CN115278593A - 基于半免授权协议的无人机-非正交多址通信系统的传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半免授权协议的无人机‑非正交多址通信系统的传输方法，整个通信过程分为三个阶段：信道状态信息获取阶段、基站广播信号阶段和用户接收信号阶段。在信道状态信息获取阶段，基站首先估计各信道状态信息，然后根据所获取的信道状态信息计算出合适的功率分配系数；在广播信号阶段，基站根据所处位置选择相适应的功率分配系数，发送叠加信号；在用户接收信号阶段，免授权用户根据所接受到的信号和信道状态信息确定解码顺序。在无人机飞行过程中，根据授权用户和免授权用户的信道增益动态的调整基站的功率分配系数，在保证授权用户的服务质量的同时，有效地改善免授权用户的传输质量，实现免授权用户中断概率下限的突破。
Description
技术领域
本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及非正交多址接入技术和无人机的无线通信网络。
背景技术
随着第五代移动通信的逐渐商业化，人们的生产生活都在发生改变，高速率、大数据量已成为现代通信的基本要求。除此之外，高可靠、低时延以及空天地海全方位一体的通信方式也是未来无线通信所追求的。无人机的应用是多种多样的，涉及到民用、军事、商业和政府部门。无人机作为小型飞行设备在农业、建筑、运输、监视和紧急搜救等民用领域得到了广泛的关注。无人机可以在高空提供物联网服务，由于无人机依赖于传感器、天线和嵌入式软件，被认为是物联网的一部分，为远程控制和监控等应用提供双向通信，创建物联网的机载领域。无人机通信表现出以下主要属性：1.视距链路：无人机通信的独特之处在于其视距链路。由于无人机被部署在高空，相对于地面节点而言更易避开阴影和遮挡物，使其到地面节点之间为视距连接的概率更高。在高空进行远距离传输时，良好的视距链路能提供更好的通信质量。2.动态部署能力：无人机优秀的机动能力使其能根据地形地貌以及不同服务需求实时地调整位置。不同于传统固定地面设施，无人机可以快速部署，随调随动，节省了大量人力物力，在应急救灾中能起到重要作用。3.无人机群网络：未来通信的发展趋势必将是空天地海全域覆盖。无人机低成本、小体积以及高机动性和可操作性等特点使其成为空中通信的主角。
同时，5G也带来了海量的数据传输，高频谱效率要求和大规模用户连接是5G及5G以上无线网络面临的主要挑战，非正交多址是克服上述挑战的一种很有前途的技术。非正交多址技术的关键思想是通过使用不同的功率级别和/或不同的编码在同一资源块(即频率/时间)内实现多用户传输。
如附图1所示是一个典型的由两用户构成一个非正交多址用户对的下行非正交多址通信系统。图中U1和U2分别为强弱用户。源节点采用叠加编码，原理是：把两个用户的信号同时同频按照不同功率叠加发送。由于U1为强用户，系统为其分配的功率较小，解码时执行串行干扰消除，先将U1的信号视为干扰，解码U2的信号，从叠加信号中删除U2的信号，再解出自己的信号。U2为非正交多址接入系统中的弱用户，解码时将U1的信号视为干扰，解码U2的信号。非正交多址接入的主要技术有两个：在发送端上采用了叠加编码来产生多用户信号，基站基于用户信道条件或者服务质量需求，来确定合适的功率分配方案。在接收端上，根据用户的信干噪比或信噪比的高低来实现串行干扰消除，消除同信道干扰。根据用户的排序来确定串行干扰消除的顺序，在现有的文献中，给出了三种用户排序方案，即基于信道的用户排序和基于服务质量的用户排序以及根据不同情况自适应采用前两种的混合排序。基于信道的排序是按照基站到用户之间的通信信道的好坏来排序，信道条件好的用户即强(近)用户通常分配更少的功率，信道条件差的即弱(远)用户通常分配更多的功率，其信号在接收端往往会被先解码。