CN117440523A - 一种应用于ris辅助的uav通信网络的资源管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机通信工程技术领域，特别涉及一种应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，解决现有技术中的UVA通信系统的传输速率没有能够被有效地最大化的技术问题。具体地，本发明首先提供的包括架构，可称为MF‑RIS单元，通过控制一个无人机基站、多个用户设备以及一个MF‑RIS单元组成的通信系统的资源调度，使得该通信系统的传输速率最大化，可以显著可以提高RIS辅助UAV通信系统的传输速率，同时提高资源分配精度，提高RIS辅助UAV通信系统的性能。
Description
技术领域
本发明涉及无人机通信工程技术领域，特别涉及一种应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法。
背景技术
现行趋势下，无人机通信，即UAV通信，其关键瓶颈在于UAV有限的能量供给，还需要同时考虑将及其有限的能量分配于UAV飞行和通信传输；
具体地，就UAV通信系统中常用的小型UAV而言，其续航时间仅有30分钟，与此同时，UAV通信系统的链路容量较地面通信的链路容量低，进一步限制UAV通信的应用场景；
此外，无人机UAV较快的移动速度为UAV通信带来了通信链路稳定性问题，与此同时，UAV通信还需要考虑障碍物带来的影响；
现有技术中的实施方案多为：基于无源RIS以及多入多出中继辅助的UAV通信系统(中继辅助，英文名称为multi-input multi-output relay,缩写为MIMO relay；
现有技术中无源RIS的缺点在于：其级联信道存在严重的乘性衰落问题；
乘性衰落，是指无线通信系统中的一种现象，其中传输的信号在通过无线信道传播时其幅度和相位经历随机波动；这些波动是由各种因素引起的，包括反射、散射、衍射和干涉；
当考虑无线通信中的级联信道时，它指的是发射信号连续穿越多个独立衰落信道的场景。级联中的每个通道都会对信号产生自己的倍增衰落效应；级联衰落模型通常用于描述此类场景中乘性衰落的整体效果。
基于上述观点，无源RIS面临信号覆盖能力较差，同时使得信号接收能力较弱；同时，由于无源RIS的级联信道面临严重的乘性衰落，大大增加了无源RIS的单元个数，增大了无源RIS的计算开销；同时无源RIS辅助的通信系统中需要配备更多的天线，提高了基站的成本开销与功率开销。
进一步地说明，MIMO中继的缺点体现在以下几个方面：
首先，是复杂性和成本问题，实施MIMO中继系统既复杂又昂贵；在中继节点使用多个天线需要额外的硬件组件，包括RF链、放大器和信号处理单元；这使得整体系统的复杂性和成本特别高，使得在某些场景中部署MIMO中继系统具有潜在的挑战性；
其二，干扰问题：MIMO中继系统容易受到工作在同一频段的相邻小区或节点的干扰；
干扰会降低接收信号的质量并影响整个系统的容量和可靠性，与此同时，MIMO工作在全双工模式下时，会面临严重的自干扰问题，导致接收信号的误码率较高。
另外，在MIMO中继系统中的中继节点使用多个天线通常需要增加功耗，与单天线中继系统以及RIS相比，通过多个天线发送和接收信号消耗功率很大，MIMO中继是功耗最高的方案。
发明内容
本发明要解决现有技术中的UAV通信系统的传输速率没有能够被有效地最大化的技术问题，提供一种应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，包括如下步骤：
步骤S301,基站与各地面用户获取当前CSI信息，并基于预设的UAV基站的下行传输约束；
所述约束包括：功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束；以及
MF-RIS幅度和相位响应的约束，以实现进行设备调度、并对UAV对各地面用户的发射功率、MF-RIS的幅度、相位响应、UAV的实时位置进行实时调度，以获取当前时刻的资源分配方式；
其中，获得所述资源分配方式时，包括如下优先级：
所述优先级为：
可首先预设资源管理的轮次和与预设最优方法的收敛精度；
同时，随机预设两个辅助变量、UAV基站对于每个用户的发射功率、MF-RIS的幅度相位响应并给定UAV的初始位置；
再次，从而在每一时刻进行方案中更新时可以根据上一时刻的资源管理方案进行迭代；
其中，所述资源管理方案进行迭代更新的时长为预先设定时长；
所述预先设定时长优选为：100ms-500ms之间的任意时间；
其中，UAV以及用户可以通过多种方式获取与发送CSI，同时，MF-RI模块有多种方式获取CSI；
所述资源管理方案包括：目标设备调度与资源分配方案，具体为：
预设两个与CSI的辅助变量，具体为：UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置；
在预设的时刻，所述CSI以及UAV基站，地面用户便可以基于所获取的多个所述CSI、预设的UAV基站的下行传输功率约束、预设的MF-RIS放大功率约束、预设的UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度，并对UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置进行实时调度；
