CN114285461B - 一种移动中继辅助的高速宽带mimo传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动中继辅助的宽带高速MIMO(多入多出，Multiple Input Multiple Output)高速传输的方法，包括：用户发出高速通信请求，地面控制中心接收多个用户请求后，派出多天线的自主移动设备作为中继来协助地面基站提供面向多用户的高速通信服务；根据用户信息建立MIMO通信链路，构建通信信道模型并计算可达速率表达式；建立波束赋性策略优化问题，确定最优的波束方向和资源分配方案；建立基于MIMO自主移动主机辅助的动力学模型以及避障策略，并在此基础上构建MIMO自主移动中继动态轨迹优化问题，确定最优的服务用户行动轨迹；建立联合波束赋形和轨迹优化算法，反复迭代直到输出的系统吞吐量达到设定的稳定值，确定最优的面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方案。

Description

一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法

技术领域

本发明涉及高速宽带MIMO无线通信技术领域，特别是涉及一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法。

背景技术

随着通信技术的不断发展，用户对通信质量和通信速率不断提出新要求。然而，目前的无线通信系统的通信能力仍然不能满足5G乃至6G对泛在连通性和广泛覆盖的要求。为了进一步解决地面基站覆盖范围有限，提供服务不灵活快捷的问题为，一种有效的解决方案是将自主无人设备与现有通信架构相结合。通自主无人设备的移动性和灵活性可以通过动态调整自身位置来创造更好的信道条件以提高系统的通信容量。

在现有的无线通信架构中，中继通常采用固定节点的方式来提升链路可靠性，难以满足如今高速变化业务的需求，尤其是像医疗、救援等紧急通信场景。此外，在远离基站或者中继节点的范围内，将会产生通信延迟、覆盖空洞甚至通信中断。因此传统通信方法难以满足未来对高可靠、低延时以及宽带超高速通信的需求，需要寻找新技术来进一步提升无线通信系统的速率和覆盖范围。

目前，现有基于静态中继的通信系统存在以下不足：

1、布置位置有限，无法提供灵活、易部署的服务；

2、布置位置固定，当出现损坏时，难以快速重新调整链路连接实现无缝覆盖；

3、当用户离中继端较远时，由于较大的传输延时和损耗，服务质量难以保证；

4、需要高昂的安装成本以及维护开销，总体来看成本效益比较低；

5、当用户位置改变或者信道状态变化时，无法实现自适应通信策略调整，无法以最优的方式为用户提供服务；

6、没有考虑基于多天线自主移动中继辅助的无线通信方法。通过同时服务多个用户，来获取MIMO技术的复用增益，以更高的效率提升传输速率和覆盖范围。

总的来说，现有的静态中继通信系统存在布置范围有限、成本效益低、无法自适应提供广域高速通信服务并且存在覆盖空洞和通信中断现象。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，以解决传统地面基站覆盖范围受限，增大传统通信系统的传输速率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，该方法针对宽带高速MIMO通信系统下广域覆盖场景(但不局限于该场景)，基于自主移动中继(例如无人机、无人车等)作为中继辅助地面基站实现高速可靠、广域覆盖的通信需求，可以通过地面控制中心发送控制信令，灵活快速部署自主移动中继，建立基站(Base Station，BS)到自主移动中继以及自主移动中继到用户之间的无线通信链路。

包括如下步骤：

步骤S1、用户向中心控制站发送通信需求指令，所述中心控制站接收所述通信需求指令，并收集用户的相关信息；

步骤S2、根据步骤S1中的多用户信息，派遣多天线自主移动设备，将其作为地面基站的中继端向多用户提供MIMO高速通信服务；

步骤S3、计算MIMO通信信道，建立基于多天线自主移动中继辅助的MIMO无线通信系统的信道模型，随后构建地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到多用户的基于MIMO技术的无线信号传输模型以及可达速率；

步骤S4、根据S1得到的多用户信息以及S3得到的无线信号传输模型，建立面向多天线多用户的波束赋形策略优化问题，然后对该波束赋形优化问题的目标函数进行处理后，采用MIMO系统波束赋形优化算法迭代求解，得到最优的基站波束赋形向量和传输功率、自主移动基站波束赋形向量以及传输功率，最终迭代求解优化问题确定最优的波束方向以及传输功率；

步骤S5、建立基于面向MIMO高速通信的多天线自主移动中继的动力学模型以及安全避障模型。在动力学模型上建立移动中继轨迹优化问题，并将轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用自主移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得到自主移动中继的最优轨迹；