基于服务质量的用户排序通常被用于用户信道条件相近或用户有不同的服务质量优先级的通信场景中。服务质量需求高的用户对时延要求严格，通常需要快速接入，此时要求该用户的信号能够在接受端被优先解码。服务质量需求低的用户通常需要传输的数据量大，对时延要求低。此时该用户是一种机会接入，即在服务质量高的用户的需求被满足的条件下，将多余的资源分配给该用户。混合排序方案首先根据用户的服务质量需求将用户划分为优先级用户和次级用户，根据优先级用户的服务质量需求计算出一个阈值。通过比较次级用户的信道增益和阈值的大小来确定次级用户的解码次序。
基于短数据包的通信是物联网设备产生流量的典型场景。传统的无线通信系统采用基于授权的协议，每个设备首先向基站发送一个调度请求，然后基站发回一个资源分配授权。请求授权的漫长握手过程的信令开销高得令人望而却步，同时在大规模物联网数据传输中，由此产生的延迟也是不可接受的。近年来，非正交多址技术协助的半免偿传输方案受到了广泛关注，该方案鼓励授权用户共享其资源，以实现对具有短传输包的物联网设备的延迟容忍。在半免授权传输方案中，一些具有延迟容忍报文的物联网设备可以被授权用户资源绕过，从而减少了为免授权传输保留资源的设备数量，因此，可以提高延迟关键物联网设备的成功通信概率。与基于授权的传输相比，半免授权传输需要更低的信令开销，同时与纯免授权传输相比，碰撞事件得到了更有效的管理。
发明内容
针对无人机作为空中基站的下行非正交多址通信系统在半免授权传输方案下免授权用户的中断值在数据速率无约束时存在下界的问题，本发明提供了一种动态功率分配策略来松弛这种数据速率的限制，并进一步提高免授权用户的中断概率。在无人机飞行过程中，根据授权用户和免授权用户的信道增益动态的调整基站的功率分配系数，在保证授权用户的服务质量的同时，有效地改善免授权用户的传输质量，实现免授权用户中断概率下限的突破。
鉴于此，本发明采用的技术方案是：基于半免授权协议的无人机-非正交多址通信系统的传输方法，在满足授权用户的服务质量需求的情况下，免授权用户能以非正交多址接入的方式共享通信资源，无人机移动基站根据授权用户和免授权用户的信道增益的大小来确定功率分配系数；具体包括以下步骤：
步骤S1，基站估计授权用户DB和免授权用户DF的信道状态信息。
步骤S2，授权用户DB广播其服务质量需求给无人机移动基站。
步骤S3，无人机移动基站根据授权用户DB的服务质量需求计算出满足授权用户服务质量需求所需的最小功率分配系数ω。
步骤S4，无人机移动基站比较HB和HF的大小，若无人机位于HF＞HB的区域时，基站采用功率分配系数ω；若无人机位于HF＜HB的区域时，基站计算并比较
和HF的大小，若
基站采用功率分配系数ω；若
基站采用功率分配系数ω2。
步骤S5，无人机基站广播叠加信号x＝xB+xF，xB为授权用户DB所需信号，xF为免授权用户DF所需信号。
步骤S6，免授权用户DF计算其信息速率；当HF＞HB时，
当
时，
当
时，
本发明的有益效果主要是：考虑半免授权传输方案下行无人机-非正交多址通信系统中免授权用户的中断性能，在保证授权用户的服务质量的情况下，通过动态功率分配策略，有效降低了免授权用户中断概率，提高了免授权用户的传输性能。具体体现在以下两个方面：
(1)采用无人机作为基站。由于无线信道的时变特性，信号在传输时的衰减会剧烈变化。无人机的高海拔优势为通信提供更好的视距链路，系统性能可以得到显著提升。同时，由于无人机的机动性和灵活性，通信网络的覆盖率也可以得到提升。
(2)采用动态功率分配策略。不同于以往的固定功率分配系数，本发明提出了一种动态功率分配策略。即用户的功率分配系数随着无人机位置的变化自适应地变化，以实现更好的传输性能。附图3证明了本发明提出的动态功率分配策略，与固定功率分配策略相比增强了免授权用户的中断性能。
附图说明
图1为两用户下行非正交多址系统；