步骤S302，所述UAV基站、所述MF-RIS单元以及所述用户按照所述资源管理方案运行，并发送所述CSI至广播信道；
步骤S303,所述UAV基站、所述MF-RIS单元以及所述用户UAV基站、根据接收到的CSI信息，更新资源分配方案；随后将CSI信息广播，进行循环迭代，直至收敛或达到最大迭代次数；
其中，所述MF-RIS单元所有单元的集合为N＝{1,2,...,N}，所述UAV配备数量为M根天线；
同时，所有用户的集合为K＝{1,2,...,K}，且每个用户配备1根天线；
当UAV的飞行高度恒定为H，设UAV的飞行周期为T，且飞行周期T被分为L个等长的时隙δt，即T＝Lδt，UAV飞行时隙的集合为L＝{1,2,...,L}，且l∈L，则UAV在第l个时刻的位置为q(l)＝[x(l),y(l)]T。
优选地，所述UAV位置以及约束与所述UAV的最大飞行速度vmax关联。
优选地，所述MF-RIS单元和UAV可以全局感知CSI信息，且控制信号的信道模型为控制无负载通信链路。
优选地，所述UAV到RIS信道的衰落模型为莱斯信道衰落模型，可以得到第l个时刻UAV到RIS的信道模型。
优选地，在所述步骤S102中，地面用户，UAV基站以及MF-RIS均接入RIS辅助的UAV通信系统，随后根据CSI获取信道参数，并以如下规则决定是否更新资源分配策略：
其中，为第j次迭代时地面用户k的通信速率；
在决定是否更新资源分配策略后，UAV基站会通过CNPC信道将是否更新资源分配策略的指令发送至MF-RIS与地面用户。
优选地，UAV基站将根据MF-RIS以及地面用户的CSI确定以下两个辅助参数。
优选地，步骤S101中，基站与各地面用户首先获取当前CSI，并基于预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度；
当确定当前时刻RIS辅助UAV通信系统的资源分配方案时，令UAV下行通信功率资源分配向量为P＝[p1,...,pK],则RIS辅助的UAV通信系统的速率优化方程为：
其中，P,Θu,q为所述RIS辅助的UAV通信系统速率优化方程的优化变量，并且RIS辅助的UAV通信系统速率优化方程需要满足预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束。
优选地，所述MF-RIS幅度和相位响应的约束，分别表示对于MF-RIS每一个单元的反射和透射信号放大倍数的约束，对于MF-RIS每一个单元的反射与透射相位的约束以及MF-RIS每一个单元的反射以及透射放大倍数和应不大于预设值。
优选地，还包括应用一种通信资源分配装置，包括：
信息获取与方案确定模块401，用于获取CSI，并基于所获取的各CSI、与预设并基于预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度，并对UAV对各地面用户的发射功率，
MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置进行实时调度，获得该时刻的资源分配方案；
其中，所述目标设备调度与资源分配方案包括：
两个与CSI相关的辅助变量、MF-RIS的幅度与相位响应、UAV对各地面用户的发射功率、UAV的实时位置进行实时调度；
设备调度与资源分配模块402，用于控制所述一个基站以及MF-RIS、多个地面用户，按照所述设备调度与资源分配方案，为自身分配所对应的资源。
优选地，还包括：
应用一种MF-RIS单元，所述MF-RIS单元为一结构电路；
所述结构电路包括：
移相器，其用以控制反射与透射的相位；
所述移相器为两个独立的移相器，每个移相器通过动态调控相移值，可以分别控制反射和折射信号的相位；
功率放大器，其为集中式的放大器，并用于对透射于反射信号的功率集中放大，随后使用功率分配电路对MF-RIS反射与透射信号的放大能量进行分配；
功率分配电路，基于威尔金森功率分配器，具体包括一电子设备作为控制模块；
所述控制模块为：微型计算机、单片机或者FPGA中的一种。
本发明具有以下的有益效果：
第一方面，本发明实例提出了MF-RIS,并给出了MF-RIS的电路结构。通过控制一个UAV基站、多个用户设备以及一个MF-RIS组成的通信系统的资源调度，使得该通信系统的传输速率最大化。即本发明实例给出了该系统的无线资源调度于分配方法。并给出了一种实现该无线资源调度方法的装置。
第二方面，在RIS辅助的UAV通信系统当中进行资源调度与分配的方法提出了一种新的RIS架构，称为MF-RIS单元，其可以同时实现对入射信号进行反射、透射以及放大。
第二方面，实现在RIS辅助的UAV通信系统当中进行资源调度与分配的方法的控制装置。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的MF-RIS单元的电路结构示意图；
图2为本发明的RIS辅助UAV通信系统的结构示意图；
图3为本发明的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法的实施步骤；
