CN114095944B - 一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法 - Google Patents

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CN114095944B CN202111361283.9A CN202111361283A CN114095944B CN 114095944 B CN114095944 B CN 114095944B CN 202111361283 A CN202111361283 A CN 202111361283A CN 114095944 B CN114095944 B CN 114095944B
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Abstract

一种联合空中基站部署与空‑地信息‑能量同传方法，初始化空中基站的候补位置与运动矢量；对于所有空中基站后补位置，计算用户整体满意度和信息能量同传波形参数；计算所有空中基站后补位置的效用函数；根据空中基站后补位置的效用函数，得到候补位置和具有最大效用函数的候补位置；判断是否满足了设定的最大迭代次数，若为是，则输出最佳空中基站位置和信息能量同传波形参数；若为否，则更新空中基站的候补位置与运动矢量，直至结束。实现相同数据用户传输速率和能量用户接收功率需求条件下，本发明能够使得所需基站发送功率降低约6dB，因而有利于降低空中基站的能量开销，延长空中基站的工作时间。

Description

一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法
技术领域
本发明涉及升空移动通信网络中的无线信息与能量传输问题，尤其涉及联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法。
背景技术
随着虚拟现实、增强现实等新兴多媒体业务快速发展，移动通信系统需要满足传统移动用户对更高数据传输速率的需求。同时，移动终端类型和应用模式多样化背景下，利用移动通信网络支持无线传感器、机器人等非传统机器用户的无线能量传输，实现机器用户无线能量补充的思想也开始受到业界关注。
受限于非视线传输引入的路径损耗，现有地面移动通信网络在实现无线信息与无线能量同时传输(即信息-能量同传)时受到较大挑战“T.A.Khan,A.Yazdan andR.W.Heath,Optimization ofPower Transfer Efficiency and Energy Efficiency for Wireless-Powered Systems With Massive MIMO[J].IEEE Transactions on WirelessCommunications,vol.17,no.11,pp.7159-7172,Nov.2018”。基于无人机、无人飞艇等平台的升空无线网具有覆盖范围广、视线(Line-of-Sight，简称LoS)路径传输、部署灵活、费效比高等突出特点，为实现高效无线信息-能量同传提供了一种新的思路。
基于升空无线网实现无线信息-能量同传的关键在于：如何设计空中基站部署位置以及如何优化空-地信息-能量同传波形参数，从而在发送功率约束下最大化信息-能量同传效率。针对上述问题，目前业界主要采用分离式的优化方案，即首先根据用户位置分布确定空中基站位置，如文献“H.El Hammouti,M.Benjillali,B.Shihada and M.Alouini,Learn-As-You-Fly:A DistributedAlgorithm for Joint 3D Placement andUserAssociation in Multi-UAVs Networks[J].IEEE Transactions on WirelessCommunications,vol.18,no.12,pp.5831-5844,Dec.2019”将空中基站部署在用户群水平位置的几何重心(或质心)，以期最小化大尺度衰落的影响；然后，在固定空中基站位置的条件下，对空-地信息-能量同传波形进行优化设计“Y.Xu,X.Xia,K.Xu and Y.Wang,Three-Dimension Massive MIMO for Air-to-Ground Transmission:Location-AssistedPrecoding and Impact ofAoD Uncertainty[J].inIEEEAccess,vol.5,pp.15582-15596,2017”。
关于升空无线网或传统地面无线网中的无线信息与能量传输问题，现阶段已有以下专利成果：
专利号为201911129575.2公开了一种基于无线能量传输的无人机辅助网络中资源分配方法，首先构建由基站，无人机和用户构成的无人机辅助网络场景；然后分别构建用户与无人机，基站和无人机之间的信道模型和信道容量；利用无人机对用户的发射功率，以及基站和无人机间的信道模型，构建满足限制条件的无人机通信能耗模型并求解，在给定时间分配比例和功率分配比例的情况下引入质心概念优化无人机位置，继续在给定无人机位置的情况下优化时间分配比例和功率分配比例，交替优化获得最优解；按无人机最优位置进行无人机部署，按所求的功率和时间分配最优比例对无线资源进行分配。
