CN113726414A - 一种无人机中继装置、无线通信优化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人机中继装置、无线通信优化方法及系统，无人机搭载可重构全息超表面作为基站和用户之间通信用的中继装置，并对中继装置、基站和用户组成的无线通信系统中的无人机的位置、全息波束成形矩阵和功率分配方案进行优化，使得多用户通信系统的数据速率最大化。

Description

一种无人机中继装置、无线通信优化方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种无人机中继装置、无线通信优化方法及系统。
背景技术
得益于高机动性和高灵活性，无人机(UnmannedAerial Vehicle，UAV)广泛应用于军事、公共和民用等各个领域。其中，利用无人机作为通信中继受到了广泛的关注。具体地，当两个或多个远程用户之间的直接链路受环境影响或距离过远，无法进行通信时，可以将无人机部署在远程用户之间提供无线连接，从而提高系统的吞吐量和可靠性，同时扩大覆盖范围。与传统静态中继相比，无人机中继部署迅速，这使得它更适合紧急情况，如紧急响应和救援行动。此外，无人机中继具有高移动性，可以根据环境动态调整无人机的最优位置，进而提高通信性能。然而，无人机的高移动性对天线技术提出了严格的要求，如容量增强和精确的波束控制。虽然广泛使用的碟形天线和相控阵天线都有能力实现这些目标，但它们都存在着自身固有的缺陷，严重阻碍了它们的未来发展。具体而言，碟形天线需要沉重而昂贵的波束转向机械，而相控阵高度依赖功率放大器，耗电功率大，移相电路复杂，移相器众多，尤其是在高频波段。因此，为了满足未来6G无线系统中指数增长的移动设备的数据需求，需要更经济高效的天线技术。在现有的天线技术中，全息天线作为一种小尺寸、低功耗的平面天线，以其低制造成本和低硬件成本的多波束控制能力受到越来越多的关注。具体地说，全息天线利用金属贴片在表面构建全息图案，根据干涉原理记录参考波和目标波之间的干涉。然后，参考波的辐射特性可以通过改变全息图案，以产生所需的辐射方向。
随着移动设备的爆炸性增长，传统的全息天线面临着巨大的挑战，因为一旦全息图案建立，传统全息天线其辐射方向图就固定了，因此无法满足移动通信的需求。由于超材料的可控性，新兴的RHS(Reconfigurable holographic surface，可重构全息超表面)技术在改善传统全息天线的不足方面显示出极大的潜力。RHS是一种超轻薄的平面天线，天线表面嵌有许多超材料辐射单元。具体而言，由天线馈源产生的参考波以表面波的形式激励RHS，使得基于印刷电路板(PCB)技术制造的拥有紧凑结构的RHS成为可能。根据全息图案，每个超材料辐射单元可以通过电控制参考波的辐射幅度来产生所需的辐射方向。因此，相比于传统的碟形天线和相控阵天线，RHS无需重型机械运动装置和复杂的移相电路就可以实现动态波束成形，可以大大节省天线制造成本以及功率损耗，同时其轻薄的结构也十分便于安装。
当基站和用户之间距离过远、或直接链路受环境影响时，基站和用户之间无法进行正常通信。而对于RHS的现有研究工作大致集中于RHS硬件组件设计和辐射方向控制上，大多数研究仅证明了RHS实现动态多波束控制的可行性。因此，如何利用RHS解决基站和用户之间无法进行正常通信是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机中继装置、无线通信优化方法及系统，以使得多用户通信系统的数据速率最大化。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无人机中继装置，所述装置包括：可重构全息超表面和无人机；
所述无人机搭载可重构全息超表面；
所述可重构全息超表面用于接收用户发送的信号，并将用户发送的信号传输至无人机；
所述无人机用于对用户发送的信号进行解码和重新编码，并将重新编码后的信号传输至可重构全息超表面；
所述可重构全息超表面还用于将重新编码后的信号发送至基站。
一种基于前述的无人机中继装置的无线通信优化方法，所述方法包括:
预设功率分配方案和全息波束成形矩阵；所述功率分配方案为各链路上的发射功率，所述全息波束成形矩阵包括每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度值；
根据所述功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用非凸优化方法求解无人机的最优位置；
根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案；
根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和总用户数据速率。
可选的，根据所述功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用非凸优化方法求解无人机的最优位置，具体包括：