图4为本发明的通信资源分配装置的结构示意图。
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；需要说明的是，本申请中为了便于描述，以当前视图中“左侧”为“第一端”，“右侧”为“第二端”，“上侧”为“第一端”，“下侧”为“第二端”，如此描述的目的在于清楚的表达该技术方案，不应当理解为对本申请技术方案的不当限定。需要解释说明的、有助于理解本发明的技术术语
(1)RIS单元
RIS单元，由可智能反射、折射或散射入射电磁波的小型、低功率和可重构天线或无源元件组成。RIS单元可以独立编程以调整其相位、振幅或偏振，从而使其能够主动修改入射电磁波的传播特性。通过仔细控制反射波的相位和振幅，RIS单元可以实现多种功能，包括波束形成、信号聚焦、干扰消除和增强信号强度。它们可以有效地塑造无线信道并提高无线通信系统的整体性能。
(2)关于乘性衰落与加性衰落的补充说明
级联信道中的乘性衰落对无线通信系统具有重要影响。它会导致信号波动，从而可能导致信号衰减、深度衰落，甚至完全丢失信号。这些影响会降低通信链路的质量和可靠性，导致误码率增加、覆盖范围缩小和数据速率降低。
(3)加性衰落是指中继节点或目的节点接收到的信号被无线信道引入的随机波动或噪声破坏的现象。加性衰落的特征是向传输信号添加随机噪声，导致接收信号质量下降。噪声可能来自各种来源，包括热噪声、来自其他来源的干扰和多径效应。在有源RIS与MF-RIS中，加性衰落是指在RIS和目标节点处添加到接收信号的随机噪声。噪声会影响接收信号的可靠性和质量，可能导致错误并影响整体系统性能。但是与乘性衰落相比，加性衰落带来的影响更小。
本发明实例所提出的将MF-RIS部署于无线通信系统的不同点在于将MF-RIS置换为无源RIS或MIMO中继，同时运用不同的资源分配方法；本发明实施例相当于提出了一种全新的可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)架构，称为多功能
RIS(Multi-Functional RIS,MF-RIS),并给出了MF-RIS的电路结构；具体地通过控制一个无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)基站、多个用户设备以及一个MF-RIS组成的通信系统的资源调度，使得该通信系统的传输速率最大化。即本发明实例给出了该系统的无线资源调度于分配方法。
首先，由于UAV通信系统对于能耗要求严格，且UAV续航能力弱，难以支撑UAV通信系统持续稳定运行，同时UAV通信系统存在链路不稳定，干扰严重的问题，严重影响通信系统速率。提出了一种UAV通信系统中的资源调度方法，以及一种全新的器件——MF-RIS。
在一个具体地实施例中，如图1所示，MF-RIS每一单元配备了控制反射与透射相位的移相器、功率放大器以及功率分配电路。各电路的具体实现如下：
控制反射与透射相位的移相器：移相器是控制反射信号相位的关键组件；可以使用各种技术来实现，例如数字控制移相器和模拟移相器。具体地，对于反射与透射相位的控制，本发明实例在一个MF-RIS单元中使用了两个移相器独立控制反射信号和折射信号的相位，通过动态调控每个移相器的相移值以可以分别控制反射和折射信号的相位。
功率放大器：为了降低功耗，本发明实例基于低噪声放大器(LNA)，并设计了电阻参数以控制MF-RIS最大信号放大倍数，以增大反射与透射信号的放大功率。
于此同时，本发明实例基于LNA设计MF-RIS功率放大器的目的在于降低MF-RIS的发射噪声，最大程度地降低接收端接收信号的误码率。具体地，本发明实例使用了一个集中式的放大器对透射于反射信号的功率集中放大，随后使用功率分配电路对MF-RIS反射与透射信号的放大能量进行分配，下面将具体介绍功率分配电路的实现。
功率分配电路：本发明实例基于威尔金森功率分配器实现功率分配电路。
此外，MF-RIS需要一定的控制模块，其可以是任何一种电子设备，例如微型计算机、单片机以及FPGA等。因此本发明实例不对MF-RIS的控制模块进行限定。
于此同时，本发明实例提出的资源管理方法可以应用于RIS辅助的UAV通信网络，且该网络可以包括一个UAV基站，若干地面用户以及1个RIS。
在一个具体地实施例中，图2为本发明实例提供的RIS辅助UAV通信系统的结构示意图，该通信系统内包括1个UAV基站，1个RIS以及K个用户设备，其中反射侧的用户有Kr个，透射侧的用户有Kt个。
其中，本发明实例提供的资源分配方法可以应用于任一RIS辅助的UAV通信系统，且该网络当中用户的位置是随机分布的，也可以按照某种规律分布。同时RIS的位置可根据实际需求灵活给定，此外，UAV的轨迹是本发明实例提供的资源分配方法的设计对象。对此本发明实例不对RIS辅助的UAV通信系统以及UAV，RIS和各个用户的地理位置进行限定。
可选的，各地面用户可以配备单根天线。
具体地，为提高该资源管理方法的资源分配效率，为此基站需要基于信道状态信息(channel state information,CSI)设计两个与CSI相关的辅助变量。
本发明实例提供的一种应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法可包括：