申请号为202011585200.X公开了一种基于无人机无线能量传输网络的多波束阵列设计方法，包括以下步骤：建立无线能量传输网络的下行信道模型；建立基于用户采集能量最大化的数学模型；建立联合优化无人机三维位置部署、能量波束的低复杂度迭代算法；基于巴特勒矩阵，设计多波束阵列天线。建立了无线能量传输网络的下行信道模型以及基于用户采集能量最大化的数学模型，提出了无人机三维位置部署、能量波束的低复杂度算法以及多波束设计方案，在满足区域内用户覆盖需求的同时，最大化用户采集能量。
专利号为201811141392.8公开了一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，首先设计基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络，然后建立高低混频网络中资源分配问题模型，最后结合最优匹配理论和拉格朗日对偶分解设计联合功率和信道分配的优化算法，网络的覆盖区域包括热点区域和广域覆盖区域，位于广域覆盖区域中的用户只能通过低频带从基站接收信息，位于热点区域中的用户可以通过高频段从基站接收信息，同时通过低频带收集能量，热点区域中的设备采集的能量来自广域覆盖区域中用户的数据信号。
申请号为201910058638.3公开了一种无线能量传输的大规模MIMO系统基于max-min公平的资源分配方法，该方法在考虑能量塔最大发送功率和充电时间约束下，通过控制能量塔向各个用户的传输功率和充电时间，实现系统用户最小速率最大化。本发明建立了无线能量传输的大规模MIMO系统基于max-min公平的资源分配模型，给出了能量塔对每个用户功率分配的闭式解，将原非凸优化问题通过变量替换转化为凸优化问题，通过凸优化问题的最优性方程求解获得最佳的能量充电时间，最后获得系统系统用户速率最小值。
对于升空无线网中的无线信息-能量同传问题，现有研究主要存在以下缺点：
1.多数成果采用分离式优化方法，即对基站位置和无线信息-能量同传波形进行分别优化。但分离式优化方案没有考虑空中基站部署位置与最优信息-能量传输波形之间的关联关系，容易使得方案设计陷入局部最优，难以充分发挥空中基站的灵活部署优势；
2.空-地信息-能量同传过程中，信息传输性能主要受限于多用户干扰，而能量传输性能主要受限于路径损耗，现有基于用户位置分布的空中基站部署和信息-能量同传波形设计忽略了信息传输与能量传输设计之间的差异性，导致空中基站功率资源利用率低，用户满意度难以保证。
针对上述问题，本发明设计了一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法，提升了空中基站发送功率约束下空-地信息-能量同传效率。
发明内容
本发明目的是提供一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法，通过对空中基站位置和信息-能量同传波形进行联合优化设计，解决了现有分离式空中基站部署和信息-能量同传优化方案中存在的功率资源利用率低、用户满意度难以保证等问题。
一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法，包括如下步骤：
步骤1：初始化空中基站的候补位置与运动矢量；
步骤2：对于所有空中基站后补位置，计算用户整体满意度和信息能量同传波形参数；
步骤3：计算所有空中基站后补位置的效用函数；
步骤4：根据空中基站后补位置的效用函数，得到候补位置和具有最大效用函数的候补位置；
步骤5：判断是否满足了设定的最大迭代次数，若为是，则输出最佳空中基站位置和信息能量同传波形参数；若为否，则更新空中基站的候补位置与运动矢量，出现执行步骤2到步骤5，直至结束。
进一步，定义两类用户：数据用户与能量用户，令
Figure BDA0003359080390000051
表示数据用户集合，/>
Figure BDA0003359080390000052
表示能量用户集合；空中基站为数据用户提供下行数据传输，同时为能量用户提供无线能量传输；
数据用户
Figure BDA0003359080390000053
的下行接收信号为
Figure BDA0003359080390000054
其中，xu和xu′分别表示空中基站发送给数据用户u和u′的信息承载信号，hu表示数据用户u与空中基站之间的信道向量，wu和wu′分别表示空中基站分配给数据用户u和u′的波束成形向量，nu为加性高斯白噪声，噪声功率为
Figure BDA00033590803900000514
根据式(1)，数据用户u的下行数据速率γu通过下式计算
Figure BDA0003359080390000055
令s表示空中基站发送的能量承载信号，则能量用户
Figure BDA0003359080390000056
的接收功率pu通过下式计算
Figure BDA0003359080390000057
式中，hu表示能量用户
Figure BDA00033590803900000515
与空中基站之间的信道向量，Q表示能量承载信号s的发送协方差矩阵，即Q＝E[ssH]，E[·]表示统计期望；空中基站的数据承载信号与能量承载信号采用不同频率，不产生相互干扰；
令
Figure BDA0003359080390000058
表示空中基站的允许活动区域，在区域/>
Figure BDA0003359080390000059
内随机产生M个初始空中基站候补位置/>
Figure BDA00033590803900000510
在区域/>
Figure BDA00033590803900000511