步骤S6、建立联合MIMO系统波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S4中的MIMO系统波束赋形优化算法和步骤S5中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含MIMO系统波束赋性策略和多天线自主移动中继轨迹设计的最优的面向MIMO通信系统的自主移动中继辅助的无线通信系统高速传输方法，并根据该方法向用户持续提供通信服务。

进一步的，所述用户的相关信息包括：用户数量，用户分布以及当前时刻坐标，通信需求指标，通信服务类型，以及通信时长。

进一步的，所述步骤S1具体包括：

步骤S101、用户向地面控制中心请求高速通信服务，并上传自己通信指标以及需求信息；

步骤S102、地面控制中心收到用户的通信需求后，通过全球定位系统或者数据中心获取该用户的相关信息的相关信息。

进一步的，所述步骤S2具体包括：

步骤S201、地面控制中心根据收集到的用户信息，选择最匹配的多天线自主移动设备；

步骤S202、将自主移动设备与地面基站建立信息交互，将自主移动设备作为地面基站中继端准备前传基站数据；

进一步的，所述步骤S3具体包括：

步骤S301、首先建立三维卡迪尔坐标系，包括用以表示地面坐标的横轴x，纵轴y，以及海拔高度z轴。地面基站假设位于原点，坐标表示为w_b＝[0,0,h_b]，其中h_b表示地面基站的天线高度。同时根据用户信息，在坐标系上构建映射用户对应坐标。假设一共有M个用户，且用户在过程中保持静止，第m个用户坐标可以表示为q_s,m＝(x_s，m,y_s,m,h_s,m)，其中，x_s,m，y_s,m和h_s,m分别表示第m个用户的横坐标，纵坐标以及海拔高度。

步骤S302、采用时间范围离散化的方法，将整个自主移动中继任务时间长度T离散成为N个等间隔的时隙，时隙长度为δ_t，即T＝Nδ_t。当δ_t取足够小时，所述的多天线移动中继在每一个时隙中即可视为位置恒定。因此，所述自主移动中继的轨迹即可近似为N个长度的序列其中，x_u[n]，y_u[n]和h_u[n]分别表示第n个时隙下自主移动中继的横坐标，纵坐标以及海拔高度。

步骤S303、基于步骤S301得到的用户坐标，建立所述面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输系统的天线阵列响应。根据用户信息，计算得到基站到移动中继以及移动中继到用户m的天线阵列响应，

其中b为天线单元间距，θ_bu[n]，和θ_u,m[n]分别表示多天线基站到多天线自主移动中继的到达角、离开角以及多天线自主移动中继到用户m的离开角。N_b,N_u分别表示基站和自主移动中继的天线数量。

步骤S304、计算时隙为n时，地面基站到自主移动中继的通信链路距离以及自主移动中继到用户m的通信链路距离/>

步骤S305、基于步骤S304得到的通信链路距离，建立所述面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输系统的通信信道。具体是以常用的两径信道为例，考虑直达信号和通过地面反射的信号，建立包括距离相关的大尺度以及天线阵列响应的复合两径信道模型。接着根据基于第n个时隙的通信链路距离，分别计算第n个时隙下的地面基站到自主移动中继的信道h_bu，以及自主移动中继到用户m的信道h_us,m，表达式为：

其中λ为载波波长，h_b，h_u和h_s,m分别表示基站、自主移动中继和用户m的天线高度；

步骤S306、基于步骤S305得到的复合信道模型，构建所述地面基站到多天线自主移动中继以及自主移动中继到多用户的信号传输模型，具体包括：根据步骤S303、步骤S304和步骤S305获得的天线阵列响应、通信链路距离以及传输模型，地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率分别表示为：

其中，R_bu[n]表示为地面基站到自主移动中继在时隙n的信号传输速率，H_bu[n]表示在时隙n时，地面基站到多天线自主移动中继的信道，d≤N_b表示传输流数，j表示数据流的序号w_bu,j[n]表示应用于第j个流的波束赋形向量，σ²表示传输噪声。R_us,m[n]表示为多天线自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率，h_s,m[n]表示在时隙n时，自主移动中继到用户m的信道，w_s，m[n]表示为m用户发送信息加的波束赋形向量，分母中表示其他用户产生的干扰。

步骤S307、在步骤S306中得到的信号传输速率由于两径信道的存在，表达式非常复杂。因此我们采用两径信道近似方法简化。具体包括：利用两径信道近似方法简化骤S306中得到的信号传输速率，得到地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的近似信号传输速率表达式：