构建无人机位置的非凸优化目标函数；
利用拉格朗日变换，将所述无人机位置的非凸优化目标函数转化为无人机位置的凸优化目标函数；
根据所述功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用KKT条件对无人机位置的凸优化目标函数进行迭代求解，获得无人机的最优位置。
可选的，所述根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和总用户数据速率，具体包括：
构建总用户数据速率的非凸目标函数；
将总用户数据速率的非凸目标函数转化为总用户数据速率的凸目标函数；
利用二次规划算法对总用户数据速率的凸目标函数进行求解，获得最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
判断多个有限离散辐射振幅的优化值是否均为整数，获得第一判断结果；
若所述第一判断结果表示否，则利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值再次进行优化；
若所述第一判断结果表示是，则输出最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
根据多个有限离散辐射振幅的优化值，利用公式
Figure BDA0003239440730000031
确定每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值；
其中，Mm，n为超材料辐射单元阵列中第m行、第n列的超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值，Sm，n为第m行、第n列的超材料辐射单元对应的有限离散辐射振幅的优化值，sm，n∈{0，1，2，...，2I-2，2I-1}，I为控制第m行、第n列的超材料辐射单元的PIN二极管的数量。
可选的，所述利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值再次进行优化，具体包括：
将每个非整数有限离散辐射振幅的优化值进行分支；
根据每个非整数有限离散辐射振幅的优化值构造两个约束条件为
Figure BDA0003239440730000041
和
Figure BDA0003239440730000042
其中，
Figure BDA0003239440730000043
为非整数有限离散辐射振幅的优化值，
Figure BDA0003239440730000044
为
Figure BDA0003239440730000045
的数值，
Figure BDA0003239440730000046
为不超过
Figure BDA0003239440730000047
的最大整数；
将两个约束条件分别加入总用户数据速率的凸目标函数中，构成两个分支凸目标函数；
利用二次规划算法分别求解两个分支凸目标函数，获得每个分支凸目标函数的最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
选取两个分支凸目标函数的最大总用户数据速率的较大值作为总用户数据速率的上界，将已符合整数条件的分支中的总用户数据速率的最小者作为总用户数据速率的下界；
判断每个分支凸目标函数的最大总用户数据速率是否小于总用户数据速率的下界，获得第二判断结果；
若所述第二判断结果表示是，则将对应的分支凸目标函数进行剪枝；
若所述第二判断结果表示否，则当对应的分支凸目标函数的多个有限离散辐射振幅的优化值不均为整数时，将对应的分支凸目标函数的非整数有限离散辐射振幅的优化值进行分支，返回步骤“根据每个非整数有限离散辐射振幅的优化值构造两个约束条件为
Figure BDA0003239440730000048
和
Figure BDA0003239440730000049
”，直至最大总用户数据速率等于总用户数据速率的下界，获得多个整数有限离散辐射振幅的优化值。
可选的，所述根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和总用户数据速率，之后还包括：
获得本次迭代的总用户数据速率与前一次迭代的总用户数据速率的差值，并判断所述差值是否小于预设速率阈值，获得第三判断结果；
若所述第三判断结果表示否，则将全息波束成形矩阵更新为优化后的全息波束成形矩阵，返回步骤“根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案”；
若所述第三判断结果表示是，则输出无人机的最优位置、优化后的功率分配方案和优化后的全息波束成形矩阵。
可选的，所述根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案，具体包括：
根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，利用注水算法求解优化后的功率分配方案。