基站与各地面用户获取当前CSI，并基于预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度，并对UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置进行实时调度，获得该时刻的资源分配方案；其中，所述资源分配方案的内容包括：设计两个与CSI相关的辅助变量，UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置；
UAV基站、MF-RIS以及用户按所述资源分配方案运行，并发送CSI至广播信道。
UAV基站、MF-RIS以及用户根据接收到的CSI信息，更新资源分配方案；随后将CSI信息广播，进行循环迭代，直至收敛或达到最大迭代次数。
以上可见，应用本发明实施例提供的方案，由于在确定该时刻应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，综合考虑了所获取当前CSI，于此同时，两个辅助变量的引入虽然增加了一定的复杂度，但是将更综合地考虑CSI，以改善应用于RIS辅助的UAV通信系统的传输速率；并且预设的UAV基站的下行传输功率约束可以保证在UAV基站下行传输功率不超过最大值；预设的MF-RIS放大功率约束可以保证MF-RIS的放大功率不超过最大值，以节约能源；预设的UAV飞行位置和移动能力约束基于UAV的实际飞行能力，契合实际场景；预设的MF-RIS幅度和相位响应对MF-RIS的信号放大倍数进行限制。
进一步的，由于联合优化设备调度与资源分配，可以提供RIS辅助的UAV通信系统的资源利用率，从而提高RIS辅助的UAV通信系统的通信速率，同时对两个辅助变量可以加速资源分配方法达到收敛，提高提高RIS辅助的UAV通信系统的性能。与传统基于无源RIS，有源RIS辅助UAV通信系统的方案相比，MF-RIS辅助的通信系统可以进一步提高RIS辅助UAV通信系统的传输速率。
基于此，应用本发明实施例提供的方案，便可以显著RIS辅助的UAV通信系统的通信速率，同时对两个辅助变量可以加速资源分配方法达到收敛，提高提高RIS辅助的UAV通信系统的性能。
结合附图3，对本发明实例提供的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法的实施步骤进行具体说明：
图3为本发明实施例提供的一种RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法的流程示意图，如图3所示，该RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法可以包括如下步骤：
S301:基站与各地面用户获取当前CSI，并基于预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度，并对UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置进行实时调度，获得资源分配方案；
在设计RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法时，可首先预设资源管理的轮次和与最优方法的收敛精度，同时为了实现的简单方便，可以随机预设两个辅助变量、UAV基站对于每个用户的发射功率、MF-RIS的幅度相位响应并给定UAV的初始位置。从而在每一时刻进行方案更新时可以根据上一时刻的资源管理方案进行迭代。
其中，上述进行方案更新的时长可以为：100ms、500ms等任一根据实际应用中的需求所设定的时长，对此，本发明实施例不做具体限定。
并且，UAV以及用户可以通过多种方式获取与发送CSI，同时MF-RIS有多种方式获取CSI。对此，本发明实施例不做具体限定。
并且，目标设备调度与资源分配方案包括：设计两个与CSI相关的辅助变量，UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置。
在某一时刻，上述CSI以及UAV基站，地面用户便可以基于所获取的各CSI以及预设的UAV基站的下行传输功率约束，预设的MF-RIS放大功率约束，预设的UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度，并对UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置进行实时调度，获得该时刻的资源分配方案。
可选的，在一种具体实现方式中，MF-RIS所有单元的集合为N＝{1,2,...,N}，且UAV配备M根天线，同时所有用户的集合为K＝{1,2,...,K}，且每个用户配备1根天线。假设UAV的飞行高度恒定为H，设UAV的飞行周期为T，且飞行周期T被分为L个等长的时隙δt，即T＝Lδt，UAV飞行时隙的集合为L＝{1,2,...,L}，且l∈L，则UAV在第l个时刻的位置为q(l)＝[x(l),y(l)]T。
在一个具体地实施例中，UAV位置以及约束如下，该约束与UAV最大飞行速度vmax有关。
||q(l+1)-q(l)||2≤D2,
||q(L)-qF||2≤D2,
q(1)＝qo,q(L)＝qF.
