CN112788725B - 无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法 - Google Patents

Abstract

无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，涉及信息与通信技术领域，是一种基于非正交多址接入技术的用户功率优化分配方法对发射功率进行优化分配，以提升系统能量的效率。本发明针对无人机通信场景的能量受限问题以及通信场景中普遍面临的频谱资源紧缺问题，研究了基于空间调制的非正交多址接入技术中的一种能效优化方法，系统架构可以描述为将一部分待传输比特信息映射至天线选择序列，剩余多用户比特信息经由功率域叠加发送。在该方案下通过对NOMA技术中的功率进行优化分配，可以实现系统能量效率的提升。

Description

无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化 方法

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及通信网络中的一种无人机通信场景下基于空间调制的非正交多址接入能效优化技术

背景技术

随着无线通信技术的发展，近年来通信终端数目爆炸式增长，传统的地面通信网络难以满足大量并发通信数据需求，因此，近年来，科学界将目光转向无人机通信网络，无人机具有网络机动性高、通信成本低、易于控制部署、组网方式灵活和通信设备更新方便等独特优势，此外，无人机可为终端提供有直视路径的信道，并且能够针对不同任务需求快速搭建起通信链路，进而实现增强接收信号功率、增大系统容量和通信覆盖范围。考虑无人机通信的独特优势，目前无人机已在森林防火、军事侦察、交通监控及数据搜索等领域展现出了广阔的应用前景，同时，由于无人机部署简单，可集群或单独完成任务，无人机也可作为辅助手段缓解地面通信网络压力。无人机辅助无线通信的主要场景可以分为如下三类：(1)无人机承担部分或全部基站功能：由于自然灾害导致部分或全部基础设施损坏之后的服务快速恢复或在非常拥挤的区域(例如，体育赛事期间的体育场)中的基站卸载；(2)无人机辅助中继通信：利用无人机为没有可靠直接通信链路的远程用户、用户组之间提供无线连接；(3)无人机辅助信息传播和数据收集。然而无人机重量轻，公里处有限，导致无人机续航时间及信息传输效率受限。因此，在无人机通信技术中，考虑通信系统的能效优化问题，实现低能耗信息传输，是一项具有重要意义的研究课题。

爆炸式增长的通信终端，不仅会给传统地面蜂窝网络带来前所未有的巨大压力，同时也将导致频谱资源紧缺问题。因此，如何高效利用不可再生的频谱资源，是一项亟待解决的课题。为高效利用频谱资源，学术界提出了多种技术手段，其中功率域非正交多址接入技术(power domain non-orthogonal multiple access,NOMA)近年来被视为一种具有极大应用前景的接入技术，多用户共享频谱、码字、时隙资源，仅在发送功率上对多用户信息加以区分，即发送端根据多用户的信道状态信息为多用户分配不同的发射功率，并依据发射功率将多用户的信息叠加在一起，在接收端通过串行干扰消除技术逐个解调多用户信息，实现正确解码。通过多用户之间频率资源的共享，NOMA技术相比于正交接入技术，可以在相同带宽条件下实现更高的信息传输速率，即更高的频谱利用效率。同时，NOMA技术原理简单，实现难度低，不需对现有的硬件通信设施进行大规模改造，上述优势进一步加大了NOMA技术的实际应用价值。然而，传统的NOMA技术对于频谱效率的提升存在瓶颈，同一频带内的用户数目不能无限增加，一方面是由于随着用户数目的增加，终端解调难度逐渐增大，复杂度提升，另一方面是多用户间的同频干扰随着用户数目的增加而加大，当达到一定阈值后，用户数目的提升将不会为系统频谱效率带来任何增益。考虑率NOMA技术与其他技术的结合，可在NOMA高频谱效率的基础上，进一步提升网络频谱效率，实现资源的高效利用。作为一种特殊的多天线技术，空间调制技术将天线序列视为可调制资源，通过对发送天线序列的选择，实现一部分信息比特的传输。技术细节可以描述为：将用户的待传输比特信息分为两部分，一部分比特信息用于在所有发射天线中选择某一根/多根发射天线作为活跃天线；而另一部分比特信息则通过前一部分比特信息所选的天线发送出去。值得注意的是，用于天线选择的比特信息与选择的天线序列之间应当是单一映射关系，即某一中比特信息只能对应一种活跃天线序列；同时，仅有被选择的活跃天线可以用来传输信息，而其余天线则保持静默，不发送任何信息。在接收端通过信息解调恢复出天线的活跃情况，根据活跃情况直接解调出部分比特信息。空间调制技术的核心在于天线选择，即在某一时隙内仅有部分天线用于传输信息，这种方案使得传输信息具有一定的稀疏性，同时可以抑制天线间干扰，此外，由于一部分比特信息通过空间调制发送，可以提升信息传输速率，进而提升系统的频谱效率。

