一种联合空中基站部署与空-地信息-能量同传方法技术

一种联合空中基站部署与空

【技术实现步骤摘要】
一种联合空中基站部署与空
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地信息
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能量同传方法


[0001]本专利技术涉及升空移动通信网络中的无线信息与能量传输问题，尤其涉及联合空中基站部署与空
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地信息
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能量同传方法。

技术介绍

[0002]随着虚拟现实、增强现实等新兴多媒体业务快速发展，移动通信系统需要满足传统移动用户对更高数据传输速率的需求。同时，移动终端类型和应用模式多样化背景下，利用移动通信网络支持无线传感器、机器人等非传统机器用户的无线能量传输，实现机器用户无线能量补充的思想也开始受到业界关注。
[0003]受限于非视线传输引入的路径损耗，现有地面移动通信网络在实现无线信息与无线能量同时传输(即信息
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能量同传)时受到较大挑战“T.A.Khan,A.Yazdan andR.W.Heath,Optimization ofPower Transfer Efficiency and Energy Efficiency for Wireless
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Powered Systems With Massive MIMO[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.17,no.11,pp.7159
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7172,Nov.2018”。基于无人机、无人飞艇等平台的升空无线网具有覆盖范围广、视线(Line
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of
‑
Sight，简称LoS)路径传输、部署灵活、费效比高等突出特点，为实现高效无线信息
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能量同传提供了一种新的思路。
[0004]基于升空无线网实现无线信息
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能量同传的关键在于：如何设计空中基站部署位置以及如何优化空
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地信息
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能量同传波形参数，从而在发送功率约束下最大化信息
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能量同传效率。针对上述问题，目前业界主要采用分离式的优化方案，即首先根据用户位置分布确定空中基站位置，如文献“H.El Hammouti,M.Benjillali,B.Shihada and M.Alouini,Learn
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As
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You
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Fly:A DistributedAlgorithm for Joint 3D Placement andUser Association in Multi
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UAVs Networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.18,no.12,pp.5831
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5844,Dec.2019”将空中基站部署在用户群水平位置的几何重心(或质心)，以期最小化大尺度衰落的影响；然后，在固定空中基站位置的条件下，对空
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地信息
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能量同传波形进行优化设计“Y.Xu,X.Xia,K.Xu and Y.Wang,Three
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Dimension Massive MIMO for Air
‑
to
‑
Ground Transmission:Location
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Assisted Precoding and Impact ofAoD Uncertainty[J].inIEEEAccess,vol.5,pp.15582
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15596,2017”。
[0005]关于升空无线网或传统地面无线网中的无线信息与能量传输问题，现阶段已有以下专利成果：
[0006]专利号为201911129575.2公开了一种基于无线能量传输的无人机辅助网络中资源分配方法，首先构建由基站，无人机和用户构成的无人机辅助网络场景；然后分别构建用户与无人机，基站和无人机之间的信道模型和信道容量；利用无人机对用户的发射功率，以及基站和无人机间的信道模型，构建满足限制条件的无人机通信能耗模型并求解，在给定时间分配比例和功率分配比例的情况下引入质心概念优化无人机位置，继续在给定无人机位置的情况下优化时间分配比例和功率分配比例，交替优化获得最优解；按无人机最优位
置进行无人机部署，按所求的功率和时间分配最优比例对无线资源进行分配。