其中D＝vmaxδt,q0,qF为UAV的初始坐标与终点坐标。
由于UAV的飞行位置将决定反射与透射的区域，一种实施例中，反射和透射端的用户集合分别为Kr(l),Kt(l)，且满足在该实施例中，对于任意的时刻l，当用户k位于反射端时，k∈Kr[l]，否则k∈Kt[l]。于此同时，用户k的位置为wk＝[xk,yk,0]T
在一个具体地实施例中，，MF-RIS和UAV可以全局感知CSI，且控制信号的信道模型为控制无负载通信链路(Control and Non-Payload Communications,CNPC)。
一种实施例中，UAV-地面用户，UAV-MF-RIS，MF-RIS-地面用户的信道参数为对于MF-RIS第n个单元，时隙l时透射和反射模式的预编码参数分别为/>其中，MF-RIS透射与反射放大倍数以及MF-RIS透射与反射的幅度与相位响应满足如下约束：
其中，βmax为MF-RIS最大的放大功率，由能量守恒定律易得该实施例中，时隙l时透射和反射模式的预编码向量分别为/>和故在该实施例中，当k∈Kr且时隙为l时，MF-RIS预编码矩阵为否则/>在该实施例中MF-RIS的位置为wR＝[xR,yR,0]T。
在一个具体地实施例中，，UAV到RIS信道的衰落模型为莱斯信道衰落模型，因此可以得到第l个时刻UAV到RIS的信道模型为：
其中，κUR为UAV到RIS信道的莱斯因子，ΗLoS[l]为LoS信道，ΗNLoS为NLoS信道，可以建模为瑞利衰落信道模型，即均值为0，方差为1的圆对称复高斯随机变量。ΗLoS[l]由UAV在l时刻的轨迹决定，其表达式为
其中，
在一个具体地实施例中，，表示在第l个时刻UAV与RIS之间的距离，φUR和/>分别表示第l个时刻LoS信道中的方位角与仰角，d表示天线之间的间距，λ表示载波的波长，对于d来说，一般选取半波长，即λ/2。一种实施例中，对于UAV-地面用户，MF-RIS-地面用户的信道向量，可以建模为瑞利衰落信道模型。很容易将UAV-地面用户，MF-RIS-地面用户的信道向量表示为下式：
其中，ρ为参考距离D0为1m时的路径损耗，α为反射与透射路径的信道路径衰落因子，κ为UAV到用户的信道路径衰落因子。
为自由散射因子，一种实施例中，均建模为/>dU,k[l],dR,k表示第l个时刻UAV和用户k的距离以及RIS与用户k的距离，二者的表达式为
在一个具体地实施例中，，对于反射链路与透射链路，可以采用级联路径独立衰落模型进行建模，即第k个用户反射与透射路径的链路距离为
在一个具体地实施例中，，假设UAV在第l个时刻对第k个用户的发射信号为均值为0，方差为1的信号即sk[l]～CN(0,1)，第l个时刻第k个用户的发射信号的能量为pk[l]，则第l个时刻UAV发射信号表达式为：
在一个具体地实施例中，，u∈{t,r}，在时刻l本系统的信号模型为：
其中，ns为MF-RIS发射的热噪声向量，且nk为信道噪声，且nk～CN(0,σ2)，IN为N×N维单位矩阵。
一种实施例中，pk[l]需要同时满足时间平均能量约束与峰值能量约束，其表示为Ppeak，在本实施例中UAV基站发送功率约束可以表示为
0≤pk[n]≤Ppeak
在一个具体地实施例中，，因此时刻l用户k的接收信干噪比(signal-to-interference-noise radio,SINR)的表达式为
因此时刻l用户k的速率可表示为Rk[l]＝log2(1+γk[l])。
步骤S302中:UAV基站、MF-RIS以及用户按所述资源分配方案运行，并发送CSI至广播信道。
UAV以及用户可以通过多种方式获取与发送CSI，同时MF-RIS有多种方式获取CSI。对此，本发明实施例不做具体限定。
一种实施例中，地面用户，UAV基站以及MF-RIS均接入RIS辅助的UAV通信系统，随后根据CSI获取信道参数，并以如下规则决定是否更新资源分配策略：
其中，为第j次迭代时地面用户k的通信速率，本公式的含义为第j次迭代时第l个时隙地面用户k的通信速率。
在决定是否更新资源分配策略后，UAV基站会通过CNPC信道将是否更新资源分配策略的指令发送至MF-RIS与地面用户。
S303:UAV基站、MF-RIS以及用户根据接收到的CSI信息，更新资源分配方案；随后将CSI信息广播，进行循环迭代，直至收敛或达到最大迭代次数。
在一种具体实现方式当中，UAV基站将根据MF-RIS以及地面用户的CSI确定以下两个辅助参数,具体形式为