其中

进一步的，所述步骤S4具体包括：

步骤S401、建立波束赋形策略优化问题，具体包括：

首先，建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；

然后，建立相关的波束赋形策略优化的约束条件，包括：

地面基站的传输功率小于最大传输基站功率的约束；

自主移动中继传输总功率小于最大中继功率的约束；

回传约束，即自主移动中继向用户发送的总速率不能超过基站向自主移动中继的速率；

用户需求约束，即为用户提供的通信服务需要满足用户提前设定的指标；

步骤S402、将S401建立的波束赋形策略优化问题转化为易于处理的形式，具体包括：

处理非凸的目标函数R_sum，引入辅助变量替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束γ_m≤R_s,m，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式，重新建立波束赋形策略优化问题。然后引入半正定矩阵/> 同时利用半正定松弛进一步处理优化问题；

步骤S403、加载波束赋形策略优化算法，具体包括：

首先，输入相关参数，自主移动中继设定的轨迹以及初始设定的预编码向量；

然后，利用内点法求解步骤S402转化后的波束赋形策略优化问题，得到N个时隙下最优的最优基站波束赋形向量自主移动中继传输功率/>

最后，利用特征值分解，得到最终的波束赋形向量

进一步的，所述步骤S5具体包括：

步骤S501、首先建立所述自主移动中继辅助的无线系统的动力学模型，具体包括：运动约束和偏转约束，所述运动约束为V_min[n]≤V_u[n]≤V_max[n]，其中，V_u表示自主移动中继的实际运动速度，V_min表示自主移动中继的最小失速速度，V_max表示自主移动中继的最大速度；所述偏转约束为其中，/>表示为最大偏转角，/>表示为转向角；

步骤S502、建立安全避障模型，具体包括：以及/>其中，q_u[n]，q_s,m[n]和w_o分别表示第n个时隙下自主移动中继和用户的二维坐标以及障碍物的二维坐标，/>和/>分别表示障碍物和用户之间最小安全距离；

步骤S503、建立面向宽带高速MIMO通信系统的移动中继的轨迹优化问题，具体包括：建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；综合考虑运动约束、安全航行约束，建立自主移动中继轨迹设计优化问题；

步骤S504、将自主移动中继轨迹设计优化问题转化为易于求解的形式，具体包括：

首先，处理非凸的目标函数引入辅助变量/>替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束γ_m≤R_s,m，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式；

然后，同样采用一阶泰勒展开对步骤S502中建立的运动约束和偏转约束，以及步骤S503中建立的用户之间避免碰撞约束进行近似处理为易于求解的凸形式。

进一步的，所述步骤S6具体包括：

步骤S601、建立联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：设定初始波束赋形策略优化参数以及自主移动中继的初始轨迹，建立循环加载步骤S3中波束赋形策略优化算法和步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的联合算法框架；

步骤S602、求解联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：

首先，将设定的初始波束赋形策略优化参数以及自主移动中继初始轨迹作为算法输入量，利用步骤S3中设计的波束赋形策略优化算法求解第一次迭代下的最优波束赋形策略优化策略；

然后，将第一次迭代下的最优波束赋形策略优化策略作为步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的输入参数，求解出的最优自主移动中继轨迹，并将轨迹其作为步骤S3中设计的波束赋形策略优化算法输入量；

紧接着，循环迭代加载步骤S3中波束赋形策略优化算法和步骤S4中自主移动中继轨迹优化算法，直到算法求解得到的系统吞吐量稳定，输出最终迭代得到的波束赋形策略优化策略和自主移动中继轨迹；

步骤S603、根据步骤S502得到的最优结果设计最优的一种移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方法。

进一步的，多天线自主移动中继按如下的方式为多用户提供通信服务：

步骤S701、用户向中心控制站发送通信需求指令，所述中心控制站接收所述通信需求指令，并收集用户的相关信息；

步骤S702、自主移动中继作为中继，建立基站-自主移动中继-用户的通信链路，为用户提供高速通信服务；计算无线通信信道，建立多天线移动中继辅助的信道模型，随后基于信道模型建立基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型以及传输速率；

步骤S703、建立波束赋形策略优化问题以及波束赋形策略优化优化算法，确定最优的波束赋形策略优化方案；

步骤S704、建立自主移动中继的运动模型和安全避障模型，建立自主移动中继轨迹设计优化问题以及自主移动中继轨迹设计优化算法，确定最优的波束赋形策略优化方案；

步骤S705、建立联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S3中波束赋形策略优化算法和步骤S4中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含波束赋形策略优化和自主移。

进一步的，所述一种移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方法适用于无线异构网络，移动用户场景，多天线通信，信息无线采集网络，远距离高速通信，应急通信。

