CN115866736B

CN115866736B - 一种无人机辅助非正交多址系统有效容量最大化方法

Info

Publication number: CN115866736B
Application number: CN202211588805.3A
Authority: CN
Inventors: 白琳; 韩瑞; 于越
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2022-12-09
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2042-12-09
Also published as: CN115866736A

Abstract

本发明公开了一种无人机辅助非正交多址系统有效容量最大化方法，属于无线通信技术领域，包括：设置在无人机辅助的下行NOMA通信系统中包括用户一和用户二，用户一比用户二更接近无人机，且信道在预设时间段内保持不变，并根据NOMA协议将发射机总功率分配至用户一和用户二；分析在系统的时延要求中的时延QoS指数θ，其中，较小的θ表示用户可以容忍宽松的时延QoS保证，而较大的θ意味着更严格的时延QoS保证；在考虑到信号持续时间T和信道带宽W下，确定有效容量与QoS指数θ和编码速率η的关系，确定总发射功率下无人机辅助的下行NOMA通信系统的联合功率与速率的优化问题。本发明实现了在不同功率和速率的条件下具有时延约束的有效容量最大化。

Description

一种无人机辅助非正交多址系统有效容量最大化方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种无人机辅助非正交多址系统有效容量最大化方法。

背景技术

现有的对于无人机辅助的NOMA通信系统的性能优化方法，主要关注于物理层的指标(如中断概率、信道容量等)，而没能考虑系统时延对用户服务质量(Quality ofService，QoS)的影响。有效容量考虑了无线通信系统中的数据链路层的时延的影响，可以在最大化系统容量(或吞吐量)的同时，保证用户的QoS。目前已经有相关方法使用有效容量这一指标对无人机辅助的NOMA通信系统进行了研究，但是目前已有方法主要有以下不足：一是假设了发射机可以获得完美的瞬时信道状态信息(Instantaneous Channel Stateinformation，CSI)，但这在现实中时变的无线信道中几乎是不可能实现的；二是对系统性能的优化仅考虑了单一资源的分配，没能同时对功率和速率进行联合优化分配；三是由于对于无人机辅助的NOMA通信系统的有效容量的优化问题均是非凸的，许多方法对原问题进行了简化或放缩，提出了次优的功率或速率分配策略，没能获得原问题的全局最优解。

因此需要提出一种无人机辅助非正交多址系统有效容量最大化方法，以解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人机辅助非正交多址系统有效容量最大化方法，用于解决现有技术中在无人机辅助的NOMA通信系统中还缺少在不同功率和速率的条件下具有时延约束的有效容量最大化的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种无人机辅助非正交多址系统有效容量最大化方法，通过同时对功率与速率进行分配来保证系统的时延与吞吐量，包括以下步骤：

S1：设置在无人机辅助的下行NOMA通信系统中包括用户一和用户二，用户一比用户二更接近无人机，且信道在预设时间段内保持不变，并根据NOMA协议将发射机总功率分配至用户一和用户二；

S2：分析在系统的时延要求中的时延QoS指数θ，其中，较小的θ表示用户可以容忍宽松的时延QoS保证，而较大的θ意味着更严格的时延QoS保证；

S3：在考虑到信号持续时间T和信道带宽W下，确定有效容量与QoS指数θ和编码速率η的关系，具体为：

式中，C_E为有效容量，q(η)为在编码速率η时用户成功传输的概率；

S4：确定总发射功率下无人机辅助的下行NOMA通信系统的联合功率与速率的优化问题；

S5：通过设置三个不同的q(η)取值，将步骤S4中联合功率与速率的优化问题分解为三个子问题进行分析，并利用粒子群优化算法对问题求解以获得原问题在不同情况下的全局最优解。

