CN115549759A - 一种基于irs辅助的无人机通信网络构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，包括如下步骤：确定陆地全部基站状态、位置信息，如可用则状态标记为1，损坏则状态标记为0；确定陆地可用基站所服务用户的信道状态；基于陆地可用基站所服务用户的信道状态对用户分组；根据陆地可用基站所服务用户的信道状态确定无人机IRS位置；基于无人机IRS位置确定无人机IRS分组情况；更新用户信道状态，并根据最优相移优化反射用户接收信号强度；根据上一步骤用户信道状态给用户分组，确定需要无人机基站服务的用户；在满足相关约束条件下，确立无人机基站飞行轨迹和传输功率参数。本发明为灾害地区陆地通信设施毁坏地区用户提供高能效高可靠应急通信服务，具有广泛应用前景。

Description

一种基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法

技术领域

本发明涉及无人机通信技术领域，尤其是一种基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法。

背景技术

当前应急通信市场持续快速增长，而行业发展却依旧存在通信响应速度慢、互联互通差、覆盖范围小等痛点。无人机可通过挂载4G/5G设备成为空中基站(Base Station，BS)，其具有视距通信、高移动性、部署灵活及部署成本低等优点，可在战争中及发生重大自然灾害后承担应急通信任务。无人机有限的续航能力仍是制约其规模化应用的阻碍，在保障用户下行传输质量的同时最小化无人机飞行及传输能耗，延长无人机有效续航时间。因此，研究无人机网络的能效问题具有重大意义。

现有技术均为通过无人机挂载微基站可有效为灾区用户提供通信服务，但微基站传输能耗高，且重量大增加无人机飞行能耗，同时，考虑到通常情况到地面尚存部分未被损毁的蜂窝基站，无人机基站会对其产生严重的区间干扰。将智能反射面(IntelligentReflecting Surfaces,IRS)固定于无人机上辅助陆地剩余蜂窝基站传输被视作是解决这一问题，改善信号传播环境的有效方式。因此针对灾区用户需要建立一种高可靠高能效的基于IRS的无人机网络联合传输方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，为灾害地区陆地通信设施毁坏地区用户提供高能效高可靠应急通信服务，具有广泛应用前景。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，包括如下步骤：