内随机产生空中基站候补位置的运动矢量
Figure BDA00033590803900000512
初始化算法公差ε和最大迭代次数/>
Figure BDA00033590803900000513
进一步，第i+1(其中
Figure BDA0003359080390000061
)次迭代中，令/>
Figure BDA0003359080390000062
表示空中基站的第m个候补位置，对于每一个候补位置/>
Figure BDA0003359080390000063
计算基站最大发送功率约束Pmax条件下的最优信息-能量同传波形，并评估用户整体满意度函数/>
Figure BDA0003359080390000064
具体过程如下：
(1)构建用户满意度函数
Figure BDA0003359080390000065
其中，Γu表示数据用户
Figure BDA0003359080390000066
期望实现的下行数据速率，Pu表示能量用户/>
Figure BDA0003359080390000067
期望实现的接收功率；γu表示数据用户/>
Figure BDA00033590803900000615
的实际下行数据速率，其计算式由式(2)给出；pu表示能量用户/>
Figure BDA0003359080390000068
的实际接收功率，其计算式由式(3)给出；对于数据用户，当γu≥Γu时，满意度函数趋于1，否则满意度函数小于1；对于能量用户，当pu≥Pu时，满意度函数趋于1，否则满意度函数小于1；λu为任意正数常数，用于反映用户实现期望速率或期望接收功率的迫切程度；
定义用户整体满意度函数为
Figure BDA0003359080390000069
即所有用户满意度函数的最小值；
(2)传输波形优化
令
Figure BDA00033590803900000610
表示数据用户的整体满意度，/>
Figure BDA00033590803900000611
表示能量用户的整体满意度；初始化/>
Figure BDA00033590803900000612
所处区间/>
Figure BDA00033590803900000613
初始化/>
Figure BDA00033590803900000614
a)令
Figure BDA0003359080390000071
计算数据用户整体满意度达到/>
Figure BDA0003359080390000072
时空中基站需要分配给数据用户的发送功率PI及其最佳波束成形矩阵/>
Figure BDA0003359080390000073
其方法为：
首先构建优化问题：
Figure BDA0003359080390000074
其中
Figure BDA0003359080390000075
由式(4)给出。将问题转化为等价的标准二阶锥规划问题：
Figure BDA0003359080390000076
并利用内点法求解问题最佳目标函数PI与相应的发送波束成形矩阵W；
b)令Pmax为空中基站的最大发送功率，若PI≥Pmax，则令
Figure BDA0003359080390000077
并返回步骤a)；否则，计算空中基站分配给能量用户的发送功率PE，计算方法为PE＝Pmax-PI；
c)计算能量用户的整体满意度
Figure BDA0003359080390000078
和能量承载信号的最佳发送协方差矩阵Q，其计算式为/>
Figure BDA0003359080390000079
Figure BDA00033590803900000710
d)若
Figure BDA0003359080390000081
输出空中基站处在候补位置/>
Figure BDA0003359080390000082
时，信息-能量同传波形参数/>
Figure BDA0003359080390000083
和用户整体满意度/>
Figure BDA0003359080390000084
执行下一步；若/>
Figure BDA0003359080390000085
且/>
Figure BDA0003359080390000086
时，令/>
Figure BDA0003359080390000087
并回到步骤a)；若
Figure BDA0003359080390000088
且/>
Figure BDA0003359080390000089
令/>
Figure BDA00033590803900000810
并回到步骤a)。
进一步，对于每一个空中基站的候补位置
Figure BDA00033590803900000811
定义效用函数
Figure BDA00033590803900000812
作为评价该候补位置的指标，其中
Figure BDA00033590803900000813
表示指示函数，参数ρ取小于-1的任意实数当候补位置/>
Figure BDA00033590803900000814
不在空中基站允许活动区域/>
Figure BDA00033590803900000815
内时，使效用函数取值为负，避免在后续迭代中选择/>
Figure BDA00033590803900000816
作为候补位置。
进一步，令
Figure BDA00033590803900000817
其中/>
Figure BDA00033590803900000818
表示第j+1次迭代中空中基站的第m个候补位置。令/>