一种无线通信优化系统，所述系统包括：
预设模块，用于预设功率分配方案和全息波束成形矩阵；所述功率分配方案为各链路上的发射功率，所述全息波束成形矩阵包括每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度值；
最优位置求解模块，用于根据所述功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用非凸优化方法求解无人机的最优位置；
功率分配方案优化模块，用于根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案；
全息波束成形矩阵优化模块，用于根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和总用户数据速率。
可选的，所述全息波束成形矩阵优化模块，具体包括：
非凸目标函数构建子模块，用于构建总用户数据速率的非凸目标函数；
凸目标函数转化子模块，用于将总用户数据速率的非凸目标函数转化为总用户数据速率的凸目标函数；
目标函数求解子模块，用于利用二次规划算法对总用户数据速率的凸目标函数进行求解，获得最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
第一判断结果获得子模块，用于判断多个有限离散辐射振幅的优化值是否均为整数，获得第一判断结果；
二次优化子模块，用于若所述第一判断结果表示否，则利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值再次进行优化；
结果输出子模块，用于若所述第一判断结果表示是，则输出最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
离散幅度最优值确定子模块，用于根据多个有限离散辐射振幅的优化值，利用公式
Figure BDA0003239440730000061
确定每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值；
其中，Mm，n为超材料辐射单元阵列中第m行、第n列的超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值，sm，n为第m行、第n列的超材料辐射单元对应的有限离散辐射振幅的优化值，I为控制第m行、第n列的超材料辐射单元的PIN二极管的数量。
可选的，所述系统还包括：
第三判断结果获得模块，用于获得本次迭代的总用户数据速率与前一次迭代的总用户数据速率的差值，并判断所述差值是否小于预设速率阈值，获得第三判断结果；
步骤返回模块，用于若所述第三判断结果表示否，则将全息波束成形矩阵更新为优化后的全息波束成形矩阵，返回步骤“根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案”；
输出模块，用于若所述第三判断结果表示是，则输出无人机的最优位置、优化后的功率分配方案和优化后的全息波束成形矩阵。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种无人机中继装置、无线通信优化方法及系统，无人机搭载可重构全息超表面作为基站和用户之间通信用的中继装置，并对中继装置、基站和用户组成的无线通信系统中的无人机的位置、全息波束成形矩阵和功率分配方案进行优化，使得多用户通信系统的数据速率最大化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的无人机中继装置的结构图；
图2为本发明提供的可重构全息超表面的结构示意图；
图3为本发明提供的表面波传输示意图。
图4为本发明提供的无线通信优化方法的流程图；
图5为本发明提供的无线通信优化方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种无人机中继装置、无线通信优化方法及系统，以使得多用户通信系统的数据速率最大化。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种无人机中继装置，如图1所示，装置包括：可重构全息超表面和无人机；
无人机搭载可重构全息超表面；
可重构全息超表面用于接收用户发送的信号，并将用户发送的信号传输至无人机；
无人机用于对用户发送的信号进行解码和重新编码，并将重新编码后的信号传输至可重构全息超表面；
可重构全息超表面还用于将重新编码后的信号发送至基站。
