure BDA0002031788000000032
其中τ为传输延迟，B为带宽，Nbit为传输总比特数。因此，基于上述公式，本文的优化问题可以表示为
Figure BDA0002031788000000033
Figure BDA0002031788000000034
Figure BDA0002031788000000035
Figure BDA0002031788000000036
Figure BDA0002031788000000037
其中，SINRth是SINR的阈值，2θmin和2θmax分别为波束宽度的最小值和最大值。针对上述优化问题，本发明采取两步式的解决方法。首先，在给定分组数S的情况下，优化波束宽度。其次，通过迭代分组数S，找到问题最优解。
(2)用户分组及波束宽度设计方法：为了解决上述提出的优化问题，我们把用户分为不同的组，使得无人机波束只需要覆盖每组中的用户，通过减小对无用户区域的覆盖以达到减小波束宽度的目的。用户分组后，我们为每组用户设计了基于用户位置的波束宽度计算方法，以进一步最小化波束宽度并解决优化问题。
(21)首先，对于区域内的所有用户，本发明中提出两种用户分组方法。第一种是传统的K-means算法，即把区域内的用户分为不同组，无人机分别对分组后的每组用户进行非正交多址接入传输。通过减小无人机波束对无用户区域的覆盖来减小无人机的波束宽度。第二种是改进的K-means算法。传统的K-means算法在分组时会出现只有单个用户的分组情况，为了使此算法能应用于本发明的场景，我们对此算法进行改进，使得每组内至少有两个用户，在解决本文所考虑的问题方面具有良好的性能。本发明中提出的改进的K-means算法具体如下：
Figure BDA0002031788000000041
(22)在经过用户分组后，针对每组用户，我们先设计一个包含每组用户的波束宽度覆盖范围，基于此覆盖范围，进一步提出基于用户位置的波束宽度设计方法，把优化问题表示为：
Figure BDA0002031788000000051
Figure BDA0002031788000000052
Figure BDA0002031788000000053
Figure BDA0002031788000000054
Figure BDA0002031788000000055
Figure BDA0002031788000000056
Figure BDA0002031788000000057
其中
Figure BDA0002031788000000058
Figure BDA0002031788000000059
分别为第s组的覆盖中心的横、纵坐标，
Figure BDA00020317880000000510
Figure BDA00020317880000000511
分别为第s组第k个用户的横、纵坐标，dsc为第s组的覆盖中心到整体区域中心的距离，H为无人机的高度。
与传统的波束方向垂直于地面的方法相比，此方法使无人机波束方向基于用户的位置自行调整，在能覆盖用户的前提下，有效的减小波束宽度，以达到最终减小错误概率的目的。最后实现无人机非正交多址接入技术的超可靠低时延传输。
本发明中，基于无人机非正交多址接入场景，提出了通过用户分组和基于用户位置的波束宽度设计方法来实现超可靠低时延传输通信。其优点是通过减小无人机对无用户区域的覆盖来减小波束宽度，以达到超可靠低时延传输的限制条件，即在延迟1ms内可靠性能达到99.999％，且采用非正交多址接入技术充分合理地利用了有限的无线频谱资源。此方案下提出的优化问题是一个复杂的非凸问题。为解决这个问题，我们采用两步式的方法，通过迭代求得本地最优解。
附图说明
图1是本发明的应用场景：基于超可靠低时延传输的无人机非正交多址接入系统模型图。
图2是本发明中基于超可靠低时延传输的无人机非正交多址接入波束宽度设计的流程图。
图3是本发明实施例中，不同算法的可靠性比较仿真图。
图4是在本发明实例中，可靠性与延迟性关系在不同算法下的对比仿真图。
图5是在本发明实例中，在不同传输比特数的情况下，不同算法可靠性曲线仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，本发明的应用场景是：在一个无人机与地面用户通信的网络中，无人机位于区域正上方，在区域中随机分布着多个用户。根据用户分布位置的差异，将相邻用户划分到同一组中。如果出现单用户组的情况，把此单用户合并到离此用户最近的一个组中。或者如果相邻组的用户数量大于三，则从此相邻组中选择一个离单用户最近的用户划分到单用户组。
我们的目标是保证每个组均有两个以上用户，采用能够共享频谱资源的非正交多址接入传输。在满足超可靠低时延中的低时延的情况下，最小化传输的错误概率，以达到超可靠低时延中的超可靠限制。由于本发明中优化问题是个非凸问题，因此，我们采用两步式的方法，首先固定分组数量，求解最小波束宽度，其次，迭代分组数量求解优化问题。
为了展示本发明的实用性，申请人进行了多次仿真实施试验。试验系统中的网络模型为图1所示的应用场景，仿真试验的结果如图3、4和5所示。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种无人机非正交多址接入波束宽度的设计方法，用于以下场景：无人机位于区域正上方，多个用户随机分布在区域中，无人机对多用户进行非正交多址接入传输，其特征在于：所述方法包括下列两个操作步骤：
(1)多用户非正交多址接入推导：在超可靠低时延传输的约束下，波束宽度与分组数量被联合优化，以在特定延迟的条件下最小化传输的错误概率，具体如下，K个用户在分为S组后，第s(s＝1,…,S)组中第
Figure FDA0002452452780000011
个用户的SINR为
Figure FDA0002452452780000012
其中，PUAV为无人机总功率，
Figure FDA0002452452780000013
Figure FDA0002452452780000014
分别为无人机波束在第s组中仰角
Figure FDA0002452452780000015
和方位角
Figure FDA0002452452780000016
方向上的波束宽度，G0≈2.2846，Gg＝0，αk为第k个用户的功率分配因子，σ2为高斯白噪声的功率，
Figure FDA0002452452780000017
Figure FDA0002452452780000018
为距离为1m的信道增益，
Figure FDA0002452452780000019
是第s组中第k个用户到无人机的距离，ε为路径损耗指数，Ks为第s组的用户数；由于传输的低时延性和超可靠性，这里采用有限码长进行传输；在有限码长的条件下，第s组中第k个用户的错误概率为
Figure FDA00024524527800000110
其中τ为传输延迟，B为带宽，Nbit为传输总比特数；因此，基于上述公式，优化问题可以表示为
Figure FDA0002452452780000021
Figure FDA0002452452780000022
Figure FDA0002452452780000023
Figure FDA0002452452780000024
Figure FDA0002452452780000025
其中，SINRth是SINR的阈值，2θmin和2θmax分别为波束宽度的最小值和最大值；
(2)用户分组及波束宽度设计方法：为了解决上述提出的优化问题，把用户分为不同的组，使得无人机波束只需要覆盖每组中的用户，通过减小无人机波束对无用户区域的覆盖以达到减小波束宽度的目的；用户分组后，设计一个能覆盖每组中用户的基于用户位置的波束宽度计算方法，以进一步最小化波束宽度并解决优化问题。
2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤(2)中，用户分组及波束宽度设计方法包括下列的操作内容：
(21)首先，对于区域内的所有用户，提出两种用户分组方法；第一种是传统的K-means算法，即把区域内的用户以距离为度量标准分为不同组，无人机分别对分组后的每组用户进行非正交多址接入传输，通过减小无人机波束对无用户区域的覆盖来减小无人机的波束宽度；第二种是改进的K-means算法，每组内至少有两个用户；
(22)经过用户分组后，针对每组用户，设计一个包含每组用户的波束宽度覆盖范围，基于此覆盖范围，进一步基于用户位置设计波束宽度，根据用户位置改变波束方向，从而减小波束宽度，以达到最终减小错误概率的目的，实现无人机非正交多址接入技术的超可靠低时延传输。
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