CN116321497A - 无人机地空通信中的半授权接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机地空通信中的半授权接入方法，包括：无人机获取授权用户和免授权用户的位置信息，根据位置信息计算用户与无人机天线阵之间的角度信息，根据角度信息采用模拟波束成形技术，并在每个时隙内服务一个授权用户；无人机获取授权用户的服务质量需求，根据服务质量需求获取授权用户的可接受的干扰阈值；无人机根据可接受的干扰阈值筛选免授权用户，筛选出的免授权用户计算自身的退避时间；通过分布式争用机制，优先结束退避时间的一个免授权用户通过非正交多址接入技术与授权用户共享同一时频资源。本发明采用半授权接入方法，不仅可以降低通信系统的信令开销，而且可以在保证授权用户服务质量的前提下，提升了系统的频谱效率。

Description

无人机地空通信中的半授权接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种无人机地空通信中的半授权接入方法。

背景技术

无人机通信具有机动性好、易于部署控制、组网灵活等优势，在无线通信中显示了广阔的应用前景，被视为第六代移动通信的核心关键技术之一。随着物联网技术的发展，无人机将承载更多的数据量和更大规模的连接，对频谱资源的需求日益增加。

目前，无人机一般采用基于授权的接入方式需要在传输数据前建立连接，该方式需要在传输数据前建立连接，其信令信息相比数据量而言较为冗长，带来了极高的信令开销。

相关技术中，虽然有免授权的接入方式以减少信令开销以及传输时延，该式不需要等待连接的建立，而是直接发送数据，但是该方式在数据量较大或者免授权用户较多时可能会影响授权用户服务质量需求。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，本发明提出了一种无人机地空通信中的半授权接入方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明第一方面的实施例提出了一种无人机地空通信中的半授权接入方法，包括以下步骤：无人机利用无线定位技术获取授权用户和免授权用户的位置信息，根据所述位置信息计算所述授权用户和免授权用户与无人机天线阵之间的角度信息；无人机根据所述角度信息采用模拟波束成形技术，并在每个时隙内采用轮询调度策略服务一个授权用户；当前时隙服务的授权用户将自身的信道路径损耗、发射功率和目标数据速率反馈给所述无人机；所述无人机根据所述信道路径损耗、所述发射功率和所述目标数据速率获取授权用户的服务质量需求，根据所述服务质量需求获取授权用户的可接受的干扰阈值，并将所述可接受的干扰阈值向所述免授权用户广播；所述无人机根据所述可接受的干扰阈值筛选免授权用户，筛选出的免授权用户计算自身的退避时间；通过分布式争用机制，优先结束退避时间的一个免授权用户通过非正交多址接入技术与授权用户共享同一时频资源。

本发明上述提出的无人机地空通信中的半授权接入方法还可以具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，上述的无人机地空通信中的半授权接入方法还包括：当无人机接收到免授权用户的接入信号后，其余仍处于退避状态的免授权用户不再发送数据。

根据本发明的一个实施例，为保证所述授权用户的服务质量需求，授权用户的可达速率应满足如下条件：

其中，k表示在第k个时隙内，

表示授权用户预定的目标数据速率，R_k,b表示授权用户的可达速率，/>

表示无对第k个用户的波束成形权矢量进行共轭转置操作，P_k,b表示授权用户的发射功率，h_k,b表示授权用户的信道矢量，且h_k，b＝ρ_k，ba(θ_k，b)，其中ρ_k,b表示授权用户信道的小尺度衰落；g_k,f＝G_k,fl_k,f，G_k,f表示无人机天线对免授权用户的波束增益，l_k,f表示免授权用户的路径损耗，P_k,f表示免授权用户的发射功率，h_k,f表示免授权用户的信道矢量，计算为h_k,f＝ρ_k,fa(θ_k,f)，其中ρ_k,f表示免授权用户信道的小尺度衰落，a(θ_k,f)表示免授权用户的角度信息；σ²表示加性高斯白噪声的方差。

根据本发明的一个实施例，根据以下公式获取所述授权用户的可接受的干扰阈值：

其中，

表示免授权用户对授权用户的干扰；/>

表示设定常数，且

σ²表示加性高斯白噪声的方，τ_k表示第k个时隙内的授权用户的可接受的干扰阈值。

根据本发明的一个实施例，所述无人机根据所述可接受的干扰阈值筛选免授权用户，并计算筛选出的免授权用户的退避时间，具体包括：

无人机筛选出功率增益小于据所述可接受的干扰阈值的免授权用户，并将筛选出的免授权用户放入用户集S_k中；当|S_k|≠0时，无人机在串行干扰消除的第二阶段解码用户集S_k中的免授权用户，所述免授权用户计算自身的数据速率，根据所述数据速率计算对应的退避时间；当|S_k|＝0时，无人机授权用户单独占用当前时隙所分配的资源块。