因此，本发明中国考虑空间调制技术与NOMA技术的结合，可以进一步提升系统频谱效率。考虑未来海量终端通信场景，引入无人机辅助地面蜂窝网络，然而无人机具有小型化、续航能力差、功率有限的性能缺陷，因此在频谱效率之外，如何高效利用能量，实现高能效信息传输，同样是一个关键的科学挑战。

发明内容

本发明是为了对现有的非正交多址接入技术的NOMA用户功率分配方法进行优化，对发射功率进行优化分配，以及提升系统能量的效率，从而提供一种无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法。

1、无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，其特征是：它包括以下步骤：

步骤一、建立无人机服务的偏远无基站覆盖区域网络架构，其中，无人机与用户间的下行通信模式为非正交接入模式，即NOMA模式；

步骤二、根据用户间信道条件对用户进行分组，其中，同一组内用户共享相同的时、频、码资源；

步骤三、根据无人机装载天线数目确定天线选择比特数目，其中无人机将组内用户下行待发送比特信息分为两部分，即：天线选择比特及信息传输比特，用户的天线选择比特结合作为最终的天线选择序列，实现从比特信息到活跃天线的映射，组内用户的剩余部分比特信息通过功率叠加方式发送至无线信道；

步骤四、无人机判断下行信道状态及自身剩余的发射功率，然后根据信道情况及可用发射功率计算发送端信噪比，并判断所得信噪比是否大于预设值，如果判断结果为是，则执行步骤五，如果判断结果为否，则执行步骤六；

步骤五、能效优化步骤，具体为：

步骤五一、输入无人机信息传输功率P，信道h_i,j，最小信息传输速率噪声功率

步骤五二、设置初始值发射功率控制因子θ_max＝1、θ_min＝0、δ＝10^-5、循环次数n＝100和循环计数n₀＝1；

步骤五三、计算

步骤五四、计算下述所示公式

和

其中θ取值分别为θ_max，θ_min，θ^*

步骤五五、根据求得的功率分配结果计算η_EE(α，θ_max)、η_EE(α,θ_min)和η_EE(α，θ^*)；

步骤五六、如果η_EE(θ^*)＞η_EE(θ_min)，则θ_min＝θ^*，反之则θ_max＝θ^*；

步骤五七、n₀＝n₀+1；当时，重复步骤五四、五五、五六，直至/>完成一次无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化；

步骤六、能效优化步骤，具体为：

步骤六一、判断同一组内用户的信道状态；

步骤六二、将全部可用发射功率用于传输信道条件最好的用户信息，完成一次无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化。

本发明获得的突出的实质性特点和显著进步：

1、针对无人机通信场景，研究了无人机通信信道特点，并在该种信道特点下针对系统性能进行进一步地研究；

2、本发明的提出的无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法可以针对基于空间调制的非正交多址接入技术的NOMA用户功率分配进行优化，给出优化后的功率分配方案；

3、仿真结果表明，提出的能效优化方案相比于传统NOMA技术，可以实现系统能量效率的显著提升。同时，针对无人机移动速度，飞行高度等参数的变化给出性能仿真图，仿真表明，在所有参数设置下所提的能效优化方法均可大幅提升系统的能效性能。

附图说明

图1是本发明考虑的系统模型图；

图2是系统实施原理框图；

图3是发明所提能效优化方案与传统方案的能效对比图；

图4是发明中可实现的系统能量效率随发射天线数目变化情况仿真示意图；

图5是本发明中无人机不同飞行高度下的能量效率仿真示意图；

图6是本发明中无人机悬停时用户不同移动速度下系统能效对比仿真示意图；

具体实施方式

具体是方式一、无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，它的具体方法为：

步骤一、给出无人机服务的偏远无基站覆盖区域网络架构，网络架构模型如附图1中所示，其中，无人机于用户间的下行通信模式为非正交接入模式，即NOMA；

步骤二、根据用户间信道条件对用户进行分组，同一组内用户共享相同的时、频及编码资源；

步骤三、根据无人机装载天线数目确定天线选择比特数目，以一个用户组为例，无人机将组内用户下行待发送比特信息分为两部分，即天线选择比特及信息传输比特，用户的天线选择比特结合作为最终的天线选择序列，实现从比特信息到活跃天线的映射，组内用户的剩余部分比特信息通过功率叠加方式发送至无线信道。

