CN113014304B - 一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法 - Google Patents

一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法，首先，构建用于UAV辅助中继多用户的通信系统，包括一个多天线地面基站、一个多天线UAV和多个单天线用户；其次，地面基站与UAV分别利用所获取的信道状态信息计算发送预编码矩阵；然后，假设基站所要传输给所有用户的总数据量为D比特，计算系统总传输时延T；最后，以最小化系统总传输时延为目标，对UAV位置及系统总功率分配进行优化。本发明在总传输数据量和总功率给定的情况下，优化了UAV位置及发送功率分配，使得系统传输时延最小化，有效地提高了频谱利用率，降低了系统传输时延。

Description

一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法。
背景技术
随着无线通信技术的快速发展，UAV(Unmanned Aerial Vehicle，无人机)已被广泛研究并应用于无线通信系统中的无缝覆盖和容量增强。UAV被部署为空中基站或安装有接入点，可以利用其敏捷的移动性和可操作性动态地向地面用户提供灵活的按需服务。作为典型的应用，当地面基站拥塞或损坏时，可以利用UAV在临时或意外情况下加载流量。UAV还可以向不在地面基础设施提供的覆盖范围内的远程用户提供地面基站存储布局信号。在UAV辅助网络中，无线回程和与蜂窝连接的UAV已被提议作为将UAV网络与地面网络连接的潜在解决方案。此外，有效的资源分配策略对于提高资源利用率并增强UAV辅助网络中用户的接入链路和UAV的回程链路之间的系统容量来说至关重要，无线通信系统中UAV应用的主要特点是敏捷部署。因此，考虑到用户设备访问链路的质量，已经研究了UAV的布局和轨迹优化。在保证无线覆盖性能的同时，考虑了最佳布局以最大程度地减少无人飞行器的数量和系统成本。
发明内容
发明目的：本发明以最小化系统总传输时延为目标，提供了一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法，有效地减少了系统传输时延，提高了系统性能。
发明内容：本发明提出一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法，具体包括以下步骤：
(1)构建用于UAV辅助中继多用户的无线通信系统，所述系统包括一个多天线地面基站、一个多天线UAV和多个单天线用户，所述多天线UAV的工作模式为半双工；
(2)地面基站与UAV分别利用所获取的信道状态信息计算发送预编码矩阵；
(3)假设基站所要传输给所有用户的总数据量为D比特，计算系统总传输时延T；
(4)根据步骤(3)中求得的系统总传输时延，以最小化系统总传输时延为目标，对UAV位置及系统总功率分配进行优化。
进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：
以地面基站作为原点构建三维坐标系，则地面基站的坐标为(0,0,0)，第k个用户的极坐标为(zk,θk,0)，zk和θk分别表示第k个用户到地面基站的距离和幅角，UAV的极坐标为
Figure BDA0002947340120000026
L和
Figure BDA0002947340120000027
分别表示UAV在地面投影到地面基站之间的距离和幅角，l表示UAV的固定飞行高度；UAV端的预编码矩阵为：
W＝ζ(HHH+αIM)-1H
其中，α为正则化参数，ζ表示功率约束归一化参数，满足
Figure BDA0002947340120000021
P1表示UAV的发送功率，IM表示M阶单位矩阵，M为UAV配备的天线数，(·)H表示矩阵的共轭转置，tr(·)表示矩阵的求迹运算，H＝[h1,h2,…,hK]是M×K维的矩阵，表示UAV到所有用户之间的信道，K表示系统中的总用户数，
Figure BDA0002947340120000022
是M×1的向量，β表示参考距离为1米的信道功率增益，μ表示UAV与第k个用户之间的路径损耗指数，
Figure BDA0002947340120000023
表示UAV与第k个用户之间的距离，
Figure BDA0002947340120000024
是N×1的向量，表示信道中的小尺度衰落，服从均值为0、方差为1的独立同分布，W＝[w1,w2，…，wK]是M×K维的矩阵；
地面基站端的发送预编码矩为：
Q＝UΛUH
其中，U为地面基站与UAV间信道G的右奇异特征矩阵，Λ表示满足功率约束tr(Λ)＝P2的功率分配矩阵，P2表示地面基站的发送功率。
进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：
UAV与所有用户的和速率为
Figure BDA0002947340120000025
γk表示第k个用户的信干噪比，具体有
Figure BDA0002947340120000031
Figure BDA0002947340120000032
σ2表示信道中的噪声功率，地面基站与UAV的速率为
Figure BDA0002947340120000033
G表示地面基站与UAV之间的信道，且
Figure BDA0002947340120000034
表示UAV与基站间的距离，l表示UAV的固定飞行高度，μ表示基站与UAV之间的路径损耗指数，
Figure BDA0002947340120000035