进一步，步骤S3中，若在发射机处已知CSI的统计信息，则可以通过调节编码速率以最大化有效容量，则用户一和用户二的有效容量分别为：

式中，q₁和q₂分别为用户一和用户二成功传输的概率。

进一步，q₁和q₂通过以下公式进行计算：

式中，α_k为用户k的信道增益，

和/>

分别为α₁和μ的期望，P₁为用户一的功率，P₂为用户二的功率，μ＝min{α₁，α₂}，/>

进一步，步骤S1中，所述用户一和用户二的功率分配满足：

式中，α_k,t为时隙t时用户k的信道增益，且

为α_k,t的期望；R_k,t为用户k在时隙t的编码速率，复加性高斯白噪声n_k,t～CN(0,N₀I)，其中N₀为噪声功率，I为单位矩阵。

进一步，步骤S2中，分析时延QoS指数θ包括以下步骤：

A1：将噪声功率归一化，并通过以下公式计算用户一和用户二的传输效率：

R₁＝log₂(1+a₁P₁)

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A2：根据无人机基站处发送给用户k的信号队列确定有效容量，其中所述队列Q_t的状态表示为：

Q_t+1＝(Q_t+A_t-R_t)⁺

式中，(x)⁺＝max(x，0)，A_t为到达过程，R_t为离开过程，

则有效容量表示为：

式中，Λ_r(θ)为离开过程的

极限，θ为时延QoS指数，其中，/>

当θ→0时，表示用户完全没有时延要求；当θ→∞时，表示用户几乎不能容忍任何时延，τ为队列的缓存长度、Pr{Q_∞≥τ}为缓存溢出概率。

进一步，步骤S3中，在考虑到信号持续时间T和信道带宽W下，发射机能够获得瞬时CSI时的离开过程R_t表示为：

式中，α_t＝|h_t|²为信道的CSI，P为发射功率；

当发射机无法获得瞬时CSI时，离开过程R_t表示为：

式中，η为编码速率。

进一步，步骤S4中，分析所述优化问题包括以下步骤：

B1：基于给定时延QoS指数θ_k以满足不同的时延需求，确定有效容量的优化问题，具体表示为：

B2：基于给定总发射功率P，无人机辅助的下行NOMA通信系统的联合功率与速率的优化问题具体表示为：

s.t.₁+₂＝

P₂≥P₁

P₁≥0

P₂≥0

η₁≥0

η₂≥0

式中，P₁和P₂分别为用户一和用户二的功率，η₁和η₂分别为用户一和用户二的编码速率。

本发明的有益效果在于：

本发明可以实现在不同时延要求的情况下的有效容量最大化，且仅具有统计CSI情况下的无人机辅助的下行NOMA通信系统的有效容量的闭式表达式，实现了在不同功率和速率的条件下具有时延约束的有效容量最大化；本发明所提方法可以合理分配无人机辅助的下行NOMA通信系统的资源，很好地实现时延与吞吐量的均衡；且考虑了系统时延对用户服务质量，同时对功率和速率进行联合优化分配，能够获得原问题的全局最优解。

本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例中基于NOMA和OMA方法的对比仿真图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种无人机辅助非正交多址系统有效容量最大化方法，包括以下步骤：

步骤一：设置在无人机辅助的下行NOMA通信系统中包括用户一和用户二，用户一比用户二更接近无人机，且信道衰落模式为块衰落(即信道在预设时间段内保持不变)，给定发射机总发射功率为P＝P₁+₂，复加性高斯白噪声n_k,t～CN(0,N₀I)，其中N₀为噪声功率，I为单位矩阵，同时根据NOMA的协议规定，弱用户需要分配更多的用户来确保串行干扰消除的实现以及用户间的公平性，也就是要求P₁≤P₂，且用户一和用户二的功率分配满足：

式中，α_k,t为时隙t时用户k的信道增益，且

为α_k,t的期望；2_k,t为用户k在时隙t的编码速率；

其中，配备单天线和无线衰落信道的接收机是独立的瑞利衰落，α_k,t的概率密度函数服从指数分布；

其中，上述用户一和用户二的功率分配满足下行NOMA的解码过程的传输速率的要求，按照串行干扰消除的要求，用户二可以直接解码数据，此时用户一的信号会被视作干扰；用户一需要先解码用户二的数据，然后再解码自己的数据；