Figure BDA00033590803900000819
表示第i+1次迭代中具有最大效用函数的候补位置，根据进化策略，空中基站候补位置及相应运动矢量的更新方法为
Figure BDA00033590803900000820
其中
Figure BDA00033590803900000821
和/>
Figure BDA00033590803900000822
分别表示在第i和第i+1次迭代中空中基站候补位置的运动矢量；在每次迭代中，g1和g2为服从均匀分布的随机正数，参数w为任意正数常数，用于平衡算法的本地搜索与全局搜索。
进一步，若
Figure BDA00033590803900000823
将/>
Figure BDA00033590803900000824
作为新的空中基站候补位置，并回到步骤2开始下一次迭代；
若
Figure BDA0003359080390000091
算法停止，输出/>
Figure BDA0003359080390000092
为最佳空中基站位置，令m#∈{0,1,…,M}表示q#在空中基站M个候补位置中所处的序号，输出相应的/>
Figure BDA0003359080390000093
为最佳能量-信息同传波形参数。/>
附图说明
图1是本发明技术方案的流程图；
图2是本发明技术方案的性能仿真图。
具体实施方式
一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法，包括如下步骤：
步骤1：初始化空中基站的候补位置与运动矢量；
步骤2：对于所有空中基站后补位置，计算用户整体满意度和信息能量同传波形参数；
步骤3：计算所有空中基站后补位置的效用函数；
步骤4：根据空中基站后补位置的效用函数，得到候补位置和具有最大效用函数的候补位置；
步骤5：判断是否满足了设定的最大迭代次数，若为是，则输出最佳空中基站位置和信息能量同传波形参数；若为否，则更新空中基站的候补位置与运动矢量，出现执行步骤2到步骤5，直至结束。
定义两类用户：数据用户与能量用户，令
Figure BDA0003359080390000101
表示数据用户集合，/>
Figure BDA0003359080390000102
表示能量用户集合；空中基站为数据用户提供下行数据传输，同时为能量用户提供无线能量传输；
数据用户
Figure BDA0003359080390000103
的下行接收信号为
Figure BDA0003359080390000104
其中，xu和xu′分别表示空中基站发送给数据用户u和u′的信息承载信号，hu表示数据用户u与空中基站之间的信道向量，wu和wu′分别表示空中基站分配给数据用户u和u′的波束成形向量，nu为加性高斯白噪声，噪声功率为
Figure BDA0003359080390000105
根据式(1)，数据用户u的下行数据速率γu通过下式计算
Figure BDA0003359080390000106
令s表示空中基站发送的能量承载信号，则能量用户
Figure BDA0003359080390000107
的接收功率pu通过下式计算
Figure BDA0003359080390000108
式中，hu表示能量用户
Figure BDA0003359080390000109
与空中基站之间的信道向量，Q表示能量承载信号s的发送协方差矩阵，即Q＝E[ssH]，E[·]表示统计期望；空中基站的数据承载信号与能量承载信号采用不同频率，不产生相互干扰；
令
Figure BDA00033590803900001010
表示空中基站的允许活动区域，在区域/>
Figure BDA00033590803900001011
内随机产生M个初始空中基站候补位置/>
Figure BDA00033590803900001012
在区域/>
Figure BDA00033590803900001015
内随机产生空中基站候补位置的运动矢量/>
Figure BDA00033590803900001013
初始化算法公差ε和最大迭代次数/>
Figure BDA00033590803900001014
第i+1(其中
Figure BDA0003359080390000111
)次迭代中，令/>
Figure BDA0003359080390000112
表示空中基站的第m个候补位置，对于每一个候补位置/>
Figure BDA0003359080390000113
计算基站最大发送功率约束Pmax条件下的最优信息-能量同传波形，并评估用户整体满意度函数/>
Figure BDA0003359080390000114
具体过程如下：
(1)构建用户满意度函数
Figure BDA0003359080390000115
其中，Γu表示数据用户
Figure BDA0003359080390000116
期望实现的下行数据速率，Pu表示能量用户/>
Figure BDA0003359080390000117
期望实现的接收功率；γu表示数据用户/>
Figure BDA0003359080390000118
的实际下行数据速率，其计算式由式(2)给出；pu表示能量用户/>
Figure BDA0003359080390000119
的实际接收功率，其计算式由式(3)给出；对于数据用户，当γu≥Γu时，满意度函数趋于1，否则满意度函数小于1；对于能量用户，当pu≥Pu时，满意度函数趋于1，否则满意度函数小于1；λu为任意正数常数，其取值用于反映用户实现期望速率或期望接收功率的迫切程度。例如，若λu足够大时，只要γu＜Γu或pu＜Pu，用户满意度函数/>