本发明的有益效果是：

本发明将MIMO技术与自主移动设备相结合，通过MIMO的复用增益以及自主移动设备的高速移动和灵活部署特性，辅助地面基站向用户提供宽带高速通信服务。自主移动设备作为基站的中继设备，能够根据用户以及周围环境信息，自适应调整轨迹和通信策略，设计联合波束赋形策略优化和轨迹规划的宽带高速MIMO传输方法。在设计波束赋形策略优化和轨迹规划时，系统会根据多用户通信需求、目标通信速率以及设定阈值，不断优化设计，从而增大MIMO通信系统的吞吐量。

附图说明

图1为本实施例1中提供的一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法的应用场景图。

图2为本实施例1中提供的一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

实施例1

参见图1-图2，本实施例提供一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，以应用到海上远距离无线通信为例介绍本方法，具体如图1所示，地面上存在一个天线数量为N_b的基站以及一个用于控制指令的地面控制中心，远离基站的地区中有M个单天线静止用户。为了满足多用户的宽带高速无线通信需求，控制中心派遣天线数量为N_u自主移动设备作为移动中继来协助基站完成高速通信任务。

图2为本发明的实施流程示意图，具体的实施步骤为：

步骤1、用户向控制中心发送通信需求，所述控制中心接收所述多用户通信需求后，开始收集并整理多用户的相关信息：用户信息、通信服务的类型π_s，m、请求时间t_s，m、通信需求数据量Γ_s，m、以及历史运动轨迹d_s，m；其中，用户信息包括：天线高度h_s，m，最大功率用户坐标q_s，m。

中心控制站收集用户的相关信息采用了如下步骤：

步骤101、用户根据自身的坐标和所处的地区，选择最近的中心控制站发送自身相关信息和通信需求；

步骤102、地面控制中心接收到需求指令后，借助数据中心或者全球定位系统获取用户的实时信息，包括用户的坐标q_s，m、天线高度h_s，m等参数。

步骤2、根据步骤1中的相关信息，地面控制派遣无人设备协助用户通信；

建立信道模型的相关信息采用了如下步骤：

步骤201、地面控制中心根据收集到的用户信息，选择最匹配的多天线自主移动设备。

步骤202、将自主移动设备与地面基站建立信息交互，将自主移动设备作为地面基站中继端准备前传基站数据。

步骤3、根据步骤1中的相关信息，例如实时的用户坐标q_s，m等，计算无线通信信道，建立多天线移动中继辅助的信道模型。构建地面基站到自主移动设备以及自主移动设备到用户之间的信道模型和速率表达式采用了如下步骤：

步骤301、首先建立三维卡迪尔坐标系，包括用以表示地面坐标的横轴x，纵轴y，以及海拔高度z轴。地面基站假设位于原点，坐标表示为w_b＝[0，0，h_b]，其中h_b表示地面基站的天线高度。同时根据用户信息，在坐标系上构建映射用户对应坐标。假设一共有M个用户，且用户在过程中保持静止，第m个用户坐标可以表示为q_s，m＝(x_s，m，y_s，m，h_s，m)，其中，x_s，m，y_s，m和h_s，m分别表示第m个用户的横坐标，纵坐标以及海拔高度。

步骤302、采用时间范围离散化的方法，将整个自主移动中继任务时间长度T离散成为N个等间隔的时隙，时隙长度为δ_t，即T＝Nδ_t。当δ_t取足够小时，所述的多天线移动中继在每一个时隙中即可视为位置恒定。因此，所述自主移动中继的轨迹即可近似为N个长度的序列其中，x_u[n]，y_u[n]和h_u[n]分别表示第n个时隙下自主移动中继的横坐标，纵坐标以及海拔高度。

步骤303、基于步骤S301得到的用户坐标，建立所述面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输系统的天线阵列响应。根据用户信息，计算得到基站到移动中继以及移动中继到用户m的天线阵列响应，

其中b为天线单元间距，θ_bu[n]，和θ_u，m[n]分别表示多天线基站到多天线自主移动中继的到达角、离开角以及多天线自主移动中继到用户m的离开角。N_b，N_u分别表示基站和自主移动中继的天线数量。

步骤304、计算时隙为n时，地面基站到自主移动中继的通信链路距离以及自主移动中继到用户m的通信链路距离/>

步骤305、基于步骤304得到的通信链路距离，建立所述面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输系统的通信信道。具体是以常用的两径信道为例，考虑直达信号和通过地面反射的信号，建立包括距离相关的大尺度以及天线阵列响应的复合两径信道模型。接着根据基于第n个时隙的通信链路距离，分别计算第n个时隙下的地面基站到自主移动中继的信道h_bu，以及自主移动中继到用户m的信道h_us，m，表达式为：