[0007]申请号为202011585200.X公开了一种基于无人机无线能量传输网络的多波束阵列设计方法，包括以下步骤：建立无线能量传输网络的下行信道模型；建立基于用户采集能量最大化的数学模型；建立联合优化无人机三维位置部署、能量波束的低复杂度迭代算法；基于巴特勒矩阵，设计多波束阵列天线。建立了无线能量传输网络的下行信道模型以及基于用户采集能量最大化的数学模型，提出了无人机三维位置部署、能量波束的低复杂度算法以及多波束设计方案，在满足区域内用户覆盖需求的同时，最大化用户采集能量。
[0008]专利号为201811141392.8公开了一种基于5G高低频段的同时无线信息与能量传输方法，首先设计基于5G高低频段的同时无线信息和能量传输网络，然后建立高低混频网络中资源分配问题模型，最后结合最优匹配理论和拉格朗日对偶分解设计联合功率和信道分配的优化算法，网络的覆盖区域包括热点区域和广域覆盖区域，位于广域覆盖区域中的用户只能通过低频带从基站接收信息，位于热点区域中的用户可以通过高频段从基站接收信息，同时通过低频带收集能量，热点区域中的设备采集的能量来自广域覆盖区域中用户的数据信号。
[0009]申请号为201910058638.3公开了一种无线能量传输的大规模MIMO系统基于max
‑
min公平的资源分配方法，该方法在考虑能量塔最大发送功率和充电时间约束下，通过控制能量塔向各个用户的传输功率和充电时间，实现系统用户最小速率最大化。本专利技术建立了无线能量传输的大规模MIMO系统基于max
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min公平的资源分配模型，给出了能量塔对每个用户功率分配的闭式解，将原非凸优化问题通过变量替换转化为凸优化问题，通过凸优化问题的最优性方程求解获得最佳的能量充电时间，最后获得系统系统用户速率最小值。
[0010]对于升空无线网中的无线信息
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能量同传问题，现有研究主要存在以下缺点：
[0011]1.多数成果采用分离式优化方法，即对基站位置和无线信息
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能量同传波形进行分别优化。但分离式优化方案没有考虑空中基站部署位置与最优信息
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能量传输波形之间的关联关系，容易使得方案设计陷入局部最优，难以充分发挥空中基站的灵活部署优势；
[0012]2.空
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地信息
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能量同传过程中，信息传输性能主要受限于多用户干扰，而能量传输性能主要受限于路径损耗，现有基于用户位置分布的空中基站部署和信息
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能量同传波形设计忽略了信息传输与能量传输设计之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种联合空中基站部署与空
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地信息
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能量同传方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：初始化空中基站的候补位置与运动矢量；步骤2：对于所有空中基站后补位置，计算用户整体满意度和信息能量同传波形参数；步骤3：计算所有空中基站后补位置的效用函数；步骤4：根据空中基站后补位置的效用函数，得到候补位置和具有最大效用函数的候补位置；步骤5：判断是否满足了设定的最大迭代次数，若为是，则输出最佳空中基站位置和信息能量同传波形参数；若为否，则更新空中基站的候补位置与运动矢量，出现执行步骤2到步骤5，直至结束。2.根据权利要求1所述的一种联合空中基站部署与空
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地信息
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能量同传方法，其特征在于上述步骤1包括如下过程：定义两类用户：数据用户与能量用户，令表示数据用户集合，表示能量用户集合；空中基站为数据用户提供下行数据传输，同时为能量用户提供无线能量传输；数据用户的下行接收信号为其中，x
u
和x
u
′
分别表示空中基站发送给数据用户u和u
′
的信息承载信号，h
u
表示数据用户u与空中基站之间的信道向量，w
u
和w
u
′
分别表示空中基站分配给数据用户u和u
′
的波束成形向量，n
u
为加性高斯白噪声，噪声功率为根据式(1)，数据用户u的下行数据速率γ
u
通过下式计算令s表示空中基站发送的能量承载信号，则能量用户的接收功率p
u
通过下式计算式中，h
u
表示能量用户与空中基站之间的信道向量，Q表示能量承载信号s的发送协方差矩阵，即Q＝E[ss
H
]，E[
·
]表示统计期望；空中基站的数据承载信号与能量承载信号采用不同频率，不产生相互干扰；令表示空中基站的允许活动区域，在区域内随机产生M个初始空中基站候补位置在区域内随机产生空中基站候补位置的运动矢量初始化算法公差ε和最大迭代次数3.根据权利要求2所述的一种联合空中基站部署与空
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地信息
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能量同传方法，其特征在于上述步骤2包括如下过程：第i+1(其中)次迭代中，令表示空中基站的第m个候补
位置，对于每一个候补位置计算基站最大发送功率约束P
max
条件下的最优信息
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能量同传波形，并评估用户整体满意度函数具体过程如下：(1)构建用户满意度函数其中，Γ
u
表示数据用户期望实现的下行数据速率，P
u
表示能量用户期望实现的接收功率；γ
u
表示数据用户的实际下行数据速率，其计算式由式(2)给出；p
u
表示能量用户的实际接收功率，其计算式由式(3)给出；对于数据用户，当γ
u
≥Γ<...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晓晨，许魁，谢威，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：