可重构全息超表面(Reconfigurable holographic surface，RHS)：可重构全息超表面由馈源，平行板波导，超材料辐射单元阵列构成，其中馈源发出电磁波，电磁波在平行板波导上以表面波的形式进行传播，如图2和3所示。传播过程中，超材料辐射单元由多个PIN二极管进行控制，通过调节超材料辐射单元对应的PIN二极管的开关状态，可实现对传播至超材料辐射单元上电磁波的有限离散辐射振幅调节，若有I个PIN二极管控制一个超材料辐射单元，则该单元具有2I个离散幅度可调节值。其中超材料辐射单元具有有限个离散幅度可调节值，而二极管开关状态与在超材料辐射单元上辐射出的电磁波的幅度值具有一一对应关系，因此，将超表面单元中的电源的偏置电压调节为目标偏置电压，在所述超材料辐射单元上辐射出的电磁波幅度值为目标幅度值。
无人机(UnmannedAerial Vehicle，UAV)：无人机不需要飞行员在机舱内进行驾驶，飞行全过程在电子设备的控制下自动完成。无人机上不用安装任何与飞行员有关的设备。
为了实现基站和用户之间的无线通信，部署基于RHS的无人机作为中继，通过调整其位置、发射功率、以及全息波束成形矩阵，进一步提高通信质量。
假设整个传输过程包含N个时隙，每个时隙由两个阶段组成，在第一阶段，用户向无人机发送信号，无人机接收到信号后，进行解码和重新编码后，在第二阶段，将重新编码的信号发送给基站。
应用此装置，可以提高系统的吞吐量，扩大基站的覆盖范围，使多用户无线通信系统的用户总数据速率最大化。
为最大化系统中的总数据速率，本发明还提供了一种基于前述的无人机中继装置的无线通信优化方法，如图4所示，方法包括:
步骤101，预设功率分配方案和全息波束成形矩阵；功率分配方案为各链路上的发射功率，全息波束成形矩阵包括每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度值。
步骤102，根据功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用非凸优化方法求解无人机的最优位置，具体包括：
构建无人机位置的非凸优化目标函数；
利用拉格朗日变换，将无人机位置的非凸优化目标函数转化为无人机位置的凸优化目标函数；
根据功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用KKT条件对无人机位置的凸优化目标函数进行迭代求解，获得无人机的最优位置。
步骤103，根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案。
具体采用注水算法求解优化后的功率分配方案。
步骤104，根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和本次迭代的总用户数据速率，具体包括：
构建总用户数据速率的非凸目标函数；
将总用户数据速率的非凸目标函数转化为总用户数据速率的凸目标函数；
利用二次规划算法对总用户数据速率的凸目标函数进行求解，获得最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
判断多个有限离散辐射振幅的优化值是否均为整数，获得第一判断结果；
若第一判断结果表示否，则利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值再次进行优化；
若第一判断结果表示是，则输出最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
根据多个有限离散辐射振幅的优化值，利用公式
Figure BDA0003239440730000091
确定每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值；
其中，Mm，n为超材料辐射单元阵列中第m行、第n列的超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值，sm，n为第m行、第n列的超材料辐射单元对应的有限离散辐射振幅的优化值，sm，n∈{0，1，2，...，2I-2，2I-1}，I为控制第m行、第n列的超材料辐射单元的PIN二极管的数量。
(1)首先求得无整数约束下的最优sm，n值和总数据速率和上限
通过引入辅助变量可以将原本的非凸问题改写成凸优化问题，首先求解辅助变量的最优值，并根据该最优值，利用MATLAB中的二次规划算法即可求解出最优的sm，n值和相应的最大总数据速率和记为Rmax，检验最优sm，n值是否都为整数，若是，则结束全息波束成形的优化，反之则进行如下所述的分支定界法优化。
(2)利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值sm，n再次进行优化的具体过程如下：
将每个非整数有限离散辐射振幅的优化值进行分支；
根据每个非整数有限离散辐射振幅的优化值构造两个约束条件为
Figure BDA0003239440730000101
和
Figure BDA0003239440730000102
其中，
Figure BDA0003239440730000103
为非整数有限离散辐射振幅的优化值，
Figure BDA0003239440730000104
为
Figure BDA0003239440730000105
的数值，