步骤二：将噪声功率归一化，并通过以下公式计算用户一和用户二的传输效率：

R₁＝log₂(1+a₁P₁)

式中，μ＝min{α₁，α₂}；

其中，有效容量指的是时变信道容量在满足一定时延QoS要求时所支持的最大信源到达速率，由于在无人机基站处发送给用户k的信号为一个动态排队系统，假设到达过程为A_t，离开过程为R_t，相当于在时隙t链路的容量为R_t，则队列Q_t的状态表示为：

Q_t+1＝(Q_t+A_t-R_t)⁺

式中，(x)⁺＝max(x，0)，

则有效容量表示为：

式中，Λ_r(θ)为离开过程的

极限，θ为时延QoS指数，

其中，

式中，τ为队列的缓存长度、Pr{Q_∞≥τ}为缓存溢出概率。

其中，较小的θ表示用户可以容忍宽松的时延QoS保证，而较大的θ意味着更严格的时延QoS保证。特别地，当θ→0时，表示用户完全没有时延要求；当θ→∞时，表示用户几乎不能容忍任何时延。

其中，在该动态排队系统中，离开过程R_t表示为：

则有效容量为：

步骤三：考虑到信号持续时间和信道带宽，当发射机可以获得瞬时CSI并将传输速率时，离开过程R_t表示为：

式中，W为系统带宽，T为时隙持续时间，α_t＝|h_t|²为信道的CSI，P为发射功率；

当发射机无法获得瞬时CSI时，系统的传输过程可能会发生中断，此时传输概率R_t表示为：

式中，η为编码速率，

可知，只有当发射机的传输速率小于信道容量时，传输才能成功，即

的概率为R_t＝Wη，有1-(η)的概率为0；

此时，有效容量可以看作时延QoS指数θ和编码速率η的函数：

步骤四：若在发射机处已知CSI的统计信息，则可以通过调节编码速率以最大化有效容量；

则用户一和用户二的有效容量分别为：

其中，q₁和q₂分别为用户一和用户二成功传输的概率，

式中，

和/>

分别为α₁和μ的期望；ξ代表/>

此时，如果给定时延QoS指数θ_k以满足不同的时延需求的话，有效容量的优化问题便可以写为：

则在给定总发射功率的情况下，无人机辅助的下行NOMA通信系统的联合功率与速率的优化问题为：

s.t.₁+₂＝

P₂≥P₁

P₁≥0

P₂≥0

η₁≥0

η₂≥0

步骤五，由于该问题为非凸问题，可以对无人机辅助的下行NOMA通信系统的联合功率与速率的优化问题(原问题)进行分析，通过设置不同的q₁和q₂取值，将其分解为三个子问题，同时实用常用的无导数优化方法——粒子群优化算法对问题进行求解，以获得原问题在不同情况下的全局最优解。

上述技术方案的有益效果：如图1，本发明所提的一种提高无人机辅助的下行NOMA通信系统有效容量的联合功率与速率控制方法可以实现在不同时延要求的情况下的有效容量最大化，且仅具有统计CSI情况下的无人机辅助的下行NOMA通信系统的有效容量的闭式表达式，实现了在不同功率和速率的条件下具有时延约束的有效容量最大化；该方法收敛迅速，同时通过与基于OMA的方法的对比，可以看出本发明所提方法的有效性，并且综合不同情况来看，本发明所提方法要优于OMA的情况；本发明所提方法可以合理分配无人机辅助的下行NOMA通信系统的资源，很好地实现时延与吞吐量的均衡；且考虑了系统时延对用户服务质量，同时对功率和速率进行联合优化分配，能够获得原问题的全局最优解。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。