其中λ为载波波长，h_b，h_u和h_s，m分别表示基站、自主移动中继和用户m的天线高度；

步骤306、基于步骤305得到的复合信道模型，构建所述地面基站到多天线自主移动中继以及自主移动中继到多用户的信号传输模型，具体包括：根据步骤303、步骤304和步骤305获得的天线阵列响应、通信链路距离以及传输模型，地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率分别表示为：

其中，R_bu[n]表示为地面基站到自主移动中继在时隙n的信号传输速率，H_bu[n]表示在时隙n时，地面基站到多天线自主移动中继的信道，d≤N_b表示传输流数，j表示数据流的序号w_bu,j[n]表示应用于第j个流的波束赋形向量，σ²表示传输噪声。R_us,m[n]表示为多天线自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率，h_s,m[n]表示在时隙n时，自主移动中继到用户m的信道，w_s，m[n]表示为m用户发送信息加的波束赋形向量，分母中表示其他用户产生的干扰。

步骤307、在步骤306中得到的信号传输速率由于两径信道的存在，表达式非常复杂。因此我们采用两径信道近似方法简化。具体包括：利用两径信道近似方法简化骤S306中得到的信号传输速率，得到地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的近似信号传输速率表达式：

其中

步骤4、根据步骤3得到的信道模型和吞吐量表达式，建立面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方法的波束赋形策略优化问题，然后对该波束赋形策略优化问题的目标函数进行处理后，采用波束赋形策略优化算法进行迭代求解，得到最优的基站发射波束赋形向量和发射波束赋形向量，最终确定最优的波束赋形策略优化方案；

具体的说，在本实施中，步骤4具体包括：

步骤401、建立面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方法的波束赋形策略优化问题，具体包括：首先，建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；然后，建立相关的波束赋形策略优化的约束条件，包括：地面基站的传输功率小于最大传输基站功率/>的约束，自主移动中继传输总功率小于最大中继功率/>的的约束，回传约束以及用户需求约束。

步骤402、将401建立的波束赋形策略优化问题转化为易于处理的形式，处理非凸的目标函数R_sum，引入辅助变量替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束γ_m≤R_s,m，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式，重新建立波束赋形策略优化问题。然后引入半正定矩阵/> 同时利用半正定松弛进一步处理优化问题。

步骤403、加载波束赋形策略优化算法，首先输入相关参数，自主移动中继设定的轨迹以及初始设定的预编码向量；然后利用内点法求解步骤402转化后的波束赋形策略优化问题，得到N个时隙下最优的最优基站波束赋形向量自主移动中继传输功率/>最后利用特征值分解，得到最终的波束赋形向量/>

步骤5、建立多天线移动中继辅助的动力学模型以及安全避障模型，随后建立自主移动中继轨迹优化问题，并将轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用自主移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得到自主移动中继的最优轨迹；

具体的说，在本实施例中步骤5包括：

步骤S501、首先建立所述自主移动中继辅助的无线系统的动力学模型，具体包括：运动约束和偏转约束，所述运动约束为V_min[n]≤V_u[n]≤V_max[n]，其中，V_u表示自主移动中继的实际运动速度，V_min表示自主移动中继的最小失速速度，V_max表示自主移动中继的最大速度；所述偏转约束为其中，/>表示为最大偏转角，/>表示为转向角；

步骤S502、建立安全避障模型，具体包括：以及/>其中，q_u[n]，q_s,m[n]和w_o分别表示第n个时隙下自主移动中继和用户的二维坐标以及障碍物的二维坐标，/>和/>分别表示障碍物和用户之间最小安全距离；

步骤S503、建立面向宽带高速MIMO通信系统的移动中继的轨迹优化问题，具体包括：建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；综合考虑运动约束、安全航行约束，建立自主移动中继轨迹设计优化问题；

步骤S504、将自主移动中继轨迹设计优化问题转化为易于求解的形式。首先处理非凸的目标函数引入辅助变量/>替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束γ_m≤R_s,m，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式；然后，同样采用一阶泰勒展开对步骤S502中建立的运动约束和偏转约束，以及步骤S503中建立的用户之间避免碰撞约束进行近似处理为易于求解的凸形式。

步骤6、建立联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S4中的波束赋形策略优化算法和步骤S5中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含波束赋形策略优化和自主移动中继轨迹设计的最优的移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方法；

具体的说，在本实施中，步骤6具体包括：

步骤S601、建立联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：设定初始波束赋形策略优化参数以及自主移动中继的初始轨迹，建立循环加载步骤S3中波束赋形策略优化算法和步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的联合算法框架；

步骤S602、求解联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：

首先，将设定的初始波束赋形策略优化参数以及自主移动中继初始轨迹作为算法输入量，利用步骤S3中设计的波束赋形策略优化算法求解第一次迭代下的最优波束赋形策略优化策略；