Figure BDA0003239440730000106
为不超过
Figure BDA0003239440730000107
的最大整数；
将两个约束条件分别加入总用户数据速率的凸目标函数中，构成两个分支凸目标函数；
利用二次规划算法分别求解两个分支凸目标函数，获得每个分支凸目标函数的最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
选取两个分支凸目标函数的最大总用户数据速率的较大值作为总用户数据速率的上界，将已符合整数条件的分支中的总用户数据速率的最小者作为总用户数据速率的下界；
判断每个分支凸目标函数的最大总用户数据速率是否小于总用户数据速率的下界，获得第二判断结果；
若第二判断结果表示是，则将对应的分支凸目标函数进行剪枝；
若第二判断结果表示否，则当对应的分支凸目标函数的多个有限离散辐射振幅的优化值不均为整数时，将对应的分支凸目标函数的非整数有限离散辐射振幅的优化值进行分支，返回步骤“根据每个非整数有限离散辐射振幅的优化值构造两个约束条件为
Figure BDA0003239440730000108
和
Figure BDA0003239440730000109
”，直至最大总用户数据速率等于总用户数据速率的下界，获得多个整数有限离散辐射振幅的优化值。
分支定界法包括三个主要操作：分支、定界、比较与剪枝，三个主要操作与利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值sm，n再次进行优化的具体过程的对应关系为：
分支：任意选择一个非整数
Figure BDA0003239440730000111
进行分支，记其值为
Figure BDA0003239440730000112
构造两个约束条件：
Figure BDA0003239440730000113
和
Figure BDA0003239440730000114
将这两个约束条件分别加入问题(*),利用MATLAB中的二次规划算法继续求解两个后继优化问题(*1)和(*2)相应最优的sm，n值和相应的最大总数据速率和；
定界：以每个后继问题为一分支并标明求解的结果，与其他后继问题解的结果中，找出总数据速率最大者作为新的上界
Figure BDA0003239440730000115
从已符合整数条件的分支中找出总数据速率最小者作为新的下界R。
比较与剪枝：各分支中的数据速率，若有小于R者则进行剪枝，后续不再考虑，若有大于R者，但不符合整数条件，则继续进行分支操作，一直到最后最大速率和等于R为止，对应的整数Sm，n即为所求。通过Sm，n可以获得Mm，n的值。
为了提高本发明的优化精度，在步骤104之后还包括：
获得本次迭代的总用户数据速率与前一次迭代的总用户数据速率的差值，并判断差值是否小于预设速率阈值，获得第三判断结果。
若第三判断结果表示否，则将全息波束成形矩阵更新为优化后的全息波束成形矩阵，返回步骤“根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案”。
若第三判断结果表示是，则输出无人机的最优位置、优化后的功率分配方案和优化后的全息波束成形矩阵。
参照图5，本发明的优化算法的原理为：1)保持功率分配方案和全息波束成形矩阵不变，优化无人机位置；2)保持无人机位置和全息波束成形矩阵不变，求解功率分配问题；3)保持无人机位置和功率分配方案不变，优化全息波束成形矩阵，并确保该矩阵在可选范围之内；4)重复步骤1)，直到两次相邻的迭代的数据速率的差值小于预设的阈值。
本发明的优点如下：
(1)与传统静态中继相比，无人机中继部署迅速，这使得它更适合紧急情况，如紧急响应和救援行动。此外，无人机中继具有高移动性，可以根据环境动态调整无人机的位置，进而提高通信性能。
(2)相比于传统的碟形天线通过笨重的机械装置控制天线转动从而实现波束控制的方式，且后期维修费用高昂，RHS尺寸小，制造使用PCB技术使其结构紧凑而轻薄，制造成本大大降低，易于直接安装在发射装置上，采用电控制的方式可以达到很好的动态多波束控制效果，因此RHS非常适用于多用户移动通信。
(3)RHS功耗低，硬件成本低：相控阵天线虽然也利用电控制波束方向，但是相控阵依赖于大量的移相器控制每根天线中电磁波的相位，同时还需要大量功率放大器，因此，相控阵天线需要复杂的移相电路，且功率损耗大，硬件成本高。相比之下，RHS则不需要移相器以及复杂的移相电路，利用二极管开关状态即可控制每个辐射单元辐射电磁波能量的不同，即通过调幅的方式就可以完成波束控制，因此用RHS辅助多用户通信功耗低，硬件成本也很低，相对相控阵天线有很大的优势。
本发明还提供了一种无线通信优化系统，系统包括:
预设模块，用于预设功率分配方案和全息波束成形矩阵；功率分配方案为各链路上的发射功率，全息波束成形矩阵包括每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度值；