图2为无人机-非正交多址系统模型；
图3为本发明的流程图；
图4为发送信噪比对DF中断性能的影响；
图5为无人机位置对DF中断性能的影响。
具体实施方式
如附图2所示，本发明实施例所述基于无人机的下行非正交多址通信网络由一个无人机基站U、一个由DB表示的基于授权的用户和一个由DF表示的免授权用户组成。所有节点均配备单天线，假设所有信道均服从独立同分布的Nakagami-m衰落，考虑大尺度衰落。在该通信系统中，基于授权的用户需要最优先级服务，被分配一个专用资源块，免授权在授权用户服务质量被满足的情形下接入通信信道。在不失一般性的情况下，使用原点为O的三维笛卡尔坐标系。地面用户DB，DF,的坐标分别表示为(xB,yB,0),(xB,yB,0)。此外，假设无人机沿着一定的轨迹从初始位置飞行到地面以上固定高度H的最终位置。飞行时间T分为N个时隙，时隙长度应足够小，以便可以看到无人机在每个时隙内的位置大致不变，同时考虑到复杂性，时隙长度也不应太小。无人机在第n(n∈(1,2,…,N))个时隙的坐标表示为(xU[n],yU[n],H)。在第n个时隙，无人机到地面节点X∈{B,F}的距离表示为：
(xX，yX)表示地面节点X的坐标。B,F分别表示授权用户和免授权用户。
由于空地链路之间可能存在障碍，本发明考虑了视距和非视距连接。因此，时隙n处无人机和地面节点之间的平均路径损耗表示为：
其中
表示基站和地面节点之间的路径损耗。ηL和ηnL表示视距和非视距链路的衰减系数，
表示视距连接的概率，
a0和b0是环境参数，具体数值如表1所示，
表示仰角(弧度)，αX是路径损耗指数。
αX和仰角(θX)之间的关系可以表示为：
其中
b2≈α0。在这里，设定
α0＝4。
表1环境参数
对于空地链路中的信道衰落，
表示无人机和节点X之间的衰落。HX的累积分布函数和概率分布函数可以表示为
其中hX表示Nakagami-m衰落系数，m表示衰减参数，该参数为整数。Γ(·)是伽马函数，
表示基站和地面节点X之间的平均路径损耗。x是一个函数变量，具体的物理意义同HX,i是一个累和变量，没有具体的物理意义。
本发明实施例基于非正交多址协助下的半免授权传输技术，考虑下行非正交多址接入系统中免授权用户的传输质量。提出了一种基于半免授权协议的动态功率分配策略，该策略的核心是基于授权用户服务质量和用户信道增益的功率分配和解码顺序，如图3所示，该策略的具体实施步骤如下：
步骤S1：系统初始化，无人机在每个移动时刻发送训练序列，基站通过信道估计算法估计地面上的授权用户DB和免授权用户DF的信道状态信息。
步骤S2：授权用户DB将自己的传输信噪比，目标速率和信道状态信息在该时刻反馈给无人机：其实现依据(参见相关文献[1]Ding Zhiguo,Schober R.,Fan Pingzhi,etal.Simple semi-grant-free transmission strategies assisted by non-orthogonalmultiple access[J].IEEE Transactions on Communications,2019,67(6):4464-4478.)文中不再赘述。
步骤S3：基站根据授权用户DB的信道状态信息和服务质量需求计算出满足授权用户服务质量需求所需的最小功率系数
其中
为发送信噪比，P表示无人机的发送功率，σ2为无人机基站U处加性高斯白噪声的方差。
HB表示授权用的信道系数，
表示授权用户的速率门限。
步骤S4：基站比较HB和HF的大小，HF表示免授权用户的信道系数。当无人机飞行到HF＞HB的区域时，基站采用功率分配系数ω。当无人机飞行到
区域时，基站采用功率分配系数ω；若无人机飞行到
区域时，基站采用功率分配系数ω2，其中
步骤S5：无人机基站通过叠加编码技术广播授权用户DB和免授权用户DF的叠加信号x＝xB+xF，其中，xB为授权用户DB所需信号，xF为免授权用户DF所需信号。