然后，将第一次迭代下的最优波束赋形策略优化策略作为步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的输入参数，求解出的最优自主移动中继轨迹，并将轨迹其作为步骤S3中设计的波束赋形策略优化算法输入量；

紧接着，循环迭代加载步骤S3中波束赋形策略优化算法和步骤S4中自主移动中继轨迹优化算法，直到算法求解得到的系统吞吐量稳定，输出最终迭代得到的波束赋形策略优化策略和自主移动中继轨迹；

步骤7、所述一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，自主移动中继按如自主移动中继按如下的方式完成通信任务：

步骤701、用户向中心控制站发送通信需求指令，所述中心控制站接收所述通信需求指令，并收集用户的相关信息；

步骤702、自主移动中继作为中继，建立基站-自主移动中继-用户的通信链路，为用户提供高速通信服务；计算无线通信信道，建立基于自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统的信道模型，随后基于信道模型建立基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型以及传输速率；

步骤703、建立波束赋形策略优化问题以及波束赋形策略优化优化算法，确定最优的波束赋形策略优化方案；

步骤704、建立自主移动中继的运动模型和安全避障模型，建立自主移动中继轨迹设计优化问题以及自主移动中继轨迹设计优化算法，确定最优的波束赋形策略优化方案；

步骤705、建立联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S3中波束赋形策略优化算法和步骤S4中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含波束赋形策略优化和自主移动中继轨迹设计的最优的自主移动中继辅助的广域覆盖无线通信系统高速传输方法；

综上所述，本发明利用MIMO系统的复用增益以及自主移动中继的高速移动和灵活部署特性，实现无线宽带高速通信。具体来说，地面控制中心利用多天线自主移动设备为移动中继，建立陆地基站和用户之间的宽带高速MIMO无线通信链路。基于用户和周围环境信息，设计了波束赋形策略优化和轨迹规划的无人船辅助的宽带高速MIMO通信方法。在设计波束赋形策略优化和轨迹规划时，系统会根据通信速率和用户通信需求，自适应调整策略，不断优化设计，从而提升宽带高速MIMO无线系统的传输吞吐量。

在实施例1中只是以一种应用在地面广域覆盖的自主移动中继(无人机)场景进行举例详细说明，自主移动中继也同样包括无人船、无人艇、无人车等一系列无人控制的移动设施，用于空中、高速公路、海洋等场景的广域覆盖通信，对此并不做限定，本发明提供的一种移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方法适用于无线异构网络，多用户场景、宽带高速MIMO天行场景、移动用户场景，信息无线采集网络，远距离高速通信，应急通信。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、用户向地面控制中心发送通信需求，所述地面控制中心接收多用户通信需求后，开始收集并整理多用户的相关信息；所述相关信息包括：用户数量，用户分布以及当前时刻坐标，通信需求指标，通信服务类型，以及通信时长；

步骤S2、根据步骤S1中的多用户信息，派遣多天线自主移动设备，将其作为地面基站的中继端向多用户提供MIMO高速通信服务；

步骤S3、计算MIMO通信信道，建立基于多天线自主移动中继辅助的MIMO无线通信系统的信道模型，随后构建地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到多用户的基于MIMO技术的无线信号传输模型以及可达速率；

步骤S4、根据S1得到的多用户信息以及S3得到的无线信号传输模型，建立面向多天线多用户的波束赋形策略优化问题，然后对该波束赋形策略优化问题的目标函数进行处理后，采用MIMO系统波束赋形优化算法迭代求解，得到最优的基站波束赋形向量和传输功率、自主移动基站波束赋形向量以及传输功率，最终迭代求解优化问题确定最优的波束方向以及传输功率；

步骤S5、建立基于面向MIMO高速通信的多天线自主移动中继的动力学模型以及安全避障模型；在动力学模型上建立移动中继轨迹优化问题，并将轨迹优化问题转化为易于求解的形式，最后利用自主移动中继轨迹优化算法进行迭代求解得到自主移动中继的最优轨迹；

步骤S6、建立联合MIMO系统波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S4中的MIMO系统波束赋形优化算法和步骤S5中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含MIMO系统波束赋性策略和多天线自主移动中继轨迹设计的最优的面向MIMO通信系统的自主移动中继辅助的无线通信系统高速传输方法，并根据该方法向用户持续提供通信服务；

所述步骤S3具体包括：

步骤S301、首先建立三维卡迪尔坐标系，包括用以表示地面坐标的横轴x，纵轴y，以及海拔高度z轴；地面基站假设位于原点，坐标表示为w_b＝[0，0，h_b]，其中h_b表示地面基站的天线高度；同时根据用户信息，在坐标系上构建映射用户对应坐标；假设一共有M个用户，且用户在过程中保持静止，第m个用户坐标可以表示为q_s，m＝(x_s，m，y_s，m，h_s，m)，其中，x_s，m，y_s，m和h_s，m分别表示第m个用户的横坐标，纵坐标以及海拔高度；