最优位置求解模块，用于根据功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用非凸优化方法求解无人机的最优位置；
功率分配方案优化模块，用于根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案；
全息波束成形矩阵优化模块，用于根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和总用户数据速率。
最优位置求解模块，具体包括：
非凸优化目标函数构建子模块，用于构建无人机位置的非凸优化目标函数；
凸优化目标函数转化子模块，用于利用拉格朗日变换，将无人机位置的非凸优化目标函数转化为无人机位置的凸优化目标函数；
最优位置获得子模块，用于根据功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用KKT条件对无人机位置的凸优化目标函数进行迭代求解，获得无人机的最优位置。
全息波束成形矩阵优化模块，具体包括：
非凸目标函数构建子模块，用于构建总用户数据速率的非凸目标函数；
凸目标函数转化子模块，用于将总用户数据速率的非凸目标函数转化为总用户数据速率的凸目标函数；
目标函数求解子模块，用于利用二次规划算法对总用户数据速率的凸目标函数进行求解，获得最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
第一判断结果获得子模块，用于判断多个有限离散辐射振幅的优化值是否均为整数，获得第一判断结果；
二次优化子模块，用于若第一判断结果表示否，则利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值再次进行优化；
结果输出子模块，用于若第一判断结果表示是，则输出最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
离散幅度最优值确定子模块，用于根据多个有限离散辐射振幅的优化值，利用公式
Figure BDA0003239440730000131
确定每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值；
其中，Mm，n为超材料辐射单元阵列中第m行、第n列的超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值，Sm，n为第m行、第n列的超材料辐射单元对应的有限离散辐射振幅的优化值，I为控制第m行、第n列的超材料辐射单元的PIN二极管的数量。
二次优化子模块，具体包括：
分支单元，用于将每个非整数有限离散辐射振幅的优化值进行分支；
约束条件构造单元，用于根据每个非整数有限离散辐射振幅的优化值构造两个约束条件为
Figure BDA0003239440730000141
和
Figure BDA0003239440730000142
其中，
Figure BDA0003239440730000143
为非整数有限离散辐射振幅的优化值，
Figure BDA0003239440730000144
为
Figure BDA0003239440730000145
的数值，
Figure BDA0003239440730000146
为不超过
Figure BDA0003239440730000147
的最大整数；
分支凸目标函数构成单元，用于将两个约束条件分别加入总用户数据速率的凸目标函数中，构成两个分支凸目标函数；
分支凸目标函数求解单元，用于利用二次规划算法分别求解两个分支凸目标函数，获得每个分支凸目标函数的最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
上下界确定单元，用于选取两个分支凸目标函数的最大总用户数据速率的较大值作为总用户数据速率的上界，将已符合整数条件的分支中的总用户数据速率的最小者作为总用户数据速率的下界；
第二判断结果获得单元，用于判断每个分支凸目标函数的最大总用户数据速率是否小于总用户数据速率的下界，获得第二判断结果；
剪枝单元，用于若第二判断结果表示是，则将对应的分支凸目标函数进行剪枝；
二次分支单元，用于若第二判断结果表示否，则当对应的分支凸目标函数的多个有限离散辐射振幅的优化值不均为整数时，将对应的分支凸目标函数的非整数有限离散辐射振幅的优化值进行分支，返回步骤“根据每个非整数有限离散辐射振幅的优化值构造两个约束条件为
Figure BDA0003239440730000148
和
Figure BDA0003239440730000149
”，直至最大总用户数据速率等于总用户数据速率的下界，获得多个整数有限离散辐射振幅的优化值。
系统还包括：
第三判断结果获得模块，用于获得本次迭代的总用户数据速率与前一次迭代的总用户数据速率的差值，并判断差值是否小于预设速率阈值，获得第三判断结果；