可选地，在一种具体的实现方式中，上述步骤S301中，基站与各地面用户首先获取当前CSI，并基于预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度，确定当前时刻RIS辅助UAV通信系统的资源分配方案。令UAV下行通信功率资源分配向量为P＝[p1,...,pK],则RIS辅助的UAV通信系统的速率优化方程为
其中，P,Θu,q为所述RIS辅助的UAV通信系统速率优化方程的优化变量，并且RIS辅助的UAV通信系统速率优化方程需要满足预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束。
基于此，可选的，一种具体实现方式中，上述RIS辅助的UAV通信系统速率优化方程满足如下预设约束公式：
其中，和/>为UAV基站的下行传输功率约束，分别表示时刻l所有用户的发射功率应不大于预设的平均功率/>以及时刻l对用户k的发射功率应不大于Ppeak。
其中，为MF-RIS放大功率约束，表示每一时刻反射与透射的有用功率以及噪声功率的和须不大于预设的值Po。
其中，||q[l+1]-q[l]||2≤(vmaxδt)2,l∈{1,…,L-1}，||q[l]-qF||2≤(vmaxδt)2以及q[1]＝qo,q[L]＝qF为UAV飞行位置和移动能力约束，分别表示除去最后一个时刻，UAV每一时刻飞行的移动性约束，最后一个时刻UAV飞行的移动性约束以及UAV的初始位置和最终位置。
其中，以及为MF-RIS幅度和相位响应的约束，分别表示对于MF-RIS每一个单元的反射和透射信号放大倍数的约束，对于MF-RIS每一个单元的反射与透射相位的约束以及MF-RIS每一个单元的反射以及透射放大倍数和应不大于预设值βmax。
为了更好地利用CSI信息，以更好地优化RIS辅助UAV通信系统的资源分配效率，在此对RIS辅助的UAV通信系统速率优化方程进行如下变换：
其中，g(P,Θu,q,μ,ν)的表达式为
但是在接下来的子优化问题中，函数h(μ)与优化变量P,Θu,q无关，因此不再考虑。
可选的，一种具体实现方式中，令w[l]＝[w1[l],...,wK[l]],所述第一子优化方程为：
且所述第一子优化方程具有如下约束条件：
由于第一子优化方程在固定变量Θu,q,μ,ν时，为一个凸问题，因此可以基于现有方法求解。该具体实现方式不对子优化方程的理论求解方式无要求。
可选的，一种具体实现方式中，为了简化第二子优化方程的表达与求解，进行如下变换：固定变量w,q,μ,ν，当k∈Kr[l]时，设否则/>假设因此
类似地，设可得：
设
其中/>则第二子优化方程的目标函数以及约束条件可以转化为
其中|vr,n|2和|vt,n|2分别是MF-RIS第n个单元在第l个时刻的反射和折射放大功率。
由于第二子优化方程在固定变量w,q,μ,ν时为一个凸问题，因此可以基于现有方法求解。该具体实现方式不对子优化方程的理论求解方式无要求。
可选的，一种具体实现方式中，为了简化第二子优化方程的表达与求解，将级联信道表达式转化为
令同时设则/>的表达式可表示为：
令则有：
则第三子优化方程的目标函数为
且所述第三子优化方程具有如下约束条件：
同时由于HLoS[l]为复矩阵，而且基于UAV的轨迹向量q表示，该矩阵导致UAV的轨迹难以处理，因此基于j-1次的迭代结果来近似代替HLoS[l]在第j次的迭代结果。但是本问题中的目标函数g(w,Θu,q,μ,ν)为非凸函数，原因在于目标函数当中存在绝对值项因此基于三角不等式，可得：
可以得到g(w,Θu,q,μ,ν)的上界为
则转化后第三子优化方程的目标函数为
由于第三子优化方程具有如下约束条件没有做任何变换，此处不再赘述。
图4为本发明实施例提供的一种通信资源分配装置的结构示意图，如图4所示，该装置可以包括如下模块：
信息获取与方案确定模块401，用于获取CSI，并基于所获取的各CSI、与预设并基于预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度，并对UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置进行实时调度，获得该时刻的资源分配方案。其中，所述目标设备调度与资源分配方案包括：两个与CSI相关的辅助变量、MF-RIS的幅度与相位响应、UAV对各地面用户的发射功率、UAV的实时位置进行实时调度；