步骤S6：免授权用户DF计算其信息速率。当HF＞HB时，
当
时，
当
时，
下面分析本发明实施例免授权用户DF的中断性能。根据中断概率的表达式和一些简单的代数运算，可得免授权用户DF的中断概率为：
其中，
表示免授权用户DF的速率门限。T0表示授权用户的信道质量很差时，基站不能满足其服务质量需求的概率。T1表示在HF＞HB时免授权用户的中断概率，T2表示
时免授权用户的中断概率，T3表示
时免授权用户的中断概率。
根据中断概率的定义和一系列数学推导，该策略下免授权用户DF的中断概率表达式为：
式中，
表示HB累积分布函数，T1＝χ1-χ2，
表示互补累积分布函数，
m表示衰减参数，
表示基站和地面免授权用户之间的平均路径损耗，
Φ1＝g1(ε1,ε2,ε1,ε0)，
Υ(·,·)为下行不完全Gamma函数，A2＝λB+λF，
ε0＝ε1+ε2，
A2＝λB+λF，
m表示衰减参数，
表示基站和地面授权用户之间的平均路径损耗。
式中，g1和g2函数是无法求闭式解的复杂积分，可利用高斯切比雪夫展开式近似如下：
式中，N为展开式项数，
ιn是拉格朗日多项式的第n个零点，wn是高斯权重。
图4所示发送信噪比和不同功率分配策略对DF中断性能的影响。参数设置如下：
m＝2。其中“Sim”表示蒙特卡洛仿真结果，“Ana-FPA”表示固定功率分配策略理论分析结果，“Ana-DPA”表示采用动态功率分配策略时理论分析结果。本图以蒙特卡洛仿真证明了理论分析的正确性。从图中可以看到采用传统的固定功率分配系数时，随着发送功率的增大，用户的中断性能会存在一个瓶颈。而采用本发明提出的动态功率分配策略则可以明显的改善用户性能且不再存在瓶颈。
图5所示无人机位置对DF中断性能的影响。从图中可以看出无人机的高度和水平坐标对DF的中断概率有一个综合性的影响，在无人机运行过程中存在一个最优的位置使得DF的性能最优。
Claims (4)
1.基于半免授权协议的无人机-非正交多址通信系统的传输方法，其特征在于，在满足授权用户的服务质量需求的情况下，免授权用户能以非正交多址接入的方式共享通信资源，无人机移动基站根据授权用户和免授权用户的信道增益的大小来确定功率分配系数；具体包括以下步骤：
步骤S1，基站估计授权用户DB和免授权用户DF的信道状态信息；
步骤S2，授权用户DB广播其服务质量需求给无人机移动基站；
步骤S3，无人机移动基站根据授权用户DB的服务质量需求计算出满足授权用户服务质量需求所需的最小功率分配系数ω；
步骤S4，无人机移动基站比较HB和HF的大小，若无人机位于HF＞HB的区域时，基站采用功率分配系数ω；若无人机位于HF＜HB的区域时，基站计算并比较
和HF的大小，若
基站采用功率分配系数ω；若
基站采用功率分配系数ω2；
步骤S5，无人机基站广播叠加信号x＝xB+xF，xB为授权用户DB所需信号，xF为免授权用户DF所需信号；
步骤S6，免授权用户DF计算其信息速率；当HF＞HB时，
当
时，
当
时，
2.根据权利要求1所述基于半免授权协议的无人机-非正交多址通信系统的传输方法，其特征在于：所述服务质量需求包括传输信噪比，目标速率和信道状态信息。
3.根据权利要求1或2所述基于半免授权协议的无人机-非正交多址通信系统的传输方法，其特征在于：所述最小功率分配系数ω由以下公式计算，
其中
为发送信噪比，P表示无人机基站U的发送功率，σ2为无人机基站U处加性高斯白噪声的方差，
HB表示授权用户的信道系数，
表示授权用户的速率门限。
4.根据权利要求3所述基于半免授权协议的无人机-非正交多址通信系统的传输方法，其特征在于：所述功率分配系数ω2的计算公式为：
HF表示免授权用户的信道系数。
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