步骤S302、采用时间范围离散化的方法，将整个自主移动中继任务时间长度T离散成为N个等间隔的时隙，时隙长度为δ_t，即T＝Nδ_t；当δ_t取足够小时，多天线移动中继在每一个时隙中即可视为位置恒定；因此，自主移动中继的轨迹即可近似为N个长度的序列其中，x_u[n]，y_u[n]和h_u[n]分别表示第n个时隙下自主移动中继的横坐标，纵坐标以及海拔高度；

步骤S303、基于步骤S301得到的用户坐标，建立面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输系统的天线阵列响应；根据用户信息，计算得到基站到移动中继以及移动中继到用户m的天线阵列响应，

其中b为天线单元间距，θ_bu[n]，和θ_u，m[n]分别表示多天线基站到多天线自主移动中继的到达角、离开角以及多天线自主移动中继到用户m的离开角；N_b，N_u分别表示基站和自主移动中继的天线数量；

步骤S304、计算时隙为n时，地面基站到自主移动中继的通信链路距离以及自主移动中继到用户m的通信链路距离/>

步骤S305、基于步骤S304得到的通信链路距离，建立面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输系统的复合通信道模型；接着根据基于第n个时隙的通信链路距离，分别计算第n个时隙下的地面基站到自主移动中继的信道h_bu，以及自主移动中继到用户m的信道h_us，m，表达式为：

其中λ为载波波长，h_b，h_u和h_s，m分别表示基站、自主移动中继和用户m的天线高度；

步骤S306、基于步骤S305得到的复合信道模型，构建所述地面基站到多天线自主移动中继以及自主移动中继到多用户的信号传输模型，具体包括：根据步骤S303、步骤S304和步骤S305获得的天线阵列响应、通信链路距离以及传输模型，地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率分别表示为：

其中，R_bu[n]表示为地面基站到自主移动中继在时隙n的信号传输速率，H_bu[n]表示在时隙n时，地面基站到多天线自主移动中继的信道，d≤N_b表示传输流数，j表示数据流的序号w_bu,j[n]表示应用于第j个流的波束赋形向量，σ²表示传输噪声；R_us，m[n]表示为多天线自主移动中继到用户m在时隙n的信号传输速率，h_s,m[n]表示在时隙n时，自主移动中继到用户m的信道，w_s,m[n]表示为m用户发送信息加的波束赋形向量，分母中表示其他用户产生的干扰；

所述步骤S4具体包括：

步骤S401、建立面向移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方法的波束赋形策略优化问题，具体包括：

首先，建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；

然后，建立相关的波束赋形策略优化的约束条件，包括：

地面基站的传输功率小于最大传输基站功率P_u ^max的约束；

自主移动中继传输总功率小于最大中继功率P_u ^max的的约束；

回传约束，即自主移动中继向用户发送的总速率不能超过基站向自主移动中继的速率；

用户需求约束，即为用户提供的通信服务需要满足用户提前设定的指标；

步骤S402、将S401建立的波束赋形策略优化问题转化为易于处理的形式，具体包括：

处理非凸的目标函数R_sum，引入辅助变量替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束γ_m≤R_s,m，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式，重新建立波束赋形策略优化问题，然后引入半正定矩阵/> 同时利用半正定松弛进一步处理优化问题；

步骤S403、加载波束赋形策略优化算法，具体包括：

首先，输入相关参数，自主移动中继设定的轨迹以及初始设定的预编码向量；

然后，利用内点法求解步骤S402转化后的波束赋形策略优化问题，得到N个时隙下最优的最优基站波束赋形向量自主移动中继传输功率/>

最后，利用特征值分解，得到最终的波束赋形向量

所述步骤S5具体包括：

步骤S501、首先建立所述自主移动中继辅助的无线系统的动力学模型，具体包括：运动约束和偏转约束，所述运动约束为V_min[n]≤V_u[n]≤V_max[n]，其中，V_u表示自主移动中继的实际运动速度，V_min表示自主移动中继的最小失速速度，V_max表示自主移动中继的最大速度；所述偏转约束为其中，/>表示为最大偏转角，/>表示为转向角；

步骤S502、建立安全避障模型，具体包括：以及/>其中，q_u[n]，q_s，m[n]和w_o分别表示第n个时隙下自主移动中继和用户的二维坐标以及障碍物的二维坐标，/>和/>分别表示障碍物和用户之间最小安全距离；