Figure BDA00033590803900001110
就会大幅下降，即用户对实现期望速率或期望接收功率有高迫切度。反之，当λu减小，用户对实现期望速率或期望接收功率的迫切度下降。
定义用户整体满意度函数为
Figure BDA00033590803900001111
即所有用户满意度函数的最小值；
(2)传输波形优化
令
Figure BDA00033590803900001112
表示数据用户的整体满意度，/>
Figure BDA00033590803900001113
表示能量用户的整体满意度；初始化/>
Figure BDA00033590803900001114
所处区间/>
Figure BDA00033590803900001115
初始化/>
Figure BDA00033590803900001116
a)令
Figure BDA0003359080390000121
计算数据用户整体满意度达到/>
Figure BDA0003359080390000122
时空中基站需要分配给数据用户的发送功率PI及其最佳波束成形矩阵/>
Figure BDA0003359080390000123
其方法为：
首先构建优化问题：
Figure BDA0003359080390000124
其中
Figure BDA0003359080390000125
由式(4)给出。将问题转化为等价的标准二阶锥规划问题：/>
Figure BDA0003359080390000126
并利用内点法求解问题最佳目标函数PI与相应的发送波束成形矩阵W；
b)令Pmax为空中基站的最大发送功率，若PI≥Pmax，则令
Figure BDA0003359080390000127
并返回步骤a)；否则，计算空中基站分配给能量用户的发送功率PE，计算方法为PE＝Pmax-PI；
c)计算能量用户的整体满意度
Figure BDA0003359080390000128
和能量承载信号的最佳发送协方差矩阵Q，其计算式为
Figure BDA0003359080390000129
Figure BDA00033590803900001210
d)若
Figure BDA0003359080390000131
输出空中基站处在候补位置/>
Figure BDA0003359080390000132
时，信息-能量同传波形参数/>
Figure BDA0003359080390000133
和用户整体满意度/>
Figure BDA0003359080390000134
执行下一步；若/>
Figure BDA0003359080390000135
且/>
Figure BDA0003359080390000136
时，令/>
Figure BDA0003359080390000137
并回到步骤a)；若
Figure BDA0003359080390000138
且/>
Figure BDA0003359080390000139
令/>
Figure BDA00033590803900001310
并回到步骤a)。
进一步，对于每一个空中基站的候补位置
Figure BDA00033590803900001311
定义效用函数
Figure BDA00033590803900001312
作为评价该候补位置的指标，其中
Figure BDA00033590803900001313
表示指示函数，参数ρ取小于-1的任意实数当候补位置/>
Figure BDA00033590803900001314
不在空中基站允许活动区域/>
Figure BDA00033590803900001315
内时，使效用函数取值为负，避免在后续迭代中选择/>
Figure BDA00033590803900001316
作为候补位置。
令
Figure BDA00033590803900001317
其中/>
Figure BDA00033590803900001318
表示第j+1次迭代中空中基站的第m个候补位置。令/>
Figure BDA00033590803900001319
表示第i+1次迭代中具有最大效用函数的候补位置，根据进化策略，空中基站候补位置及相应运动矢量的更新方法为/>
Figure BDA00033590803900001320
其中
Figure BDA00033590803900001321
和/>
Figure BDA00033590803900001322
分别表示在第i和第i+1次迭代中空中基站候补位置的运动矢量；在每次迭代中，g1和g2为服从均匀分布的随机正数，参数w为任意正数常数，用于平衡算法的本地搜索与全局搜索。
若
Figure BDA00033590803900001323
将/>
Figure BDA00033590803900001324
作为新的空中基站候补位置，并回到步骤2开始下一次迭代；
若
Figure BDA0003359080390000141
算法停止，输出/>
Figure BDA0003359080390000142
为最佳空中基站位置，令m#∈{0,1,…,M}表示q#在空中基站M个候补位置中所处的序号，输出相应的/>
Figure BDA0003359080390000143
为最佳能量-信息同传波形参数。
实施例1：
空中基站飞行高度为250米，配备16×16均匀矩形天线阵列。数据用户个数为15，能量用户个数为6，所有用户的水平位置随机分布于1km×1km的矩形区域内。噪声功率为
