一种基于毫米波阵列的多无人机基站协同传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于毫米波阵列的多无人机基站协同传输方法，属于移动通信领域，包括：建立无人机基站和用户的通信场景；无人机采用模拟‑数字混合波束赋形结构，用户端采用模拟波束赋形结构建立信道模型；根据用户的接收信号，计算各用户的可达率，并构建系统总可达率达到最大时的目标函数，设计无人机位置、用户分组、收发端波束赋形和可达率的约束条件；通过引入视距信道和理想波束赋形，计算理想的用户可达率；进而设计用户功率分配、无人机位置部署以及用户分组；在给定的无人机位置及用户分组下，设计无人机模拟波束、数字波束赋形矩阵和用户模拟波束赋形向量。该方法扩大了地面移动通信网络的覆盖范围，提升了系统通信容量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于毫米波阵列的多无人机基站协同传输方法
本专利技术属于移动通信
，具体是一种基于毫米波阵列的多无人机基站协同传输方法。
技术介绍
近年来，无人机辅助的无线通信引起了广泛关注，并被认为是后5G时代的关键技术之一。由于其灵活的部署能力和较低的人力成本，无人机可以用作空中基站，扩大地面网络的覆盖范围并提高地面用户的服务质量。然而，单个无人机受自身载荷和功率的限制，作为空中基站服务能力十分有限。随着用户数量的增长以及用户分布范围的扩大，单无人机基站往往难以满足多用户通信业务的需求，无法为所有用户提供实时的通信覆盖和接入服务。相反，由多个无人机基站组成的协同网络可以有效地扩大覆盖范围并提高服务用户的数量。因此，多无人机辅助的移动通信技术具有很大的发展潜力，有望在应急通信、偏远地区通信以及突发热点区域通信等领域发挥重要作用。另一方面，地面移动通信速率需求呈现爆炸式增长，传统的微波频段(小于6GHz)频谱资源使用非常拥挤，难以满足日益增长的通信需求，开发高频段已成为学术界和业界的共识，毫米波频段(30-300GHz)具有丰富的频谱资源，有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于毫米波阵列的多无人机基站协同传输方法，其特征在于，具体步骤如下：/n步骤一、建立无人机基站和用户集合以及空间位置的通信场景；/n步骤二、无人机采用模拟-数字混合波束赋形结构，用户端采用模拟波束赋形结构，建立无人机与用户间的信道模型；/n无人机m与用户k之间的信道矩阵表示为：/n

【技术特征摘要】
20201112 CN 20201126259451.一种基于毫米波阵列的多无人机基站协同传输方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、建立无人机基站和用户集合以及空间位置的通信场景；
步骤二、无人机采用模拟-数字混合波束赋形结构，用户端采用模拟波束赋形结构，建立无人机与用户间的信道模型；
无人机m与用户k之间的信道矩阵表示为：



其中，指数表示视距路径，表示非视距路径；Lm,k表示无人机m与用户k信道的非视距路径总个数，表示第条路径的复增益系数，NB表示无人机端搭载的均匀平面阵列的天线个数，和分别表示x方向和y方向天线个数；NU表示用户端单个射频连接的天线个数，和分别表示用户端均匀平面阵列在x方向和y方向天线个数；表示第条路径的分离俯仰角，表示第条路径的分离方位角；表示第条路径的到达俯仰角；表示第条路径的到达方位角；
a(·)为均匀平面阵列天线的阵列响应向量：



其中，M表示水平方向天线阵元个数，N表示垂直方向天线阵元个数，θ表示无人机到用户信道可达路径的俯仰角，φ表示无人机到用户信道可达路径的方位角，d是相邻天线之间的距离，λ是毫米波信号波长，对半波间距天线阵列有d＝λ/2；
所有无人机和所有地面用户之间的信道矩阵，共同组成信道模型；
步骤三、针对被无人机m服务的每个用户，利用各用户的信道模型和信干噪比，计算各用户对应的可达率；
步骤四、利用各用户的可达率构建系统总可达率达到最大时的目标函数，并设计无人机位置、用户分组、收发端波束赋形和可达率的约束条件；
目标函数如下：



vm为无人机m的水平位置坐标；为无人机m所服务用户的集合；Am为无人机m的模拟波束赋形矩阵；Dm为无人机m的数字波束赋形矩阵；wn表示用户n的接收波束赋形向量；Rm,n为用户的信干噪比计算用户km,n的可达率；
无人机位置的约束条件为：



其中表示所有无人机备选位置的集合，设置为[Xmin,Xmax]×[Ymin,Ymax]的矩形区域；
用户分组的约束条件为：



其中第一项约束为每个用户至少被一个无人机服务；表示所有用户的集合；
第二项约束为每个用户至多被一个无人机服务，Φ表示空集；
第三项约束为每个无人机的最大服务用户数约束，最大服务用户数Mmax设置为无人机的射频数NRF；
波束赋形的约束条件为：









其中第一项约束为发射端模拟波束赋形矩阵/向量的恒模约束；
第二项约束为接收端模拟波束赋形矩阵/向量的恒模约束；表示向量的第l个元素；
第三项约束表示无人机发射端总功率不超过最大值P；
可达率的约束条件为：



其中rm,n表示用户km,n的最小可达率需求；
步骤五、利用无人机和各用户的视距信道和理想波束赋形，得到各用户理想的用户可达率；
步骤六、在满足无人机位置、用户分组、发射功率和理想可达率的约束条件下，最大化所有用户的理想可达率之和，对用户功率进行分配，对无人机的位置进行部署以及对用户进行分组；
具体步骤如下：
步骤601、将K个用户按照水平位置初始化分成M组；
采用K均值算法，使得分组后各组用户到该组中心位置的欧氏距离之和最小，得到初始化用户分组将无人机水平坐标设置为K均值算法中各组的中心位置，得到初始化无人机位置
步骤602、计数器t＝1开始迭代，利用第(t-1)轮迭代中的用户分组和无人机m的位置求解优化问题更新第t轮的用户功率分配；
优化问题如下：












其中为无人机m的功率分配向量，通过注水法求解得到最优功率分配为：



其中λm,n为注水高度，满足
步骤603、利用第(t-1)轮迭代中的用户分组和无人机m的位置以及第t轮迭代中的功率分配求解如下优化问题更新无人机m第t轮的位置；
优化问题如下：









首先，对优化问题的目标函数及约束条件放缩，形成局部区域内的位置优化问题；
优化问题如下：












其中为在处的泰勒展开式，Γm,n在局部为fm,n的下界；

表示在处的泰勒展开式，Υm,n在局部为的下界；由于在局部范围内log2(Γm,n)+Υm,n为的下界；
d(t)表示第t次循环中位置更新的最大半径；
然后、采用内点法求解局部区域内的位置优化问题，得到无人机位置
步骤604、利用第(t-1)轮迭代中的用户分组第t轮迭代中的无人机m的位置和功率分配更新第t轮的用户分组；
具体分组过程为：
针对当前用户分组，判断将某一用户转移到其他组后，进行功率分配更新，是否所有用户满足最小可达率约束且总可达率增大，如果是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖振宇，朱立鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11