设备调度与资源分配模块402，用于控制所述一个基站以及MF-RIS、多个地面用户，按照所述设备调度与资源分配方案，为自身分配所对应的资源。
以上可见，应用本发明实施例提供的方案，由于在确定上述RIS辅助UAV通信系统的资源分配方案时，综合考虑了所获取当前CSI，因此可以改善RIS辅助UAV通信系统的最大传输速率；并且预设时刻l所有用户的发射功率应不大于预设的平均功率P以及时刻l对用户k的发射功率应不大于Ppeak；预设的每一时刻反射与透射的有用功率以及噪声功率的和须不大于预设的值Po；预设除去最后一个时刻，UAV每一时刻飞行的移动性约束，最后一个时刻UAV飞行的移动性约束以及UAV的初始位置和最终位置；预设对于MF-RIS每一个单元的反射和透射信号放大倍数的约束，对于MF-RIS每一个单元的反射与透射相位的约束以及MF-RIS每一个单元的反射以及透射放大倍数和应不大于预设值βmax。
进一步的，由于引入两个与CSI的辅助变量，可以提高RIS辅助UAV通信系统的资源利用率，从而，可以提高RIS辅助UAV通信系统的传输速率，同时提高资源分配精度，提高提高RIS辅助UAV通信系统的性能。
基于此，应用本发明实施例提供的方案，便可以显著可以提高RIS辅助UAV通信系统的传输速率，同时提高资源分配精度，提高提高RIS辅助UAV通信系统的性能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S301,基站与各地面用户获取当前CSI信息，并基于预设的UAV基站的下行传输约束；
所述约束包括：功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束；以及
MF-RIS幅度和相位响应的约束，以实现进行设备调度、并对UAV对各地面用户的发射功率、MF-RIS的幅度、相位响应、UAV的实时位置进行实时调度，获得资源分配方式；
其中，获得所述资源分配方式时，包括如下优先级：
所述优先级为：
可首先预设资源管理的轮次和与预设最优方法的收敛精度；
同时，随机预设两个辅助变量、UAV基站对于每个用户的发射功率、MF-RIS的幅度相位响应并给定UAV的初始位置；
再次，从而在每一时刻进行方案中更新时可以根据上一时刻的资源管理方案进行迭代；
其中，所述资源管理方案进行迭代更新的时长为预先设定时长；
所述预先设定时长优选为：100ms-500ms之间的任意时间；
其中，UAV以及用户可以通过多种方式获取与发送CSI，同时，MF-RI模块有多种方式获取CSI；
所述资源管理方案包括：目标设备调度与资源分配方案，具体为：
预设两个与CSI的辅助变量，具体为：UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置；
在预设的时刻，所述CSI以及UAV基站，地面用户便可以基于所获取的多个所述CSI、预设的UAV基站的下行传输功率约束、预设的MF-RIS放大功率约束、预设的UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度，并对UAV对各地面用户的发射功率，MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置进行实时调度；
步骤S302，所述UAV基站、所述MF-RIS单元以及所述用户按照所述资源管理方案运行，并发送所述CSI至广播信道；
步骤S303,所述UAV基站、所述MF-RIS单元以及所述用户UAV基站、根据接收到的CSI信息，更新资源分配方案；随后将CSI信息广播，进行循环迭代，直至收敛或达到最大迭代次数；
其中，所述MF-RIS单元所有单元的集合为N＝{1,2,...,N}，所述UAV配备数量为M根天线；
同时，所有用户的集合为K＝{1,2,...,K}，且每个用户配备1根天线；
当UAV的飞行高度恒定为H，设UAV的飞行周期为T，且飞行周期T被分为L个等长的时隙δt，即T＝Lδt，UAV飞行时隙的集合为L＝{1,2,...,L}，且l∈L，则UAV在第l个时刻的位置为q(l)＝[x(l),y(l)]T。
2.如权利要求1所述的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，所述UAV位置以及约束与所述UAV的最大飞行速度vmax关联。