Figure BDA0003359080390000144
满意度函数式(4)中，参数λu取值为5。空中基站候补位置的效用函数式(9)中，参数ρ的取值为-300。空中基站位置更新策略式(10)中，参数w初始取值为1.4，在随后的每次迭代中根据w←max{0.95w,0.25}规则进行更新，参数g1和g2服从区间[0,2]范围内的均匀分布。算法每次迭代中，空中基站候补位置的个数设置为M＝8。
本发明的实施流程如图1所示，具体实施环节与步骤1-5一致。图2给出了采用联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法后的用户整体满意度(即所有用户满意度的最小值)，并与现有参考方案进行了对比。该参考方案采用分离式优化方法，其中空中基站的水平位置设计为所有用户水平位置的几何重心，数据传输和能量传输分别采用迫零预编码和最大比发送预编码。当所有数据用户达到期望数据速率Γu且所有能量用户达到期望接收功率Pu时，用户整体满意度达到1。如图2所示，为使得用户整体满意度达到1，所提方案所需的空中基站最大发送功率比参考方案低约6dB。

Claims (2)

1.一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：初始化空中基站的候补位置与运动矢量；
包括如下过程：
定义两类用户：数据用户与能量用户，令
Figure FDA0004167775470000011
表示数据用户集合，/>
Figure FDA0004167775470000012
表示能量用户集合；空中基站为数据用户提供下行数据传输，同时为能量用户提供无线能量传输；
数据用户
Figure FDA0004167775470000013
的下行接收信号为
Figure FDA0004167775470000014
其中，xu和xu′分别表示空中基站发送给数据用户u和u′的信息承载信号，hu表示数据用户u与空中基站之间的信道向量，wu和wu′分别表示空中基站分配给数据用户u和u′的波束成形向量，nu为加性高斯白噪声，噪声功率为
Figure FDA0004167775470000015
根据式(1)，数据用户u的下行数据速率γu通过下式计算
Figure FDA0004167775470000016
令s表示空中基站发送的能量承载信号，则能量用户
Figure FDA0004167775470000017
的接收功率pu通过下式计算
Figure FDA0004167775470000018
式中，hu表示能量用户
Figure FDA0004167775470000019
与空中基站之间的信道向量，Q表示能量承载信号s的发送协方差矩阵，即Q＝E[ssH]，E[·]表示统计期望；空中基站的数据承载信号与能量承载信号采用不同频率，不产生相互干扰；
令
Figure FDA0004167775470000021
表示空中基站的允许活动区域，在区域/>
Figure FDA0004167775470000022
内随机产生M个初始空中基站候补位置
Figure FDA0004167775470000023
m＝1,…,M，在区域/>
Figure FDA0004167775470000024
内随机产生空中基站候补位置的运动矢量
Figure FDA0004167775470000025
m＝1,…,M；初始化算法公差ε和最大迭代次数/>
Figure FDA0004167775470000026
步骤2：对于所有空中基站候补位置，计算用户整体满意度和信息能量同传波形参数；
包括如下过程：
第i+1次迭代中，令
Figure FDA0004167775470000027
表示空中基站的第m个候补位置，对于每一个候补位置/>
Figure FDA0004167775470000028
其中
Figure FDA00041677754700000216
m＝1,…,M，计算基站最大发送功率约束Pmax条件下的最优信息-能量同传波形，并评估用户整体满意度函数/>
Figure FDA0004167775470000029
具体过程如下：
(1)构建用户满意度函数
Figure FDA00041677754700000210
/>
其中，Γu表示数据用户
Figure FDA00041677754700000211
期望实现的下行数据速率，Pu表示能量用户/>
Figure FDA00041677754700000212
期望实现的接收功率；γu表示数据用户/>
Figure FDA00041677754700000213
的实际下行数据速率，其计算式由式(2)给出；pu表示能量用户/>
Figure FDA00041677754700000214
的实际接收功率，其计算式由式(3)给出；对于数据用户，当γu≥Γu时，满意度函数趋于1，否则满意度函数小于1；对于能量用户，当pu≥Pu时，满意度函数趋于1，否则满意度函数小于1；λu为任意正数常数，用于反映用户实现期望速率或期望接收功率的迫切程度；
定义用户整体满意度函数为
Figure FDA00041677754700000215
即所有用户满意度函数的最小值；
(2)传输波形优化
令
Figure FDA0004167775470000031
表示数据用户的整体满意度，/>
Figure FDA0004167775470000032
