CN113423071A - 一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，无人机作为中继站，分别与基站和用户所在的用户端建立通信链路，多个用户端通过组合形成用户端组，用户端根据对应的信道增益划分为高等级用户端和低等级用户端，高等级用户端的信道增益高于低等级用户端的信道增益，用户端组中设有至少一个高等级用户端，低等级用户端分配到高等级用户端所在的用户端组，低等级用户根据其信道增益和信道条件进行分配，且高等级用户先于低等级用户进行用户端组的分配。与现有技术相比，本发明具有提高基于NOMA的无人机中继网络的频谱效率，从而有效提高无人机中继网络的吞吐量性能等优点。

Description

一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法

技术领域

本发明涉及无人机数据传输技术领域，尤其是涉及一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法。

背景技术

随着无人机技术的逐渐成熟和制造成本的降低，无人机在通信行业中的应用越来越受到重视。通过配备通信设施的无人机，可以快速建立通信链路。同时，我们可以灵活部署或回收无人机，解决业务需求的潮汐效应，降低网络成本与能耗。这些优点使无人机辅助通信受到了广泛关注。另外，与传统的单跳传输相比，中继传输通信可以有效地扩展无线网络的覆盖范围，降低无线信道的路径损耗，并提高数据传输的可靠性。而无人机的优点使得它非常合适应用在中继技术中，作为一个灵活的飞行中继来辅助数据传输。在传统的无人机网络中接入方式是正交多址(OMA)，但由于严格正交的限制，这一接入方式限制了频谱效率，从而容易产生数据拥塞。于是将能提高频谱效率的非正交多址接入(NOMA)技术应用于无人机中继通信中是一个非常自然且重要的研究方向。

目前已有研究讨论了NOMA在无人机中继系统中的应用，它被用来帮助无人机为单源到多个目的地提供中继服务。有研究将无人机设计成为卫星和随机配对的用户中继，通过推导用户中断概率优化无人机位置，从而使系统吞吐量最大化。也有研究假设所有用户都在同一个NOMA组中，通过联合优化无人机的定位和发射功率，从而实现无人机的功耗最小化。但是此前的研究工作都没有考虑用户分组对传输性能的影响，而这是实际应用中提高系统频谱效率一个非常有效的方案。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，提高基于NOMA的无人机中继网络的频谱效率，从而有效提高无人机中继网络的吞吐量性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，无人机作为中继站，分别与基站和用户所在的用户端建立通信链路，所述多个用户端通过组合形成用户端组，所述用户端根据对应的信道增益划分为高等级用户端和低等级用户端，所述高等级用户端的信道增益高于所述低等级用户端的信道增益，所述用户端组中设有至少一个高等级用户端，所述低等级用户端分配到高等级用户端所在的用户端组，所述低等级用户根据其信道增益和信道条件进行分配，且高等级用户先于低等级用户进行用户端组的分配。

所述用户端组的数量为1个或1个以上。

进一步地，所述用户端组的数量根据高等级用户端的数量计算得到。

进一步地，每个所述用户端组中用户端的数量相同，组内频谱资源可以复用。

所述控制方法通过基于NOMA的无人机中继网络传输复用用户端组内的频谱资源。

所述无人机的工作方式为时分双工方式。

所述无人机作为中继站进行数据中继的方式为解码转发模式。

所述无人机与用户端之间的通信链路具体为短距离视距通信链路。

所述无人机在每个时隙内的通信过程具体为两个时间跳。

进一步地，第一个所述时间跳的通信过程为基站与无人机进行通信，第二个所述时间跳的通信过程为无人机与用户端进行通信。

所述高等级用户端的吞吐量根据对应的发射功率和信道增益计算得到，通过低传输功率实现高吞吐量。

所述用户端中，除高等级用户端外的剩余用户端中，信道条件较好的用户端分配到高等级用户端所在的用户端组，以对抗相应用户端组的组内干扰。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过将无人机作为数据传输的中继站，根据信道增益对用户端进行分类，同时基于高等级用户端进行分组，充分考虑无人机中继的位置以及基站和无人机中继的发射功率来最大化网络的吞吐量性能，有效提高两个远距离用户端与基站之间数据交换的效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例中多种用户端分组的示意图；