步骤S503、建立面向宽带高速MIMO通信系统的移动中继的轨迹优化问题，具体包括：建立以最大化M个用户在N个时隙下的总速率为优化目标的波束赋形问题；综合考虑运动约束、安全航行约束，建立自主移动中继轨迹设计优化问题；

步骤S505、将自主移动中继轨迹设计优化问题转化为易于求解的形式，具体包括：

首先，处理非凸的目标函数引入辅助变量/>替换每个用户的速率目标函数，同时引入新约束γ_m≤R_s,m，该约束通过一阶泰勒展开近似进一步转化为易于求解的凸约束形式；

然后，同样采用一阶泰勒展开对步骤S502中建立的运动约束和偏转约束，以及步骤S503中建立的用户之间避免碰撞约束进行近似处理为易于求解的凸形式；

所述步骤S6具体包括：

步骤S601、建立联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：设定初始波束赋形策略优化参数以及自主移动中继的初始轨迹，建立循环加载步骤S3中波束赋形策略优化算法和步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的联合算法框架；

步骤S602、求解联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，具体包括：

首先，将设定的初始波束赋形策略优化参数以及自主移动中继初始轨迹作为算法输入量，利用步骤S3中设计的波束赋形策略优化算法求解第一次迭代下的最优波束赋形策略优化策略；

然后，将第一次迭代下的最优波束赋形策略优化策略作为步骤S4中设计的自主移动中继轨迹算法的输入参数，求解出的最优自主移动中继轨迹，并将轨迹其作为步骤S3中设计的波束赋形策略优化算法输入量；

紧接着，循环迭代加载步骤S3中波束赋形策略优化算法和步骤S4中自主移动中继轨迹优化算法，直到算法求解得到的系统吞吐量稳定，输出最终迭代得到的波束赋形策略优化策略和自主移动中继轨迹；

步骤S603、根据步骤S602得到的最优结果设计最优的一种移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方法。

2.根据权利要求1所述的一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

步骤S101、用户向地面控制中心请求高速通信服务，并上传自己通信指标以及需求信息；

步骤S102、地面控制中心收到用户的通信需求后，通过全球定位系统或者数据中心获取该用户的相关信息。

3.根据权利要求1所述一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

步骤S201、地面控制中心根据收集到的用户信息，选择最匹配的多天线自主移动设备；

步骤S202、将自主移动设备与地面基站建立信息交互，将自主移动设备作为地面基站中继端准备前传基站数据。

4.根据权利要求1所述一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，其特征在于，步骤S305中具体是以常用的两径信道为例，考虑直达信号和通过地面反射的信号，建立包括距离相关的大尺度以及天线阵列响应的复合两径信道模型；

所述方法还包括步骤S307、采用两径信道近似方法简化步骤S306中得到的信号传输速率，具体包括：利用两径信道近似方法简化骤S306中得到的信号传输速率，得到地面基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户m在时隙n的近似信号传输速率表达式：

其中

5.根据权利要求1所述的一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，其特征在于，自主移动中继按如下的方式为用户提供通信服务：

步骤S701、用户向中心控制站发送通信需求指令，所述中心控制站接收所述通信需求指令，并收集用户的相关信息；

步骤S702、自主移动中继作为中继，建立基站-自主移动中继-用户的通信链路，为用户提供高速通信服务；计算无线通信信道，建立多天线移动中继辅助的信道模型，随后基于信道模型建立基站到自主移动中继以及自主移动中继到用户的通信传输模型以及传输速率；

步骤S703、建立波束赋形策略优化问题以及波束赋形策略优化优化算法，确定最优的波束赋形策略优化方案；

步骤S704、建立自主移动中继的运动模型和安全避障模型，建立自主移动中继轨迹设计优化问题以及自主移动中继轨迹设计优化算法，确定最优的波束赋形策略优化方案；

步骤S705、建立联合波束赋形策略和自主移动中继轨迹设计的优化算法，迭代加载步骤S3中波束赋形策略优化算法和步骤S4中的自主移动中继轨迹优化算法，直到输出的系统吞吐量稳定，最终确定包含波束赋形策略优化和自主移动中继轨迹设计的最优的移动中继辅助的宽带高速MIMO传输方法；

步骤S706、自主移动中继按照最优传输策略完成通信服务后，返回到最近的控制中心或被临近的停靠设备回收，完成当前任务。

6.根据权利要求1-5中任一所述的一种移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法，其特征在于，所述移动中继辅助的高速宽带MIMO传输方法适用于无线异构网络，移动用户场景，多天线通信，信息无线采集网络，远距离高速通信，应急通信。