本发明的有益效果：

本发明的无人机基于授权用户的角度信息进行模拟波束成形，减少无人机获得准确信道信息带来的量化、估计等误差，并降低无人机的开销；在满足授权用户服务质量需求的前提下，免授权用户采用新型的半授权非正交多址接入技术与授权用户共享时频资源，不仅可以降低通信系统的信令开销，而且可以在保证授权用户服务质量的前提下，提升了系统的频谱效率。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的无人机地空通信中的半授权接入方法的流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

图1是根据本发明一个实施例的无人机地空通信中的半授权接入方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1，无人机利用无线定位技术获取授权用户和免授权用户的位置信息，根据位置信息计算授权用户和免授权用户与无人机天线阵之间的角度信息。

具体地，对无人机所在的通信系统建立坐标系，并利用无线定位技术获取授权用户和免授权用户的位置信息，从而计算出各用户与无人机天线阵之间的角度信息。

S2，无人机根据角度信息采用模拟波束成形技术，并在每个时隙内采用轮询调度策略服务一个授权用户。

具体地，为保证授权用户的服务质量，无人机采用基于角度信息的模拟波束成形技术，并在每个时隙内采用轮询调度策略服务一个授权用户，由此，可以有效减少无人机获得准确信道信息带来的量化、估计等误差，降低无人机的开销。

基于角度信息进行模拟波束成形，相应的波束成形权矢量表示为：

其中，N表示天线阵元数，a(θ_k,b)表示第k个时隙内的授权用户的角度信息，w_k表示无人机对第k个用户的波束成形权矢量。

S3，当前时隙服务的授权用户将自身的信道路径损耗、发射功率和目标数据速率反馈给无人机。

S4，无人机根据信道路径损耗、发射功率和目标数据速率获取授权用户的可达速率，根据授权用户的可达速率获取授权用户的可接受的干扰阈值，并将可接受的干扰阈值向免授权用户广播。

进一步地，根据本发明的一个实施例，授权用户的可达速率代表授权用户的服务质量需求，为保证授权用户的服务质量需求，授权用户的可达速率应满足如下条件：

其中，k表示在第k个时隙内，

表示授权用户的目标数据速率，R_k,b表示授权用户的可达速率，/>

表示无对第k个用户的波束成形权矢量进行共轭转置操作，P_k,b表示授权用户的发射功率，h_k,b表示授权用户的信道矢量，且h_k，b＝ρ_k，ba(θ_k，b)，其中ρ_k,b表示授权用户信道的小尺度衰落；g_k,f＝G_k,fl_k,f，G_k,f表示无人机天线对免授权用户的波束增益，l_k,f表示免授权用户的路径损耗，P_k,f表示免授权用户的发射功率，h_k,f表示免授权用户的信道矢量，计算为h_k,f＝ρ_k,fa(θ_k,f)，其中ρ_k,f表示免授权用户信道的小尺度衰落，a(θ_k,f)表示第k个时隙内免授权用户的角度信息；σ²表示加性高斯白噪声的方差。

根据本发明的一个实施例，为保证授权用户的可达速率R_k,b大于目标数据速率

授权用户的可接受的干扰需要满足以下条件：

表示免授权用户对授权用户的干扰；/>

表示设定常数，且

σ²表示加性高斯白噪声的方差。

为使上述授权用户的可达速率的不等式成了，保证授权用户的可达速率，授权用户的可接受的干扰阈值τ_k需大于免授权用户对授权用户的干扰

即

τ_k表示第k个时隙内的授权用户的可接受的干扰阈值。

S5，无人机根据可接受的干扰阈值筛选免授权用户，筛选出的免授权用户计算自身的退避时间。

进一步地，根据本发明的一个实施例，无人机根据可接受的干扰阈值筛选免授权用户，并计算筛选出的免授权用户的退避时间，具体包括：无人机筛选出功率增益小于据可接受的干扰阈值的免授权用户，并将筛选出的免授权用户放入用户集S_k中；当|S_k|≠0时，无人机在串行干扰消除的第二阶段解码用户集S_k中的免授权用户，免授权用户计算自身的数据速率，根据数据速率计算对应的退避时间；当|S_k|＝0时，无人机授权用户单独占用当前时隙所分配的资源块。

具体地，筛选出功率增益小于可接受干扰阈值的免授权用户，即

其次，将满足条件的免授权用户放入用户集S_k中，该用户集中的免授权用户可以确保无人机在串行干扰消除的第一阶段能正确解码授权用户的信号。当|S_k|≠0，无人机在串行干扰消除的第二阶段解码用户集S_k中的免授权用户，因此该用户集中的免授权用户计算自身的数据速率为/>