步骤返回模块，用于若第三判断结果表示否，则将全息波束成形矩阵更新为优化后的全息波束成形矩阵，返回步骤“根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案”；
输出模块，用于若第三判断结果表示是，则输出无人机的最优位置、优化后的功率分配方案和优化后的全息波束成形矩阵。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无人机中继装置，其特征在于，所述装置包括：可重构全息超表面和无人机；
所述无人机搭载可重构全息超表面；
所述可重构全息超表面用于接收用户发送的信号，并将用户发送的信号传输至无人机；
所述无人机用于对用户发送的信号进行解码和重新编码，并将重新编码后的信号传输至可重构全息超表面；
所述可重构全息超表面还用于将重新编码后的信号发送至基站。
2.一种基于如权利要求1所述的无人机中继装置的无线通信优化方法，其特征在于，所述方法包括:
预设功率分配方案和全息波束成形矩阵；所述功率分配方案为各链路上的发射功率，所述全息波束成形矩阵包括每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度值；
根据所述功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用非凸优化方法求解无人机的最优位置；
根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案；
根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和总用户数据速率。
3.根据权利要求2所述的无线通信优化方法，其特征在于，根据所述功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用非凸优化方法求解无人机的最优位置，具体包括：
构建无人机位置的非凸优化目标函数；
利用拉格朗日变换，将所述无人机位置的非凸优化目标函数转化为无人机位置的凸优化目标函数；
根据所述功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用KKT条件对无人机位置的凸优化目标函数进行迭代求解，获得无人机的最优位置。
4.根据权利要求2所述的无线通信优化方法，其特征在于，所述根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和总用户数据速率，具体包括：
构建总用户数据速率的非凸目标函数；
将总用户数据速率的非凸目标函数转化为总用户数据速率的凸目标函数；
利用二次规划算法对总用户数据速率的凸目标函数进行求解，获得最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
判断多个有限离散辐射振幅的优化值是否均为整数，获得第一判断结果；
若所述第一判断结果表示否，则利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值再次进行优化；
若所述第一判断结果表示是，则输出最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
根据多个有限离散辐射振幅的优化值，利用公式
Figure FDA0003239440720000021
确定每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值；
其中，Mm，n为超材料辐射单元阵列中第m行、第n列的超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值，Sm，n为第m行、第n列的超材料辐射单元对应的有限离散辐射振幅的优化值，sm，n∈{0，1，2，...，2I-2，2I-1}，I为控制第m行、第n列的超材料辐射单元的PIN二极管的数量。
5.根据权利要求4所述的无线通信优化方法，其特征在于，所述利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值再次进行优化，具体包括：
将每个非整数有限离散辐射振幅的优化值进行分支；
根据每个非整数有限离散辐射振幅的优化值构造两个约束条件为
Figure FDA0003239440720000022
和
Figure FDA0003239440720000023
其中，
Figure FDA0003239440720000024
为非整数有限离散辐射振幅的优化值，
Figure FDA0003239440720000025
为
Figure FDA0003239440720000026
的数值，
Figure FDA0003239440720000027
为不超过
Figure FDA0003239440720000028
的最大整数；
将两个约束条件分别加入总用户数据速率的凸目标函数中，构成两个分支凸目标函数；
利用二次规划算法分别求解两个分支凸目标函数，获得每个分支凸目标函数的最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