表示能量用户的整体满意度；初始化/>
Figure FDA0004167775470000033
所处区间/>
Figure FDA0004167775470000034
初始化/>
Figure FDA0004167775470000035
a)令
Figure FDA0004167775470000036
计算数据用户整体满意度达到/>
Figure FDA0004167775470000037
时空中基站需要分配给数据用户的发送功率PI及其最佳波束成形矩阵/>
Figure FDA0004167775470000038
其方法为：
首先构建优化问题：
Figure FDA0004167775470000039
其中
Figure FDA00041677754700000310
由式(4)给出；将问题转化为等价的标准二阶锥规划问题：
Figure FDA00041677754700000311
并利用内点法求解问题最佳目标函数PI与相应的发送波束成形矩阵W；
b)令Pmax为空中基站的最大发送功率，若PI≥Pmax，则令
Figure FDA00041677754700000312
并返回步骤a)；否则，计算空中基站分配给能量用户的发送功率PE，计算方法为PE＝Pmax-PI；
c)计算能量用户的整体满意度
Figure FDA00041677754700000313
和能量承载信号的最佳发送协方差矩阵Q，其计算式为
Figure FDA00041677754700000314
/>
Figure FDA0004167775470000041
d)若
Figure FDA0004167775470000042
输出空中基站处在候补位置/>
Figure FDA0004167775470000043
时，信息-能量同传波形参数/>
Figure FDA0004167775470000044
和用户整体满意度/>
Figure FDA0004167775470000045
执行下一步；若
Figure FDA0004167775470000046
且/>
Figure FDA0004167775470000047
时，令/>
Figure FDA0004167775470000048
并回到步骤a)；若
Figure FDA0004167775470000049
且/>
Figure FDA00041677754700000410
令/>
Figure FDA00041677754700000411
并回到步骤a)；
步骤3：计算所有空中基站候补位置的效用函数；
包括如下过程：
对于每一个空中基站的候补位置
Figure FDA00041677754700000412
m＝1,…,M，定义效用函数
Figure FDA00041677754700000413
作为评价该候补位置的指标，其中
Figure FDA00041677754700000414
表示指示函数，参数ρ取小于-1的任意实数当候补位置/>
Figure FDA00041677754700000415
不在空中基站允许活动区域/>
Figure FDA00041677754700000416
内时，使效用函数取值为负，避免在后续迭代中选择/>
Figure FDA00041677754700000417
作为候补位置；
步骤4：根据空中基站候补位置的效用函数，得到候补位置和具有最大效用函数的候补位置；
包括如下过程：
令
Figure FDA00041677754700000418
其中/>
Figure FDA00041677754700000419
表示第j+1次迭代中空中基站的第m个候补位置；令
Figure FDA00041677754700000420
表示第i+1次迭代中具有最大效用函数的候补位置，根据进化策略，空中基站候补位置的更新方法为
Figure FDA0004167775470000051
其中
Figure FDA0004167775470000052
和/>
Figure FDA0004167775470000053
分别表示在第i和第i+1次迭代中空中基站候补位置的运动矢量；在每次迭代中，g1和g2为服从均匀分布的随机正数，参数w为任意正数常数，用于平衡算法的本地搜索与全局搜索；
步骤5：判断是否满足了设定的最大迭代次数，若为是，则输出最佳空中基站位置和信息能量同传波形参数；若为否，则更新空中基站的候补位置与运动矢量，重复执行步骤2到步骤5，直至结束。
2.根据权利要求1所述的一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法，其特征在于上述步骤5包括如下过程：
若
Figure FDA0004167775470000054
将/>
Figure FDA0004167775470000055
作为新的空中基站候补位置，并回到步骤2开始下一次迭代；其中m＝1,…,M；若/>
Figure FDA0004167775470000056
算法停止，输出/>
Figure FDA0004167775470000057
为最佳空中基站位置，令m#∈{0,1,…,M}表示q#在空中基站M个候补位置中所处的序号，输出相应的/>
Figure FDA0004167775470000058
Figure FDA0004167775470000059
为最佳能量-信息同传波形参数。/>
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