其退避时间是随数据速率严格单调递减的函数；当|S_k|＝0时，表示所有免授权用户都不满足阈值条件，授权用户单独占用该时隙所分配的资源块。

S6，通过分布式争用机制，优先结束退避时间的一个免授权用户通过非正交多址接入技术与授权用户共享同一时频资源。

在本发明的一个实施例中，上述的方法还可以包括：当无人机接收到免授权用户的接入信号后，其余仍处于退避状态的免授权用户不再发送数据。

具体地，免授权用户采用分布式争用的方式接入，具体表示为：当用户集S_k中的免授权用户有数据传输需求时，在发送数据之前先等待各自的退避时间，优先结束退避时间的一个免授权用户通过非正交多址接入技术与授权用户共享同一时频资源，无人机接收到该免授权用户的信息之后，其他仍处于退避状态的免授权用户不再发送数据，从而完成当前时隙半授权随机接入。

综上所述，根据本发明实施例的无人机地空通信中的半授权接入方法，无人机基于授权用户角度信息进行模拟波束成形，有效减少无人机获得准确信道信息带来的量化、估计等误差，降低无人机的开销；在保证授权用户服务质量需求的条件下，若干个免授权用户进行分布式争用，争用成功的免授权用户采用非正交多址接入技术与授权用户共享时频资源，从而在系统整体接入开销低于传统授权接入方式的同时，进一步提高系统的频谱效率。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种无人机地空通信中的半授权接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

无人机利用无线定位技术获取授权用户和免授权用户的位置信息，根据所述位置信息计算所述授权用户和免授权用户与无人机天线阵之间的角度信息；

无人机根据所述角度信息采用模拟波束成形技术，并在每个时隙内采用轮询调度策略服务一个授权用户；

当前时隙服务的授权用户将自身的信道路径损耗、发射功率和目标数据速率反馈给所述无人机；

所述无人机根据所述信道路径损耗、所述发射功率和所述目标数据速率获取授权用户的可达速率，根据所述授权用户的可达速率获取授权用户的可接受的干扰阈值，并将所述可接受的干扰阈值向所述免授权用户广播；

所述无人机根据所述可接受的干扰阈值筛选免授权用户，筛选出的免授权用户计算自身的退避时间；

通过分布式争用机制，优先结束退避时间的一个免授权用户通过非正交多址接入技术与授权用户共享同一时频资源。

2.根据权利要求1所述的无人机地空通信中的半授权接入方法，其特征在于，还包括：

当无人机接收到免授权用户的接入信号后，其余仍处于退避状态的免授权用户不再发送数据。

3.根据权利要求1所述的无人机地空通信中的半授权接入方法，其特征在于，根据以下公式获取所述授权用户的可达速率：

其中，k表示在第k个时隙内，

表示授权用户的目标数据速率，R_k,b表示授权用户的可达速率，/>

表示无对第k个用户的波束成形权矢量进行共轭转置操作，P_k,b表示授权用户的发射功率，h_k,b表示授权用户的信道矢量，且h_k，b＝ρ_k，ba(θ_k，b)，其中，a(θ_k,b)表示第k个时隙内的授权用户的角度信息，ρ_k,b表示授权用户信道的小尺度衰落；g_k,f＝G_k,fl_k,f，G_k,f表示无人机天线对免授权用户的波束增益，l_k,f表示免授权用户的路径损耗，P_k,f表示免授权用户的发射功率，h_k,f表示免授权用户的信道矢量，且h_k，f＝ρ_k，fa(θ_k，f)，其中ρ_k,f表示免授权用户信道的小尺度衰落，a(θ_k,f)表示第k个时隙内免授权用户的角度信息；σ²表示加性高斯白噪声的方差。

4.根据权利要求3所述的无人机地空通信中的半授权接入方法，其特征在于，根据以下公式获取所述授权用户的可接受的干扰阈值：

其中，

表示免授权用户对授权用户的干扰；/>

表示设定常数，且

σ²表示加性高斯白噪声的方，τ_k表示第k个时隙内的授权用户的可接受的干扰阈值。

5.根据权利要求1所述的无人机地空通信中的半授权接入方法，其特征在于，所述无人机根据所述可接受的干扰阈值筛选免授权用户，并计算筛选出的免授权用户的退避时间，具体包括：

无人机筛选出功率增益小于据所述可接受的干扰阈值的免授权用户，并将筛选出的免授权用户放入用户集S_k中；

当|S_k|≠0时，无人机在串行干扰消除的第二阶段解码用户集S_k中的免授权用户，所述免授权用户计算自身的数据速率，根据所述数据速率计算对应的退避时间；

当|S_k|＝0时，无人机授权用户单独占用当前时隙所分配的资源块。

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