步骤三的技术细节可以描述为：

由图2可知，最终的天线选择序列包括所有用户的天线选择序列，因此最终的天线序列可以表示为：

其中n_t最终决定激活天线的序列,是由j_th用户提供的激活天线序列,j∈{1,2,...,m}m是在NOMA服务范围内的用户个数。通过所选天线传递的信息量可以表示为：

其中表示为：

同时，

其中代表接收天线数目,当天线激活序列是由所有用户均等的决定时，有/>其中N_T代表发送天线的数目。此外，对于j^th用户，所能获得的最大天线选择增益可以表示为log₂(Ω_j)，当天线激活序列被所有用户均等决定时，有/>在传统的NOMA技术中，用户信号的信干噪比可以表示为：

其中，我们假定SIC技术在接收端可以完整的消除多用户间的干扰，同时在解调时，功率较低的用户被视为干扰。在上式中，P是总功率限制,E_s代表信号能量,h_i,j∈N_R×1代表信道矩阵H的i^th行，代表i^th发送天线与j^th用户之间的信道衰落。代表高斯白噪声的功率谱密度。

因此，在结合天线选择与NOMA技术的系统中，j^th用户的容量可以表示为：

对于整个系统而言，总的系统容量可以表示为显而易见的是，天线选择技术可以通过激活的天线不同传输部分信息，因此，将会在不影响占用频谱宽度及发射功率的前提下，实现信息传输速率及系统容量的提升，但其提升效果与总天线个数相关，这种技术，可以在一定程度上提升系统的能量效率，能效的表达式可以表示为：

其中，P_total＝P_t+P_c，P_t是用于信号传输的能量，P_c代表传输及发射过程中损耗的能量。有在对能量效率及系统容量进行近似表达及性能优化后，结合天线选择的NOMA技术可以显著的提高系统的容量，也就意味着再不占据更多频谱资源的情况下，该种技术可以实现频谱利用效率的提升。同时，该系统相比于传统NOMA，也实现了能量效率的提升。

步骤四、无人机判断下行信道状态及自身剩余发射功率，进而根据信道情况及可用发射功率计算发送端信道比，当计算所得信噪比较高时，执行步骤五，当信噪比较低时，执行步骤六；

步骤五、为提升本发明中的能量效率，当发送端信干噪比较高(无人机电量充足，信道条件好)时，执行以下能效优化步骤：

步骤五-1、输入无人机信息传输功率P，信道h_i，j，最小信息传输速率噪声功率/>

步骤五-2、设置初始值发射功率控制因子θ_max＝1、θ_min＝0、δ＝10^-5、循环次数n＝100和循环计数n₀＝1；

步骤五-3、带入θ_max，θ_min，计算

步骤五-4、计算下述所示公式

和

其中θ取值分别为θ_max，θ_min，θ^*

步骤五-5、根据求得的功率分配结果计算η_EE(α，θ_max)、η_EE(α，θ_min)和η_EE(α,θ^*)；

步骤五-6、如果η_EE(θ^*)＞η_EE(θ_min)，则θ_min＝θ^*，反之则θ_max＝θ^*；

步骤五-7、n₀＝n₀+1；当时，重复步骤五-4、五-5、五-6，直至/>完成一次无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化；

步骤五的技术细节及推导步骤可以描述为：

公式(7)所示的能效问题可以写为下式所示的优化问题，其中j_th用户的最小速率作为限制条件：

上式中，可以进一步表示为/>其中/>值得注意的是，当发射功率较大时，/>渐进于一个常数值。上式中的C3可以进一步表示为：

进一步可以得到：

其中表示不考虑空间增益时，j_th用户的最小速率要求，/>表示信道增益。

公式(80)所示的优化问题可以看作两步优化问题，首先，将θ视为常数并优化α，接着优化θ的值。进一步的，优化问题可以表示为：

其中，将θ视为常数，首先优化α，

在之前的工作中，相似的问题已经被解决了，采用KKT方案，可以得到：

其中，λ_j恒大于零，因此可以得到：

同时，

恒大于零已经被很多工作证明过了，这也就意味着随着θ的增加，α_j(θ)增加。得到α的最优值后，接着针对θ的取值进行进一步的优化，由于/>的非负性已经被证明，我们可以得到C(α(θ),θ)是关于θ的严格凸函数，同时，根据前文的推导过程，/>是关于θ的单变量函数且互信息量随θ的增加而趋近于常数。