是一个大小为M×N的矩阵，代表信道的小尺度衰落，其元素服从均值为0、方差为1的独立同分布，N表示基站配备的天线数，Q表示地面基站处的发送预编码矩阵，系统总传输时延为：
Figure BDA0002947340120000036
其中，D表示基站所要传输给所有用户的总数据量。
进一步地，所述步骤(4)包括以下步骤：
(41)UAV在地面投影到地面基站之间的距离L及UAV的发送功率P1：
Figure BDA0002947340120000037
s.t.P1+P2≤P
其中，P为系统总发送功率；
(42)设置L和P1的初始值，分别记为L(n)和P1(n)，此时n＝0；
(43)将L(n)和P1(n)代入
Figure BDA0002947340120000038
中求得此时的系统时延T，记为T(n)；
(44)固定P1(n)，利用一维搜索的方法求得此时令T最小的L，并将此时的L记为L(n+1)；
(45)固定L(n+1)，利用穷举法求解出此时令T最小的P1，并将此时的P1记为P1(n+1)；
(46)设置n＝n+1；
(47)重复(44)—(46)，直至时延T收敛，此时的L和P1即为所要求得的解。
进一步地，所述UAV在地面投影到地面基站之间的幅角为：
Figure BDA0002947340120000041
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本方法考虑到带内回程链路，通过设计预编码矩阵，UAV可以同时服务于多个用户，同时可以有效减少用户间的干扰；2、本方法以最小化系统总传输时延为目标，通过优化UAV的位置及系统总功率分配，有效的减小了用户的通信时延。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为UAV辅助中继多用户无线通信系统模型图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行清晰、完整地描述。
本发明提供一种无人机辅助中继多用户通信中的位置设计方法，在频谱资源分配给定的情况下，优化了UAV与地面基站的水平距离及功率分配，使得系统发送时延最小化，有效地减少了系统传输时延，提高了系统性能。如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1：构建用于UAV辅助中继多用户的无线通信系统，如图2所示，包括一个多天线地面基站、一个多天线UAV和多个单天线用户，多天线UAV的工作模式为半双工。
步骤2：地面基站与UAV分别利用所获取的信道状态信息计算发送预编码矩阵。
地面基站与UAV分别利用所获取的信道状态信息计算发送预编码矩阵。假设以地面基站作为原点构建三维坐标系，则地面基站的坐标为(0,0,0)，第k个用户的极坐标为(zk,θk,0)，zk和θk分别表示第k个用户到地面基站的距离和幅角，UAV的极坐标为
Figure BDA0002947340120000042
L和
Figure BDA0002947340120000043
分别表示UAV在地面投影到地面基站之间的距离和幅角，
Figure BDA0002947340120000044
l表示UAV的固定飞行高度。UAV端的预编码矩阵设计为：
W＝ζ(HHH+αIM)-1H
其中，α为正则化参数，ζ表示功率约束归一化参数，满足
Figure BDA0002947340120000051
P1表示UAV的发送功率，IM表示M阶单位矩阵，M为UAV配备的天线数，(·)H表示矩阵的共轭转置，tr(·)表示矩阵的求迹运算，H＝[h1,h2,…,hK]是M×K维的矩阵，表示UAV到所有用户之间的信道，K表示系统中的总用户数，
Figure BDA0002947340120000052
是M×1的向量，β表示参考距离为1米的信道功率增益，μ表示UAV与第k个用户之间的路径损耗指数，
Figure BDA0002947340120000053
表示UAV与第k个用户之间的距离，
Figure BDA0002947340120000054
是N×1的向量，表示信道中的小尺度衰落，服从均值为0、方差为1的独立同分布，W＝[w1,w2，…，wK]是M×K维的矩阵。
地面基站端的发送预编码矩设计为：
Q＝UΛUH
其中，U为地面基站与UAV间信道G的右奇异特征矩阵，Λ表示满足功率约束tr(Λ)＝P2的功率分配矩阵，P2表示地面基站的发送功率。
步骤3：假设基站所要传输给所有用户的总数据量为D比特，计算系统总传输时延T。
假设基站所要传输给所有用户的总数据量为D比特，计算系统总传输时延T。其中，UAV与所有用户的和速率为
Figure BDA0002947340120000055
γk表示第k个用户的信干噪比，具体有
Figure BDA0002947340120000056
Figure BDA0002947340120000057
σ2表示信道中的噪声方差，地面基站与UAV的速率为
Figure BDA0002947340120000058
G表示地面基站与UAV之间的信道，且
Figure BDA0002947340120000059
表示UAV与基站间的距离，μ表示基站与UAV之间的路径损耗指数，
Figure BDA0002947340120000061
是一个大小为M×N的矩阵，代表信道的小尺度衰落，其元素服从均值为0、方差为1的独立同分布，N表示基站配备的天线数，Q表示地面基站处的发送预编码矩阵，由步骤101给出。
步骤4：根据步骤3中求得的系统总传输时延，以最小化系统总传输时延为目标，对UAV位置及系统总功率分配进行优化。