3.如权利要求2所述的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，所述MF-RIS单元和UAV可以全局感知CSI信息，且控制信号的信道模型为控制无负载通信链路。
4.如权利要求3所述的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，所述UAV到RIS信道的衰落模型为莱斯信道衰落模型，可以得到第l个时刻UAV到RIS的信道模型。
5.如权利要求1所述的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，在所述步骤S102中，地面用户，UAV基站以及MF-RIS均接入RIS辅助的UAV通信系统，随后根据CSI获取信道参数，并以如下规则决定是否更新资源分配策略：
其中，为第j次迭代时地面用户k的通信速率；
在决定是否更新资源分配策略后，UAV基站会通过CNPC信道将是否更新资源分配策略的指令发送至MF-RIS与地面用户。
6.如权利要求1所述的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，UAV基站将根据MF-RIS以及地面用户的CSI确定以下两个辅助参数。
7.如权利要求1所述的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，步骤S101中，基站与各地面用户首先获取当前CSI，并基于预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度；
当确定当前时刻RIS辅助UAV通信系统的资源分配方案时，令UAV下行通信功率资源分配向量为P＝[p1,...,pK],则RIS辅助的UAV通信系统的速率优化方程为：
其中，P,Θu,q为所述RIS辅助的UAV通信系统速率优化方程的优化变量。具体地，Θu为MF-RIS的相位参数，且当u＝r时表示反射相位的参数，u＝t时为透射相位的参数；q＝[q(1),…,q(L)]为UAV飞行轨迹的集合。并且RIS辅助的UAV通信系统速率优化方程需要满足预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束。
8.如权利要求7所述的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，所述MF-RIS幅度和相位响应的约束，分别表示对于MF-RIS每一个单元的反射和透射信号放大倍数的约束，对于MF-RIS每一个单元的反射与透射相位的约束以及MF-RIS每一个单元的反射以及透射放大倍数和应不大于预设值。
9.如权利要求7所述的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，还包括应用一种通信资源分配装置，包括：
信息获取与方案确定模块401，用于获取CSI，并基于所获取的各CSI、与预设并基于预设的UAV基站的下行传输功率约束、MF-RIS放大功率约束、UAV飞行位置和移动能力约束以及MF-RIS幅度和相位响应的约束进行设备调度，并对UAV对各地面用户的发射功率，
MF-RIS的幅度与相位响应与UAV的实时位置进行实时调度，获得该时刻的资源分配方案；
其中，所述目标设备调度与资源分配方案包括：
两个与CSI相关的辅助变量、MF-RIS的幅度与相位响应、UAV对各地面用户的发射功率、UAV的实时位置进行实时调度；
设备调度与资源分配模块402，用于控制所述一个基站以及MF-RIS、多个地面用户，按照所述设备调度与资源分配方案，为自身分配所对应的资源。
10.如权利要求1-9任一项所述的应用于RIS辅助的UAV通信网络的资源管理方法，其特征在于，还包括：
应用一种MF-RIS单元，所述MF-RIS单元为一结构电路；
所述结构电路包括：
移相器，其用以控制反射与透射的相位；
所述移相器为两个独立的移相器，每个移相器通过动态调控相移值，可以分别控制反射和折射信号的相位；
功率放大器，其为集中式的放大器，并用于对透射于反射信号的功率集中放大，随后使用功率分配电路对MF-RIS反射与透射信号的放大能量进行分配；
功率分配电路，基于威尔金森功率分配器，具体包括一电子设备作为控制模块；
所述控制模块为：微型计算机、单片机或者FPGA中的一种。
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