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 PDFInfo
- Publication number
- CN113014304B CN113014304B CN202110197096.5A CN202110197096A CN113014304B CN 113014304 B CN113014304 B CN 113014304B CN 202110197096 A CN202110197096 A CN 202110197096A CN 113014304 B CN113014304 B CN 113014304B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- uav
- base station
- ground base
- matrix
- total
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000005562 fading Methods 0.000 claims description 6
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000013468 resource allocation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/14—Relay systems
- H04B7/15—Active relay systems
- H04B7/185—Space-based or airborne stations; Stations for satellite systems
- H04B7/18502—Airborne stations
- H04B7/18504—Aircraft used as relay or high altitude atmospheric platform
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
- H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
- H04B7/0413—MIMO systems
- H04B7/0426—Power distribution
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
- H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
- H04B7/0413—MIMO systems
- H04B7/0456—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
- H04W16/18—Network planning tools
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W72/00—Local resource management
- H04W72/04—Wireless resource allocation
- H04W72/044—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource
- H04W72/0473—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource the resource being transmission power
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W72/00—Local resource management
- H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
- H04W72/54—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria
- H04W72/542—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria using measured or perceived quality
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/40—Engine management systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
- Radio Relay Systems (AREA)
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
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L和分别表示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,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,表示UAV与第k个用户之间的距离,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γk表示第k个用户的信干噪比,具体有 σ2表示信道中的噪声功率,地面基站与UAV的速率为G表示地面基站与UAV之间的信道,且表示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,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:
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:
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;
(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:
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L和分别表示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,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,表示UAV与第k个用户之间的距离,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γk表示第k个用户的信干噪比,具体有 σ2表示信道中的噪声方差,地面基站与UAV的速率为G表示地面基站与UAV之间的信道,且表示UAV与基站间的距离,μ表示基站与UAV之间的路径损耗指数,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:
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;
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L和分别表示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,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,表示UAV与第k个用户之间的距离,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γk表示第k个用户的信干噪比,具体有σ2表示信道中的噪声功率,地面基站与UAV的速率为G表示地面基站与UAV之间的信道,且表示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,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:
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:
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;
(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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110197096.5A CN113014304B (zh) | 2021-02-22 | 2021-02-22 | 一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110197096.5A CN113014304B (zh) | 2021-02-22 | 2021-02-22 | 一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113014304A CN113014304A (zh) | 2021-06-22 |
CN113014304B true CN113014304B (zh) | 2022-08-26 |
Family
ID=76405831
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110197096.5A Active CN113014304B (zh) | 2021-02-22 | 2021-02-22 | 一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113014304B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115276768B (zh) * | 2022-07-22 | 2023-07-28 | 南京邮电大学 | 融合干扰缓解与资源分配的无人机时延最小化方法 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109005551B (zh) * | 2018-07-10 | 2021-05-04 | 南京邮电大学 | 一种非理想信道状态信息的多用户noma下行功率分配方法 |
CN109905917B (zh) * | 2019-01-23 | 2022-12-02 | 南京邮电大学 | 基于无线携能的noma通信系统中无线资源分配方法 |
CN110881010B (zh) * | 2019-11-15 | 2022-01-11 | 南京邮电大学 | 统计csi辅助的多用户noma下行传输方法 |
-
2021
- 2021-02-22 CN CN202110197096.5A patent/CN113014304B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113014304A (zh) | 2021-06-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103190090B (zh) | 全双工mimo中继器中的自干扰抑制 | |
CN108419286A (zh) | 一种面对5g无人机通信联合波束与功率的分配算法 | |
US20110244790A1 (en) | Relay and method for signal transmission thereof | |
Ghazzai et al. | Trajectory optimization for cooperative dual-band UAV swarms | |
CN113014304B (zh) | 一种无人机辅助中继多用户无线通信的位置设计方法 | |
CN109660292A (zh) | 一种基于多无人机覆盖的无线通信系统飞行高度设计方法 | |
López-Valcarce et al. | Beamformer design for full-duplex amplify-and-forward millimeter wave relays | |
CN102291727B (zh) | 一种分布式协作波束成形设计方法 | |
CN110971290B (zh) | 能效最优的无人机中继协同通信系统信息传输方法 | |
CN112969185B (zh) | 多无人机辅助移动用户通信的功率分配与航迹设计方法 | |
CN114221726A (zh) | ka频段无人机通信系统的下行链路同频干扰表征方法 | |
Anandpushparaj et al. | Performance analysis of UAV cellular communications | |
Shehzad et al. | Performance of mmWave UAV‐Assisted 5G Hybrid Heterogeneous Networks | |
CN117200846A (zh) | 一种基于列车位置和ris的毫米波波束成形方法及系统 | |
CN107395299A (zh) | 一种450MHz频段卫星气象业务与铁路列调系统的干扰分析方法 | |
CN114665947B (zh) | 一种无人机支持的中继通信系统联合功率控制及位置规划的优化设计方法 | |
CN108092928A (zh) | 聚合干扰导向干扰管理方法、混合蜂窝网络、无线局域网 | |
CN115694602B (zh) | 一种毫米波全双工无人机通信系统的联合优化方法 | |
CN116669073A (zh) | 基于智能反射面辅助无人机认知网络的资源分配和轨迹优化方法 | |
WO2023071142A1 (zh) | 一种分布式多卫星联合波束赋形方法 | |
CN113660030A (zh) | 一种用于高通量卫星系统前向链路的数据传输方法 | |
CN115175132A (zh) | 一种支持无人机通信感知一体化的预编码及功率分配方法 | |
CN115037337A (zh) | 一种智能反射面驱动的多用户协同传输方法 | |
CN113364513A (zh) | 基于无人机机阵的分布式多天线基站 | |
CN105188123A (zh) | 用于双向中继网络的中继处理和功率控制联合优化方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |