CN115225143B - Ris辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，通信系统考虑了莱斯信道模型及无人机飞行高度对莱斯因子的影响，设计了无人机的最优飞行高度和RIS的最佳相移矩阵。方法包括：根据无人机、RIS和地面用户的位置信息计算各自之间的距离及仰角；基于距离信息，计算RIS相移矩阵；根据相移矩阵和距离仰角得到接收速率的上界表达式，并设计最优的无人机飞行高度；将最优无人机飞行高度代入到相移表达式重新计算，得到最优的相移矩阵。本发明无需获取完美的信道状态信息，仅在获得距离及仰角信息下就可计算出最优的飞行高度及相移，可有效降低飞行计算复杂度并提高通信用户的可达速率，实用性强。

Description

RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法

技术领域

本发明属于无人机作为空中移动基站的无线通信技术领域，具体涉及一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法。

背景技术

近年来，随着无人机制造技术的进步和成本的大幅降低，进一步促进了无人机与无线通信系统融合的广泛研究热潮。相比传统的卫星通信，无人机部署和维护的费用更低，而且自由度更高，可以通过灵活移动来与地面用户之间建立视距(Line of Sight，LoS)连接，不管是针对偏远地区还是人口密集的城市区域，无人机作为空中基站都可以成为传统地面移动通信系统的重要补充。但是，无人机在应对复杂的随机时变信道时还具有一定的局限性，而可重构智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)作为一项新兴的技术，具有定义新的无线传输模式和控制无线信道的能力，因此，将具体灵活机动性的无人机和具有改变无线信道能力的RIS结合起来，利用二者互补的优势，有望进一步解决无线信道日益复杂以及更高频率带来的信道衰落问题。

在RIS辅助的无人机通信系统中，无人机的飞行位置会同时影响无人机到用户以及无人机到RIS之间的信道，信道中视距链路成分的变化也需要根据无人机的飞行高度来进行综合考虑，同时RIS的相移矩阵也需要设计，这就会使得实际情况下飞行高度和相移矩阵的设计变得更为困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种RIS辅助的无人机通信系统中飞行高度和相移的设计方法，在考虑较为一般的通信场景下，充分利用RIS和无人机的优点，设计无人机的最优飞行高度和RIS的最佳相移矩阵，该方法可以有效降低飞行高度和相移的计算复杂度，提高通信用户的可达速率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，首先构建RIS辅助的无人机通信系统，包括无人机、RIS以及地面用户，其中无人机作为空中基站向地面用户传输数据，RIS部署在高楼表面且配备N个反射单元，无人机与地面用户之间存在直接链路，RIS反射无人机的发射信号给地面用户以增强地面用户处的接收信号强度；各通信节点坐标分别设为：无人机坐标(x_q,y_q,H_q)，RIS坐标(x_r,y_r,z_r)，地面用户坐标(x_g,y_g,0)；各通信节点之间的信道均建模为莱斯信道，无人机到RIS之间的信道

RIS到地面用户之间的信道/>

以及无人机到地面用户之间h₃的信道分别表示为：

其中，ρ₀表示参考距离1米处的路径损耗，d₁、d₂、d₃分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的距离，α表示路径损耗的指数因子，κ₁、κ₂、κ₃表示莱斯因子；

分别表示对应信道的LoS分量，而NLoS分量/>

为独立同分布且服从零均值单位方差的循环对称复高斯分布；假设RIS上N个反射单元采用均匀线性阵列排布，则/>

就可以表示为：

其中，λ表示载波波长，d表示RIS上各反射单元之间的间距，l₁、l₂分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间的水平距离，N表示RIS上反射单元的数量；

莱斯因子表示为与LoS链路概率相关的模型，LoS链路发生的概率P_LoS可以表示为：

其中，a、b是与环境因素有关的常数；θ_i为角度制，表示通信链路中发送端与接收端之间的仰角；莱斯因子κ_i与LoS链路概率P_LoS之间的关系表示为

i∈{1,2,3}，因此可以将莱斯因子表示为κ_i＝cexp(bθ_i),i∈{1,2,3}，其中/>

为常数；

所述方法，包括以下步骤：

步骤1.根据无人机、RIS和地面用户的位置信息计算各自之间的距离及仰角；

步骤2.根据步骤1中的距离信息，计算RIS的相移矩阵Θ；

步骤3.基于步骤2中的相移矩阵和步骤1中的距离及仰角信息，分析地面用户的接收速率的上界R_max，并根据接收速率上界设计出最优的无人机飞行高度

步骤4.将步骤3求得最优的无人机飞行高度

代入步骤1、2中重新计算，得到最优的相移矩阵Θ^opt。

进一步地，所述步骤1中，由于无人机、RIS和地面用户的三维坐标分别设为(x_q,y_q,H_q)、(x_r,y_r,z_r)、(x_g,y_g,0)，则：

无人机到RIS之间的距离及仰角分别为

RIS到地面用户之间的距离及仰角分别为

无人机到地面用户之间的距离及仰角分别为

其中，l₁、l₂、l₃分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的水平距离，即/>

进一步地，RIS相移矩阵Θ的计算表达式为：

其中，

n∈{1,2,...,N},λ表示载波波长，d表示RIS上各反射单元之间的间距，N表示RIS上反射单元的数量，d₁、d₂、d₃、l₁、l₂为步骤1中计算得到的距离及水平距离。

进一步地，所述的基于步骤2中的相移矩阵和步骤1中的距离及仰角信息，分析地面用户的接收速率的上界R_max，其计算表达式如下：

其中，

P为信号的发送功率，/>

为高斯白噪声的方差。

进一步地，所述的根据接收速率上界设计出最优的无人机飞行高度

步骤包括：

步骤3.1设置t为辅助变量，建立方程t＝g(t)：

其中，ρ₀表示参考距离1米处的路径损耗，α表示路径损耗的指数因子，N为RIS上反射单元的数量，a、b是与环境因素有关的常数且

κ_i＝cexp(bθ_i),i∈{1,2,3}表示与仰角θ_i有关的莱斯因子，z_r表示RIS部署的高度，d₁、d₂、d₃、l₁、l₂、l₃为步骤1中计算得到的距离及水平距离；

根据设置的辅助变量t，将g(t)中部分变量改写为关于t的函数：

因此g(t)为仅关于t的函数，其余均为确定性参数；

步骤3.2设置初始值t＝t₀，k＝1，代入t＝g(t)中迭代计算t_k＝g(t_k-1)，k＝k+1，直到|t_k-t_k-1|<ε停止，其中ε为设置的收敛判决门限；迭代终止时，得到t^opt＝t_k；

步骤3.3将步骤3.2中得到的t^opt代入，得到最优的飞行高度

其中，l₁表示无人机和地面用户之间水平距离，a、b是与环境因素有关的常数且

z_r表示RIS部署的高度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明考虑了莱斯信道模型，同时考虑了无人机不同的飞行位置会导致信道中LoS链路的占比不同，利用了LoS链路的概率对莱斯因子的影响，建立了更加符合实际情况的RIS辅助无人机通信系统模型。

2.本发明提出的设计方法不需要获取完美的信道状态信息，仅在获取到距离及仰角信息的情况下就可以计算出无人机最优的飞行高度及RIS的最佳相移，可以有效降低飞行计算复杂度并提高通信用户的可达速率，具有更好的实用性。

附图说明

图1为本发明RIS辅助无人机通信系统中飞行高度和相移设计方法的一种实施例的流程图。

图2为本发明一种实施例的RIS辅助无人机通信系统模型示意图。

图3为对本发明的一种实施例方法的仿真效果图。

具体实施方式

本发明为一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，包括：首先，根据无人机、RIS和地面用户的位置信息计算各自之间的距离及仰角；然后基于距离信息，计算RIS的相移矩阵；再根据相移矩阵和距离仰角信息，计算最优的无人机飞行高度；最后将最优的无人机飞行高度代入到相移表达式中重新计算，得到最优的相移矩阵。本发明考虑了莱斯信道模型，并考虑了LoS链路的概率对莱斯因子的影响，利用高拟合度的速率上界来对飞行高度和相移矩阵进行优化设计，不需要获取完美的信道状态信息，仅在获取到距离及仰角信息的情况下就可以计算出最优的飞行高度及相移，可以有效降低飞行计算复杂度并提高通信用户的可达速率，具有更好的实用性。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明为一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，首先构建RIS辅助的无人机通信系统，此为包括无人机、RIS以及地面用户的下行无线通信系统，其中无人机作为空中基站向地面用户传输数据，RIS部署在高楼表面且配备了N个反射单元，无人机与地面用户之间存在直接链路，同时RIS反射无人机的发射信号给地面用户以增强地面用户处的接收信号强度。在如图2所示的三维笛卡尔坐标系中，各通信节点坐标可以分别设为：无人机坐标(x_q,y_q,H_q)，RIS坐标(x_r,y_r,z_r)，地面用户坐标(x_g,y_g,0)。各通信节点之间的信道均建模为莱斯信道，无人机到RIS之间的信道

RIS到地面用户之间的信道/>

以及无人机到地面用户之间h₃的信道分别表示为：

其中，ρ₀表示参考距离1米处的路径损耗，d₁、d₂、d₃分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的距离，α表示路径损耗的指数因子，κ₁、κ₂、κ₃表示莱斯因子。

分别表示对应信道的LoS分量，而NLoS分量/>

为独立同分布且服从零均值单位方差的循环对称复高斯分布。假设RIS上N个反射单元采用均匀线性阵列排布，则/>

就可以表示为：

其中，λ表示载波波长，d表示RIS上各反射单元之间的间距，l₁、l₂分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间的水平距离，N表示RIS上反射单元的数量。

由于无线传播环境的复杂多变，无人机处于不同位置时会导致信道中LoS链路的占比不同，因此莱斯因子可以表示为与LoS链路概率相关的模型。具体来说，LoS链路发生的概率P_LoS可以表示为：

其中，a、b是与环境因素有关的常数，θ_i为角度制，表示通信链路中发送端与接收端之间的仰角。莱斯因子κ_i与LoS链路概率P_LoS之间的关系可以表示为

i∈{1,2,3}，因此可将莱斯因子表示为κ_i＝cexp(bθ_i),i∈{1,2,3}，其中/>

为常数。

在上述信道模型下，本发明的一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，包括以下步骤：

步骤1：根据无人机、RIS和地面用户的位置信息计算各自之间的距离及仰角；

由于无人机、RIS和地面用户的三维坐标分别设为(x_q,y_q,H_q)、(x_r,y_r,z_r)、(x_g,y_g,0)，则无人机到RIS之间的距离及仰角分别为

RIS到地面用户之间的距离及仰角分别为/>

无人机到地面用户之间的距离及仰角分别为/>

其中l₁、l₂、l₃分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的水平距离，即

步骤2：根据步骤1中的距离信息，计算RIS的相移矩阵Θ，计算表达式如下：

其中，

λ表示载波波长，d表示RIS上各反射单元之间的间距，N表示RIS上反射单元的数量，d₁、d₂、d₃、l₁、l₂为步骤1中计算得到的距离及水平距离。

步骤3：基于步骤2中的相移矩阵和步骤1中的距离及仰角信息，分析地面用户的接收速率的上界R_max，并根据接收速率上界设计出最优的无人机飞行高度

接收速率上界R_max的计算表达式如下：

其中，

P为信号的发送功率，/>

为高斯白噪声的方差。

最优无人机飞行高度

的设计步骤如下：

步骤3.1：设置t为辅助变量，建立方程t＝g(t)，g(t)的具体表达式如下：

其中，ρ₀表示参考距离1米处的路径损耗，α表示路径损耗的指数因子，N为RIS上反射单元的数量，a、b是与环境因素有关的常数且

κ_i＝cexp(bθ_i),i∈{1,2,3}表示与仰角θ_i有关的莱斯因子，z_r表示RIS部署的高度，d₁、d₂、d₃、l₁、l₂、l₃为步骤1中计算得到的距离及水平距离。根据设置的辅助变量t，将g(t)中部分变量改写为关于t的函数：

因此g(t)为仅关于t的函数，其余均为确定性参数。

步骤3.2：设置初始值t＝t₀，k＝1，代入t＝g(t)中迭代计算t_k＝g(t_k-1)，k＝k+1，直到|t_k-t_k-1|<ε停止，其中ε为设置的收敛判决门限。迭代终止时，得到t^opt＝t_k；

步骤3.3：将步骤3.2中得到的t^opt代入，得到最优的飞行高度

其中，l₁表示无人机和地面用户之间水平距离，a、b是与环境因素有关的常数且

z_r表示RIS部署的高度。

步骤4：将步骤3求得最优的无人机飞行高度

代入步骤1、2中重新计算，得到最优的相移矩阵Θ^opt。

最后，基于最优飞行高度和最佳相移矩阵，无人机作为空中基站在RIS辅助下向地面用户传输数据，完成通信任务。

为了验证本发明的可行性，利用MATLAB进行了仿真实验，仿真结果如图3所示。

图3对两种环境参数下地面用户速率的分析结果和蒙特卡洛结果进行的比较，其中仿真参数如下：ρ₀＝1，α＝2,N＝10000,郊区环境下a＝5.2、b＝0.35，城市环境中a＝10.6、b＝0.18。仿真图中可以看出，分析结果和蒙特卡洛结果的拟合度良好，本发明方法计算的最优高度与优化方法求得的最优高度具有很好的吻合性，仿真也表明了无人机飞行高度对地面用户速率的影响，在最优飞行高度时地面用户的可达速率最大。