步骤1、确定陆地全部基站状态、位置信息，如可用则状态标记为1，损坏则状态标记为0；

步骤2、确定陆地可用基站所服务用户的信道状态；

步骤3、基于陆地可用基站所服务用户的信道状态对用户分组；

步骤4、根据陆地可用基站所服务用户的信道状态确定无人机IRS位置；

步骤5、基于无人机IRS位置确定无人机IRS分组情况；

步骤6、更新用户信道状态，并根据最优相移优化反射用户接收信号强度；

步骤7、根据步骤6用户信道状态给用户分组，确定需要无人机基站服务的用户；

步骤8、在满足相关约束条件下，确立无人机基站飞行轨迹和传输功率参数。

优选的，步骤3中，基于陆地可用基站所服务用户的信道状态对用户分组具体为：

其中，P₂是小基站传输功率，R₁和R₂分别是用户离最近宏基站和最近小基站的距离，B₂是连接偏置指数，T是强度阈值参数。

优选的，步骤5中，基于无人机IRS位置确定无人机IRS分组情况具体包括如下步骤：

步骤51、将用户分为L组，每组用户为K_l，每组初始化质心为

步骤52、计算Dist(q_u,θ_l)将用户按最小距离分组；

步骤53、计算每组用户与服务陆基BS最近距离；

步骤54、更新用户组质心

步骤55、K_l是否不在更新，如果是，进入步骤56，如果否，进入步骤52；

步骤56、针对每组用户，在满足(8b,8c,8d)约束下计算能效最优位置{q_L}；

步骤57、将IRS分为L组，每组初始化质心为{q_L}；

步骤58、计算Dist(q_IRS,q_L)将IRS按最小距离分组。

优选的，步骤6中，无人机IRS服务用户的信道状态具体为：

R_i＝P₁R_sI ^-αR_Iu ^-α

其中，P₁是宏基站传输功率，α是路损指数，R_sI和R_Iu分别是传输基站到无人机IRS的距离和无人机IRS到用户距离。

优选的，步骤6中，基于无人机IRS存在下用户信道状态计算公式为：

基于用户直传模型，给定连接无人机BS m，其接收信号强度分别表示为：

其中，P_D是无人机基站传输信号强度，h_d,m是瑞利信道衰落，R_m是无人机BS m和用户u的距离，表示为

l_m是无人机BS m和用户u的水平距离，特征用户u所受干扰表示为：

其中，h_u,k是无人机k和用户u之间的瑞利信道衰落；

基于直传反射联合用户，其接收信号强度表示为：

其中，

为陆基BS m-无人机IRS j-用户u被反射元素n反射的信道，

是IRS j反射元素n基于入射信号的相移，R_m,j是陆基BS m和无人机IRS j之间的距离，表示为

R_j,u是无人机IRS j和用户u的距离，表示为

特征用户u所受干扰为：

基于反射用户，为保证其信号质量，假定IRSj₁和IRSj₂协作为用户u反射信号，则其接收信号强度分别表示为：

其中，

为陆基BS m-无人机IRSj₁-无人机IRSj₂-用户u的联合反射的信道，

为无人机IRSj₁和无人机IRSj₂之间的距离，表示为

特征用户u所受干扰为：

优选的，步骤6中，基于最优相移的用户接收信号强度表示为：

优选的，步骤7中，基于步骤6中用户信道状态对用户分组具体为：

其中，U_S表示用户被陆基BS和无人机IRS服务，而U_D表示用户被无人机BS服务。

优选的，步骤8中，所述无人机IRS网络相关约束计算公式为：

R_m≥R_th,m∈M,

(m,u,L)∈K_u,m∈M.

其中,||w_u||表示用户u接收端波束赋形，R_th表示用户下行接收速率阈值，θ_j,n表示无人机j IRS元素n相移范围，λ_j,n,u为无人机IRS j的反射元素n和用户u的连接情况，K_u表示服务基站为陆基BS m，且与m距离小于L的用户分组模型。

本发明的有益效果为：(1)本发明提出用户选择性无人机BS直传和无人机IRS联合反射的传输机制，通过随机几何理论建立考虑视距/非视距传输的直传及反射模型，并基于该模型给出IRS相关参数和无人机网络能效量化关系，从而获得能效最优的无人机BS-无人机IRS异构网络定量指标。其优势在于可以充分利用地面未被损毁基站，最大限度拓展可用地面基站的有效覆盖范围；(2)本发明提出克服接收异步效应的低复杂度无人机IRS位置规划、无人机IRS-用户双向匹配算法，旨在克服传输端和接收端不同路径距离差引起的传播时延差异，提升用户侧SINR，其核心在于通过K-means对用户分组后计算出每组用户的无人机IRS能效最优位置，并再次通过带约束K-means算法基于最优位置对无人机IRS分组并建立匹配机制，显著降低了计算复杂度；(3)本发明提出多约束条件下无人机基站多维度轨迹规划方法，在考虑无人机基站无线回程条件下，通过对多无人机BS运动轨迹、传输功率和资源分配等参数的联合优化提升无人机基站能效。

附图说明

图1为本发明的无人机IRS-无人机基站联合异构网络架构示意图。

图2为本发明无人机IRS和无人机基站位置规划流程图。

图3为本发明无人机IRS分组流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，包括如下步骤：

步骤1、确定陆地全部基站状态、位置信息，如可用则状态标记为1，损坏则状态标记为0；

步骤2、确定陆地可用基站所服务用户的信道状态；

步骤3、基于陆地可用基站所服务用户的信道状态对用户分组；

步骤4、根据陆地可用基站所服务用户的信道状态确定无人机IRS位置；

步骤5、基于无人机IRS位置确定无人机IRS分组情况；

步骤6、更新用户信道状态；并根据最优相移优化反射用户接收信号强度；

步骤7、根据步骤6用户信道状态给用户分组；确定需要无人机基站服务的用户。

步骤8、在满足相关约束条件下，确立无人机基站飞行轨迹和传输功率参数。

如图3所示，为无人机IRS分组流程图。基于无人机IRS位置确定无人机IRS分组情况，即首先将用户按最近距离分组，其次计算出每组用户离最近陆地服务基站距离，判断是否满足约束。计算无人机IRS能效最优位置，基于该中心位置，在满足相邻无人机IRS最近距离约束条件下对无人机IRS分组。具体包括以下步骤：

步骤201：将用户分为L组，每组用户为K_l，每组初始化质心为

；

步骤202：计算Dist(q_u,θ_l)将用户按最小距离分组；

步骤203：计算每组用户与服务陆基BS最近距离；

步骤204：更新用户组质心

步骤205：K_l是否不在更新，如果是，进入步骤206，如果否，进入步骤202；

步骤206：针对每组用户，在满足(步骤8)约束下计算能效最优位置{q_L}；

步骤207：将IRS分为L组，每组初始化质心为{q_L}；

步骤208：计算Dist(q_IRS,q_L)将IRS按最小距离分组。

本发明提供了无人机IRS和无人机基站联合组网的实现方法，可以应用于战争、洪水、地震等人为或自然灾害等应急通信领域。例如，在地震发生后，可以在应急通信车无法抵达的地方通过布置无人机基站和无人机IRS为灾区用户提供高质量应急通信服务。本发明通过合理布置无人机IRS最大程度扩展陆地可用基站的服务范围；而对于陆基BS损毁地区，则通过布置无人机基站与用户建立空-地视距传输链路。由于IRS具有重量轻，成本低等特点，而无人机具有视距通信、高移动性、部署灵活及部署成本低等优点，因此，本发明具有很高的推广价值。