图3为本发明不同通信方案下系统吞吐量性能对比的仿真图。

附图标记：

1-基站；2-无人机；3-用户端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，无人机作为中继站，分别与基站和用户所在的用户端建立通信链路，多个用户端通过组合形成用户端组，用户端根据对应的信道增益划分为高等级用户端和低等级用户端，高等级用户端的信道增益高于低等级用户端的信道增益，用户端组中设有至少一个高等级用户端，低等级用户端分配到高等级用户端所在的用户端组，低等级用户根据其信道增益和信道条件进行分配，且高等级用户先于低等级用户进行用户端组的分配。

本实施例中，共有M个用户端U₁,U₂,...,U_M。

用户端组的数量为1个或1个以上。

用户端组的数量根据高等级用户端的数量计算得到。

每个用户端组中用户端的数量相同，组内频谱资源可以复用。

控制方法通过基于NOMA的无人机中继网络传输复用用户端组内的频谱资源。

无人机的工作方式为时分双工方式。

无人机作为中继站进行数据中继的方式为解码转发模式。

无人机与用户端之间的通信链路具体为短距离视距通信链路。

无人机在每个时隙内的通信过程具体为两个时间跳。

第一个时间跳的通信过程为基站与无人机进行通信，第二个时间跳的通信过程为无人机与用户端进行通信。

高等级用户端的吞吐量根据对应的发射功率和信道增益计算得到，通过低传输功率实现高吞吐量。

用户端中，除高等级用户端外的剩余用户端中，信道条件较好的用户端分配到高等级用户端所在的用户端组，以对抗相应用户端组的组内干扰。

本实施例中，无人机中继传输控制方法包括复杂度较低的用户分组算法，即基于下行NOMA链路的用户分组算法1，具体如下所示：

a)将用户排序为h₁≥h₂≥...≥h_ε＞＞h_ε+1≥h_ε+2≥...≥h_M；

b)设置用户端组的数量为G：如果高等级用户端的数量

则G＝ε，否则

c)将用户端分配至下行NOMA链路的组中：

Group1＝{h₁,h_ε+1,h_2ε+1...,h_M},

Group2＝{h₂,h_ε+2,h_2ε+2,...,h_M-1},

...,

Groupε＝{h_ε,h_2ε,h_3ε,...,h_M-ε+1}。

令每个用户端组的用户组的数量相同，为

将所有用户端分为高等级用户端与低等级用户端，高等级用户端拥有比低等级用户更高的信道增益。由于同一用户端组内具有最高信道增益的用户端的吞吐量不会受组中其他用户的干扰，只取决于它自己的发射功率和信道增益，因此拥有最高信道增益的用户可以用低传输功率实现高吞吐量。为了增加较低信道增益用户端的吞吐量，可以将它们分配给与较高信道增益用户端相同的组。剩余用户端的吞吐量仅由发射功率的分配来控制，将信道条件较好的用户端被分配到信道增益最高的用户端所在的用户端组，以便在较高的干扰下保持较高的吞吐量。如图2所示为具有12个用户端的NOMA中继系统，ε分别为2，3，4时的分组情况。

为了最大化系统吞吐量，基于以上用户分组协议，本实施例中，进一步结合用户分组协议、无人机位置和无人机发射功率约束设计了一个联合优化问题P1，具体如下所示：

其中，γ_m,g为用户端的分组情况，当用户端m处于用户端组g中时，γ_m,g为1，否则为0；I_r表示无人机的水平坐标；∈_m是用户m的功率分配系数；

和

分别为用户端m数据传输第一跳和第二跳可实现的吞吐量；P_G是无人机对一组用户端组的总发射功率；h_m表示无人机与用户端m间的信道增益；

为基站加性高斯白噪声的方差；P_tol为无人机总发射功率。

在P1的约束条件中，确保了{γ_m,g}是整数变量；同时限定每个用户端都被分配到一个用户端组且仅分配一次；并且提供了无人机为一组用户端组服务的总下行链路约束以及有效的串行干扰消除所需的功率。