根据步骤3中求得的系统总传输时延，以最小化系统总传输时延为目标，对UAV位置及系统总功率分配进行优化。UAV在地面投影到地面基站之间的距离L及UAV的发送功率P1，由下式计算所得：
Figure BDA0002947340120000062
s.t.P1+P2≤P
其中，P为系统总发送功率。
采用交替优化的方法求解上式，具体步骤如下：
S1、设置L和P1的初始值，分别记为L(n)和P1(n)，此时n＝0；
S2、将L(n)和P1(n)代入
Figure BDA0002947340120000063
中求得此时的系统时延T，记为T(n)；
S3、固定P1(n)，利用一维搜索的方法求得此时令T最小的L，并将此时的L记为L(n+1)；
S4、固定L(n+1)，利用穷举法求解出此时令T最小的P1，并将此时的P1记为P1(n+1)；
S5、设置n＝n+1；
S6、重复S3—S5，直至时延T收敛，此时的L和P1即为所要求得的解。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建用于UAV辅助中继多用户的无线通信系统，所述系统包括一个多天线地面基站、一个多天线UAV和多个单天线用户，所述多天线UAV的工作模式为半双工；
(2)地面基站与UAV分别利用所获取的信道状态信息计算发送预编码矩阵；
(3)假设地面基站所要传输给所有用户的总数据量为D比特，计算系统总传输时延T；
(4)根据步骤(3)中求得的系统总传输时延，以最小化系统总传输时延为目标，对UAV位置及系统总功率分配进行优化；
所述步骤(2)实现过程如下：
以地面基站作为原点构建三维坐标系，则地面基站的坐标为(0,0,0)，第k个用户的极坐标为(zk,θk,0)，zk和θk分别表示第k个用户到地面基站的距离和幅角，UAV的极坐标为
Figure FDA0003651773130000011
L和
Figure FDA0003651773130000012
分别表示UAV在地面投影到地面基站之间的距离和幅角，l表示UAV的固定飞行高度；UAV端的预编码矩阵为：
W＝ζ(HHH+αIM)-1H
其中，α为正则化参数，ζ表示功率约束归一化参数，满足
Figure FDA0003651773130000013
P1表示UAV的发送功率，IM表示M阶单位矩阵，M为UAV配备的天线数，(·)H表示矩阵的共轭转置，tr(·)表示矩阵的求迹运算，H＝[h1,h2,…,hK]是M×K维的矩阵，表示UAV到所有用户之间的信道，K表示系统中的总用户数，
Figure FDA0003651773130000014
是M×1的向量，β表示参考距离为1米的信道功率增益，μ表示UAV与第k个用户之间的路径损耗指数，
Figure FDA0003651773130000015
表示UAV与第k个用户之间的距离，
Figure FDA0003651773130000016
是N×1的向量，表示信道中的小尺度衰落，服从均值为0、方差为1的独立同分布，W＝[w1,w2，…，wK]是M×K维的矩阵；
地面基站端的发送预编码矩为：
Q＝UΛUH
其中，U为地面基站与UAV间信道G的右奇异特征矩阵，Λ表示满足功率约束tr(Λ)＝P2的功率分配矩阵，P2表示地面基站的发送功率；
所述步骤(3)实现过程如下：
UAV与所有用户的和速率为
Figure FDA0003651773130000021
γk表示第k个用户的信干噪比，具体有
Figure FDA0003651773130000022
σ2表示信道中的噪声功率，地面基站与UAV的速率为
Figure FDA0003651773130000023
G表示地面基站与UAV之间的信道，且
Figure FDA0003651773130000024
表示UAV与地面基站间的距离，l表示UAV的固定飞行高度，μ表示地面基站与UAV之间的路径损耗指数，
Figure FDA0003651773130000025
是一个大小为M×N的矩阵，代表信道的小尺度衰落，其元素服从均值为0、方差为1的独立同分布，N表示地面基站配备的天线数，Q表示地面基站处的发送预编码矩阵，系统总传输时延为：
Figure FDA0003651773130000026
其中，D表示地面基站所要传输给所有用户的总数据量；
所述步骤(4)包括以下步骤：
(41)UAV在地面投影到地面基站之间的距离L及UAV的发送功率P1：
Figure FDA0003651773130000027
其中，P为系统总发送功率；
(42)设置L和P1的初始值，分别记为L(n)和P1(n)，此时n＝0；
(43)将L(n)和P1(n)代入
Figure FDA0003651773130000028
中求得此时的系统时延T，记为T(n)；
(44)固定P1(n)，利用一维搜索的方法求得此时令T最小的L，并将此时的L记为L(n+1)；
(45)固定L(n+1)，利用穷举法求解出此时令T最小的P1，并将此时的P1记为P1(n+1)；
(46)设置n＝n+1；
(47)重复(44)—(46)，直至时延T收敛，此时的L和P1即为所要求得的解。
2.根据权利要求1所述的无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法，其特征在于，所述UAV在地面投影到地面基站之间的幅角为：
Figure FDA0003651773130000031
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