Claims (5)

1.一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，其特征在于，首先构建RIS辅助的无人机通信系统，包括无人机、RIS以及地面用户，其中无人机作为空中基站向地面用户传输数据，RIS部署在高楼表面且配备N个反射单元，无人机与地面用户之间存在直接链路，RIS反射无人机的发送信号给地面用户以增强地面用户处的接收信号强度；各通信节点坐标分别设为：无人机坐标(x_q,y_q,H_q)，RIS坐标(x_r,y_r,z_r)，地面用户坐标(x_g,y_g,0)；各通信节点之间的信道均建模为莱斯信道，无人机到RIS之间的信道

RIS到地面用户之间的信道/>

以及无人机到地面用户之间h₃的信道分别表示为：

其中，ρ₀表示参考距离1米处的路径损耗，d₁、d₂、d₃分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的距离，α表示路径损耗的指数因子，κ₁、κ₂、κ₃表示莱斯因子；

分别表示对应信道的LoS分量，而NLoS分量/>

为独立同分布且服从零均值单位方差的循环对称复高斯分布；假设RIS上N个反射单元采用均匀线性阵列排布，则/>

就可以表示为：

其中，λ表示载波波长，d表示RIS上各反射单元之间的间距，l₁、l₂分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间的水平距离，N表示RIS上反射单元的数量；

莱斯因子表示为与LoS链路概率相关的模型，LoS链路发生的概率P_LoS可以表示为：

其中，a、b是与环境因素有关的常数；θ_i为角度制，表示对应通信链路中发送端与接收端之间的仰角；莱斯因子κ_i与LoS链路概率P_LoS之间的关系表示为

因此可以将莱斯因子表示为κ_i＝cexp(bθ_i),i∈{1,2,3}，其中/>

为常数；

所述方法，包括以下步骤：

步骤1.根据无人机、RIS和地面用户的位置信息计算各自之间的距离及仰角；

步骤2.根据步骤1中的距离信息，计算RIS的相移矩阵Θ；

步骤3.基于步骤2中的相移矩阵和步骤1中的距离及仰角信息，分析地面用户的接收速率的上界R_max，并根据接收速率上界设计出最优的无人机飞行高度

步骤4.将步骤3求得最优的无人机飞行高度

代入步骤1、2中重新计算，得到最优的相移矩阵Θ^opt。

2.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，其特征在于，所述步骤1中，由于无人机、RIS和地面用户的三维坐标分别设为(x_q,y_q,H_q)、(x_r,y_r,z_r)、(x_g,y_g,0)，则：

无人机到RIS之间的距离及仰角分别为

RIS到地面用户之间的距离及仰角分别为

无人机到地面用户之间的距离及仰角分别为

其中，l₁、l₂、l₃分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的水平距离，即

3.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，其特征在于，RIS相移矩阵Θ的计算表达式为：

其中，

λ表示载波波长，d表示RIS上各反射单元之间的间距，N表示RIS上反射单元的数量，d₁、d₂、d₃、l₁、l₂为步骤1中计算得到的距离及水平距离。

4.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，其特征在于，所述的基于步骤2中的相移矩阵和步骤1中的距离及仰角信息，分析地面用户的接收速率的上界R_max，其计算表达式如下：

其中，

P为信号的发送功率，/>

为高斯白噪声的方差。

5.根据权利要求1所述的一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，其特征在于，所述的根据接收速率上界设计出最优的无人机飞行高度

步骤包括：

步骤3.1设置t为辅助变量，建立方程t＝g(t)：

其中，ρ₀表示参考距离1米处的路径损耗，α表示路径损耗的指数因子，N为RIS上反射单元的数量，a、b是与环境因素有关的常数且

κ_i＝c exp(bθ_i),i∈{1,2,3}表示与仰角θ_i有关的莱斯因子，z_r表示RIS部署的高度，d₁、d₂、d₃、l₁、l₂、l₃为步骤1中计算得到的距离及水平距离；

根据设置的辅助变量t，将g(t)中部分变量改写为关于t的函数：

因此g(t)为仅关于t的函数，其余均为确定性参数；

步骤3.2设置初始值t＝t₀，k＝1，代入t＝g(t)中迭代计算t_k＝g(t_k-1)，k＝k+1，直到|t_k-t_k-1|<ε停止，其中ε为设置的收敛判决门限；迭代终止时，得到t^opt＝t_k；

步骤3.3将步骤3.2中得到的t^opt代入，得到最优的飞行高度

其中，l₁表示无人机和地面用户之间水平距离，a、b是与环境因素有关的常数且

z_r表示RIS部署的高度。

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