Claims (8)

1.一种基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定陆地全部基站状态、位置信息，如可用则状态标记为1，损坏则状态标记为0；

步骤2、确定陆地可用基站所服务用户的信道状态；

步骤3、基于陆地可用基站所服务用户的信道状态对用户分组；

步骤4、根据陆地可用基站所服务用户的信道状态确定无人机IRS位置；

步骤5、基于无人机IRS位置确定无人机IRS分组情况；

步骤6、更新用户信道状态，并根据最优相移优化反射用户接收信号强度；

步骤7、根据步骤6用户信道状态给用户分组，确定需要无人机基站服务的用户；

步骤8、在满足相关约束条件下，确立无人机基站飞行轨迹和传输功率参数。

2.如权利要求1所述的基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，其特征在于，步骤3中，基于陆地可用基站所服务用户的信道状态对用户分组具体为：

其中，P₂是小基站传输功率，R₁和R₂分别是用户离最近宏基站和最近小基站的距离，B₂是连接偏置指数，T是强度阈值参数。

3.如权利要求1所述的基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，其特征在于，步骤5中，基于无人机IRS位置确定无人机IRS分组情况具体包括如下步骤：

步骤51、将用户分为L组，每组用户为K_l，每组初始化质心为

步骤52、计算Dist(q_u,θ_l)将用户按最小距离分组；

步骤53、计算每组用户与服务陆基BS最近距离；

步骤54、更新用户组质心

步骤55、K_l是否不在更新，如果是，进入步骤56，如果否，进入步骤52；

步骤56、针对每组用户，在满足(8b,8c,8d)约束下计算能效最优位置{q_L}；

步骤57、将IRS分为L组，每组初始化质心为{q_L}；

步骤58、计算Dist(q_IRS,q_L)将IRS按最小距离分组。

4.如权利要求1所述的基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，其特征在于，步骤6中，无人机IRS服务用户的信道状态具体为：

R_i＝P₁R_sI ^-αR_Iu ^-α

其中，P₁是宏基站传输功率，α是路损指数，R_sI和R_Iu分别是传输基站到无人机IRS的距离和无人机IRS到用户距离。

5.如权利要求1所述的基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，其特征在于，步骤6中，基于无人机IRS存在下用户信道状态计算公式为：

基于用户直传模型，给定连接无人机BSm，其接收信号强度分别表示为：

其中，P_D是无人机基站传输信号强度，h_d,m是瑞利信道衰落，R_m是无人机BSm和用户u的距离，表示为

l_m是无人机BSm和用户u的水平距离，特征用户u所受干扰表示为：

其中，h_u,k是无人机k和用户u之间的瑞利信道衰落；

基于直传反射联合用户，其接收信号强度表示为：

其中，

为陆基BSm-无人机IRS j-用户u被反射元素n反射的信道，

是IRS j反射元素n基于入射信号的相移，R_m,j是陆基BSm和无人机IRS j之间的距离，表示为

R_j,u是无人机IRS j和用户u的距离，表示为

特征用户u所受干扰为：

基于反射用户，为保证其信号质量，假定IRSj₁和IRSj₂协作为用户u反射信号，则其接收信号强度分别表示为：

其中，

为陆基BSm-无人机IRSj₁-无人机IRSj₂-用户u的联合反射的信道，

为无人机IRSj₁和无人机IRSj₂之间的距离，表示为

特征用户u所受干扰为：

6.如权利要求1所述的基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，其特征在于，步骤6中，基于最优相移的用户接收信号强度表示为：

7.如权利要求1所述的基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，其特征在于，步骤7中，基于步骤6中用户信道状态对用户分组具体为：

其中，U_S表示用户被陆基BS和无人机IRS服务，而U_D表示用户被无人机BS服务。

8.如权利要求1所述的基于IRS辅助的无人机通信网络构建方法，其特征在于，步骤8中，所述无人机IRS网络相关约束计算公式为：

R_m≥R_th,m∈M,

(m,u,L)∈K_u,m∈M.

其中,||w_u||表示用户u接收端波束赋形，R_th表示用户下行接收速率阈值，θ_j,n表示无人机j IRS元素n相移范围，λ_j,n,u为无人机IRS j的反射元素n和用户u的连接情况，K_u表示服务基站为陆基BSm，且与m距离小于L的用户分组模型。

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