在固定用户端分组与无人机位置的情况下，每个用户端的吞吐量在第一跳是固定的，在第二跳仅受同一用户端组中的用户端的发射功率的影响。因此，无人机发射功率分配子问题可以简化为各组内的无人机功率分配问题P2，具体如下所示：

∈_g+∈_M-1+g＝1

0≤∈_g≤1

其中，目标函数中的μ为简化问题所引入的松弛变量；∈_g为用户端组g的功率分配系数；总带宽B被分成大小为

的M个子带宽，即一个用户端的每个信号都被分配给单独的正交频率资源块B₀。

对于无人机功率分配问题P2，本实施例中设计了相关算法2，具体如下所示：

a)求解问题

得出最优解

b)根据

计算∈_g的范围；

c)获得最优功率分配∈_g：如果

则

否则

d)更新最优功率分配为∈_M-1+g：∈_M-1+g＝1-∈_g。

在用户端分组与功率分配固定的情况下，无人机位置的优化子问题转化为如下优化问题P3，具体为：

其中，β₀表示参考距离d₀＝1m时的信道增益；I_BS为基站的水平坐标；

表示第l次迭代时无人机的水平坐标；I_m为用户端m的水平坐标；H为无人机的飞行高度；

和

为过程变量，具体计算公式如下：

基于以上分析，本实施例中设计了相应算法，即基于用户分组、发射功率、无人机位置的联合优化算法3，具体如下所示：

a)初始化一个无人机位置的可行解

令l＝0；

b)通过算法1获取用户分组，将所求解记为

c)根据当前

和

通过算法2求解功率分配问题P2，所求解记为

d)根据当前

和

求解无人机位置优化问题P3，所求解记为

e)更新l，令l＝l+1；

f)迭代步骤b～e，直到端到端吞吐量增加比例小于给定阈值ε₁＞0。

通过块坐标下降(BCD)来解决多变量优化问题P1，通过单次在一个方向上执行优化来获得最优解。本发明设计了基于NOMA的复杂度较低的用户分组方案，并基于该方案提出了联合优化算法，结合用户分组、发射功率、无人机位置实现了系统吞吐量性能的优化。如图3所示是本发明所提出的基于NOMA的分组方案与传统基于正交频分多址(OFDMA)方案的吞吐量比较，可以看出，本发明的方案相较传统方案具有较大的性能提升。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，无人机作为中继站，分别与基站和用户所在的用户端建立通信链路，所述多个用户端通过组合形成用户端组，所述用户端根据对应的信道增益划分为高等级用户端和低等级用户端，所述高等级用户端的信道增益高于所述低等级用户端的信道增益，所述用户端组中设有至少一个高等级用户端，所述低等级用户端分配到高等级用户端所在的用户端组，所述低等级用户根据其信道增益和信道条件进行分配，且高等级用户先于低等级用户进行用户端组的分配。

2.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，所述用户端组的数量为1个或1个以上。

3.根据权利要求2所述的一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，所述用户端组的数量根据高等级用户端的数量计算得到。

4.根据权利要求2所述的一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，每个所述用户端组中用户端的数量相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，所述无人机的工作方式为时分双工方式。

6.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，所述无人机作为中继站进行数据中继的方式为解码转发模式。

7.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，所述无人机与用户端之间的通信链路具体为短距离视距通信链路。

8.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，所述无人机在每个时隙内的通信过程具体为两个时间跳。

9.根据权利要求8所述的一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，第一个所述时间跳的通信过程为基站与无人机进行通信，第二个所述时间跳的通信过程为无人机与用户端进行通信。

10.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的无人机中继传输控制方法，其特征在于，所述高等级用户端的吞吐量根据对应的发射功率和信道增益计算得到。

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