选取两个分支凸目标函数的最大总用户数据速率的较大值作为总用户数据速率的上界，将已符合整数条件的分支中的总用户数据速率的最小者作为总用户数据速率的下界；
判断每个分支凸目标函数的最大总用户数据速率是否小于总用户数据速率的下界，获得第二判断结果；
若所述第二判断结果表示是，则将对应的分支凸目标函数进行剪枝；
若所述第二判断结果表示否，则当对应的分支凸目标函数的多个有限离散辐射振幅的优化值不均为整数时，将对应的分支凸目标函数的非整数有限离散辐射振幅的优化值进行分支，返回步骤“根据每个非整数有限离散辐射振幅的优化值构造两个约束条件为
Figure FDA0003239440720000031
和
Figure FDA0003239440720000032
”，直至最大总用户数据速率等于总用户数据速率的下界，获得多个整数有限离散辐射振幅的优化值。
6.根据权利要求2所述的无线通信优化方法，其特征在于，所述根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和总用户数据速率，之后还包括：
获得本次迭代的总用户数据速率与前一次迭代的总用户数据速率的差值，并判断所述差值是否小于预设速率阈值，获得第三判断结果；
若所述第三判断结果表示否，则将全息波束成形矩阵更新为优化后的全息波束成形矩阵，返回步骤“根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案”；
若所述第三判断结果表示是，则输出无人机的最优位置、优化后的功率分配方案和优化后的全息波束成形矩阵。
7.根据权利要求2所述的无线通信优化方法，其特征在于，所述根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案，具体包括：
根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，利用注水算法求解优化后的功率分配方案。
8.一种无线通信优化系统，其特征在于，所述系统包括：
预设模块，用于预设功率分配方案和全息波束成形矩阵；所述功率分配方案为各链路上的发射功率，所述全息波束成形矩阵包括每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度值；
最优位置求解模块，用于根据所述功率分配方案和全息波束成形矩阵，利用非凸优化方法求解无人机的最优位置；
功率分配方案优化模块，用于根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案；
全息波束成形矩阵优化模块，用于根据无人机的最优位置和优化后的功率分配方案，求解优化后的全息波束成形矩阵和总用户数据速率。
9.根据权利要求8所述的无线通信优化系统，其特征在于，所述全息波束成形矩阵优化模块，具体包括：
非凸目标函数构建子模块，用于构建总用户数据速率的非凸目标函数；
凸目标函数转化子模块，用于将总用户数据速率的非凸目标函数转化为总用户数据速率的凸目标函数；
目标函数求解子模块，用于利用二次规划算法对总用户数据速率的凸目标函数进行求解，获得最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
第一判断结果获得子模块，用于判断多个有限离散辐射振幅的优化值是否均为整数，获得第一判断结果；
二次优化子模块，用于若所述第一判断结果表示否，则利用分支定界法对多个有限离散辐射振幅的优化值再次进行优化；
结果输出子模块，用于若所述第一判断结果表示是，则输出最大总用户数据速率和多个有限离散辐射振幅的优化值；
离散幅度最优值确定子模块，用于根据多个有限离散辐射振幅的优化值，利用公式
Figure FDA0003239440720000041
确定每个超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值；
其中，Mm，n为超材料辐射单元阵列中第m行、第n列的超材料辐射单元辐射电磁波的离散幅度最优值，Sm，n为第m行、第n列的超材料辐射单元对应的有限离散辐射振幅的优化值，I为控制第m行、第n列的超材料辐射单元的PIN二极管的数量。
10.根据权利要求9所述的无线通信优化系统，其特征在于，所述系统还包括：
第三判断结果获得模块，用于获得本次迭代的总用户数据速率与前一次迭代的总用户数据速率的差值，并判断所述差值是否小于预设速率阈值，获得第三判断结果；
步骤返回模块，用于若所述第三判断结果表示否，则将全息波束成形矩阵更新为优化后的全息波束成形矩阵，返回步骤“根据无人机的最优位置和全息波束成形矩阵，求解优化后的功率分配方案”；
输出模块，用于若所述第三判断结果表示是，则输出无人机的最优位置、优化后的功率分配方案和优化后的全息波束成形矩阵。
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