简单的，我们可以得到C(α(θ),θ)和的和，(定义为R)是有关于θ的凸函数，因此，当/>时，可以得到最优的θ值。

步骤六、与步骤五相似，当发送端信干噪比较低(无人机电量不足，信道条件差)时，执行以下能效优化步骤：

步骤六-1、判断同一组内用户的信道状态；

步骤六-2、将全部可用发射功率用于传输信道条件最好的用户信息；

步骤六的功率分配理论推导细节可以描述为：

在低信噪比条件下，互信息量不再近似于常数值，因此，优化问题很难被简化，同时，互信息量的表达式中存在积分式，也将导致优化问题的复杂度升高，因此，给出容量的近似表达式如下：

其中，表示j_th用户的天线选择序列，y_j表示j_th用户的接收信号，h(y_j)的上限可以表示为：

的表达式如下式所示，其中，Ψ_j,t＝h_i,j-h_i,t。

其中，则系统容量可以表示为：

首先，考虑α的优化问题，则优化函数可以表示为：

其中，θ看作常数，因此mI_ca(θ)可以视为常数，进一步地，上式中的优化问题可以表示为：

其中R_j的表达式如下所示，.经过数学推导后，可以得到：

其中。B_j等于上式可以进一步表示为：/>因此可以得到：

经过数学推导，分配给j_th用户的功率分配因子可以表示为：

上式可以进一步表示为：

将α_j带入B_j，可以得到：

根据NOMA的基本原理，j_th用户及(j+1)_th用户的信道增益满足||h_i，j||²＜||h_i,j+1||²，同时功率分配因子满足α_j＞α_j+1，因此可以得到进一步地，/>

上式表示，信道条件最优的用户(即m_th用户)在低信噪比时，贡献了最大的能效增益，因此，当信噪比低时，将全部功率分配给信道条件最佳的用户可以得到最佳的能效性能。此时，NOMA技术在能效上于OMA技术不存咋差异。此外，在低信噪比时，可以很容易地看出，将全部可用功率用来发送信息，即θ＝1时，可以实现最大的能效性能。

依据上述实现步骤及技术细节，可以得出，本发明的有益效果在于，本发明针对无人机通信场景的能量受限问题以及通信场景中普遍面临的频谱资源紧缺问题，研究了一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，系统架构可以描述为将一部分待传输比特信息映射至天线选择序列，剩余多用户比特信息经由功率域叠加发送。在该方案下通过对NOMA技术中的功率进行优化分配，可以实现系统能量效率的提升，研究结果表明，优化后的基于空间调制的非正交多址接入技术相比于传统的NOMA技术可以实现能量效率的大幅度提升。

经上述仿真试验验证，本发明具有以下特点和显著进步：

1、针对无人机通信场景，研究了无人机通信信道特点，考虑无人机固有的能量受限问题，研究无人机通信场景下的信息传输能效问题；

2、本发明的提出的无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法可以针对基于空间调制的非正交多址接入技术的NOMA用户功率分配进行优化，给出优化后的功率分配方案；

3、仿真结果表明，提出的能效优化方案相比于传统NOMA技术，可以实现系统能量效率的显著提升。同时，针对无人机移动速度，飞行高度等参数的变化给出性能仿真图，仿真表明，在所有参数设置下所提的能效优化方法均可大幅提升系统的能效性能。

Claims (7)

1.无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，其特征是：它包括以下步骤：

步骤一、建立无人机服务的偏远无基站覆盖区域网络架构，其中，无人机与用户间的下行通信模式为非正交接入模式，即NOMA模式；

步骤二、根据用户间信道条件对用户进行分组；

步骤三、根据无人机装载天线数目确定天线选择比特数目，其中无人机将组内用户下行待发送比特信息分为两部分，即：天线选择比特和信息传输比特，组内用户的天线选择比特结合作为最终的天线选择序列，并映射为单一的激活天线序列组内用户的信息传输比特通过功率叠加后，经由激活天线序列发送至无线信道；

步骤四、无人机判断下行信道状态及自身剩余的发射功率，然后根据信道情况及可用发射功率计算发送端信噪比，并判断所得信噪比是否大于预设值，如果判断结果为是，则执行步骤五，如果判断结果为否，则执行步骤六；

步骤五、能效优化步骤，具体为：

步骤五一、输入无人机信息传输功率P，信道h_i,j，最小信息传输速率噪声功率/>

步骤五二、设置初始值发射功率控制因子θ_max＝1、θ_min＝0、δ＝10^-5、循环次数n＝100；和循环计数n₀＝1；

步骤五三、计算下述所示公式：

第2至第m个用户的功率分配因子

和

第1个用户的功率分配因子

其中θ取值分别为θ_max,θ_min,θ^*，m是在NOMA服务范围内的用户个数；

步骤五四、带入θ_max,θ_min，计算计算能效η_EE(θmax)、能效η_EE(θmin)和能效/> 表示第n₀次迭代中根据θ^*得到的能效；

步骤五五、如果则θ_min＝θ^*，反之则θ_max＝θ^*；

步骤五六、当时，n₀＝n₀+1，重复步骤五四和五五，直至完成一次无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化；

步骤六、能效优化步骤，具体为：

步骤六一、判断同一组内用户的信道状态；

步骤六二、将全部可用发射功率用于传输信道条件最好的用户信息；

步骤六三、判断是否存在紧急用户，若存在紧急用户，则优先传输紧急用户信息，完成一次无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化。

2.根据权利要求1所述的无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，其特征在于步骤三中根据无人机装载天线数目确定天线选择比特数目，其中无人机将组内用户下行待发送比特信息分为两部分，即：天线选择比特和信息传输比特，组内用户的天线选择比特结合作为最终的天线选择序列，并映射为单一的活跃天线序列组内用户的信息传输比特通过功率叠加后，经由活跃天线序列发送至无线信道具体为：

最终的天线选择序列包括所有用户的天线选择序列，因此最终的天线序列表示为：

其中n_t最终决定激活天线的序列,是由j_th用户提供的激活天线序列,j∈{1,2,...,m}；通过所选天线传递的信息量表示为：

其中，y_j表示j_th用户的接收信号，表示为：

同时，

其中：N_R代表接收天线数目,当天线激活序列是由所有用户均等的决定时，有/>其中N_T代表发送天线的数目；此外，对于j^th用户，所能获得的最大天线选择增益表示为log₂(Ω_j),当天线激活序列被所有用户均等决定时，有在传统的NOMA技术中，用户信号的信噪比表示为：

其中：假定SIC技术在接收端完整的消除多用户间的干扰，同时在解调时，功率较低的用户被视为干扰；在公式(5)中，P是总功率限制,E_s代表信号能量,h_i,j∈N_R×1代表信道矩阵H的i^th行，代表i^th发送天线与j^th用户之间的信道衰落；代表高斯白噪声的功率谱密度；

因此，在结合天线选择序列与NOMA技术的系统中，j^th用户的容量表示为：

对于整个系统而言，总的系统容量表示为能效的表达式表示为：

其中：P_total＝P_t+P_c,P_t是用于信号传输的能量，P_c代表传输及发射过程中损耗的能量。

3.根据权利要求2所述的无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，其特征在于步骤五的执行条件是：发送端信噪比高于预设值。

4.根据权利要求2所述的无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，其特征在于步骤五的执行条件是：无人机电量大于预设值以及信道条件好于预设阈值。

5.根据权利要求2所述的无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，其特征在于步骤五的执行条件是：发送端信噪比低于预设值。

6.根据权利要求2所述的无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，其特征在于步骤五的执行条件是：无人机电量小于预设值以及信道条件差于预设阈值。

7.根据权利要求2所述的无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，其特征在于步骤六中，公式(7)所示的能效表达式写为公式(8)所示的优化问题，其中j_th用户的最小速率作为限制条件：

公式(8)中,进一步表示为/>其中/>公式(8)中的C3进一步表示为：

进一步得到：

其中：表示不考虑空间增益时，j_th用户的最小速率要求，/>表示信道增益；

进一步的，优化问题表示为：