面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法、无人机及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法、无人机及装置，在无人机与基站之间通过自由空间光进行通信连接，在无人机与地面用户之间采用微波通信连接，构成大容量和高可靠性的骨干网络，以承接极大的数据传输量。基于各地面用户的统计用户信道信息，利用代价函数进行用户组的相关性计算将地面用户进行分组，采用轮询调度的方式逐一服务各用户组，对于每个用户组以最大化组内每个地面用户平均信干噪比建立优化问题求解每个地面用户相应的波束成形矢量，通过空分多址实现每个用户组内所有地面用户的同时通信，不依赖各用户瞬时的信道状态信息进行波束成形处理，极大降低的了功耗和实现复杂度，减少了估计量化和反馈的延迟。化和反馈的延迟。化和反馈的延迟。

【技术实现步骤摘要】
面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法、无人机及装置


[0001]本专利技术涉及无人机通信领域，尤其涉及一种面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法、无人机及装置。

技术介绍

[0002]随着无人机技术的发展日益成熟，其在无线通信系统中显示了广阔的应用前景。采用无人机通信不仅可以弥补人烟稀少的偏远地区无线网络覆盖率低的问题，而且可以解决热点地区的无线覆盖增强问题，尤其是在受到自然灾害影响地面基站损坏的情况下，借助于无人机可以迅速建立起可靠的通信链路。因此，无人机通信不仅是应急通信不可或缺的一种无线传输手段，而且成为了第6代移动通信的核心关键技术之一，受到了工业界和学术界的高度关注。
[0003]然而，随着人们对更高通信速率需求的增长，互联网中高流量业务暴增，使得无人机的数据传输量迅速增长，无人机与基站连接的前传和回传链路成为无人机网络通信的主要挑战。现有技术利用无人机进行通信的过程中，大多在射频链路瞬时信道状态信息完全已知的条件下进行波束成形，这种形式在实际应用过程中存在局限性，会增加系统的功耗和实现的复杂度，具体表现在获取瞬时信道状态信息增加了无人机的功耗，其次，会不可避免地产生估计、量化、反馈延迟等误差。
[0004]因此，亟需一种新的下行链路传输方法以基于无人机进行通信。

技术实现思路

[0005]鉴于此，本专利技术提供了一种面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法、无人机及装置，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，解决现有技术在利用无人机进行通信的过程中功耗过高且存在估计、量化、反馈延迟的问题。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一方面，本专利技术提供一种面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法，所述方法用于在无人机端运行，所述无人机通过自由空间光通信连接基站，所述无人机通过微波连接地面用户，所述方法包括：通过多次信道采样获得设定范围内多个地面用户的统计用户信道信息，所述统计用户信道信息为地面用户信道状态信息的统计平均值；将所述统计用户信道信息表示为各地面用户的信道自相关矩阵，并进行特征值分解获得最大特征值对应的特征向量；采用预设分组算法根据各地面用户对应的特征向量将所有地面用户分为设定数量个用户组，采用轮询调度的方式逐一服务各用户组；以最大化组内每个地面用户平均信干噪比建立优化问题，并求解获得各用户组中每个地面用户相应的波束成形矢量，并通过空分多址和/或时分多址实现每个用户组内所
有地面用户的同时通信。
[0007]优选地，将所述统计用户信道信息表示为各地面用户的信道自相关矩阵，并进行特征值分解获得最大特征值对应的特征向量，包括：对第k个地面用户的信道自相关矩阵进行特征值分解，计算式如下：；其中，表示第k个地面用户的信道自相关矩阵，表示第k个地面用户的信道矢量，是第k个地面用户的特征向量组成的酉矩阵，，是第k个地面用户的对角线元素为特征值的对角矩阵，即，标记最大特征值为，对应的特征向量为，diag()表示构造对角矩阵操作，表示对第k个地面用户所构建的对角矩阵的的第n个对角线元素；表示求统计平均，H表示把原矩阵中每个元素求共轭再转置。
[0008]优选地，采用预设分组算法根据各地面用户对应的特征向量将所有地面用户分为设定数量个用户组，包括：在初始状态下将每一个地面用户作为一个独立用户组，在每一次循环中使用代价函数计算各用户组之间的相关性，并将代价函数计算值最小的一对用户组合并为一个大用户组，直至所有地面用户被分设定数量个用户组。
[0009]优选地，所述代价函数为：；其中，表示集合的基数，表示第p个用户组，表示第q个用户组；表示第p个用户组集合的基数，表示第q个用户组集合的基数，表示第k个地面用户和第i个用户信道自相关矩阵最大特征值对应的特征向量之间的相关性，定义如下：；其中，分别表示第k个用户信道自相关矩阵最大特征值对应的特征向量，表示第i个用户信道自相关矩阵最大特征值对应的特征向量，H表示把原矩阵中每个元素求共轭再转置。
[0010]优选地，以最大化组内每个地面用户平均信干噪比建立优化问题，并求解获得各用户组中每个地面用户相应的波束成形矢量，包括：在已知各地面用户的统计用户信道信息的条件下，针对第s个用户组，以最大化组内每个地面用户平均信干噪比建立优化问题，表示为：；；；；；；式中，表示求统计平均，s.t.表示约束条件，表示基站的发射功率，表示无人机对第k个地面用户的发射功率，表示自由空间光链路的路径损耗，表示射频链路的路径损耗，表示光电转换系数，表示自由空间光链路的小尺度衰落系数，表示第k个地面用户射频链路的信道矢量，表示自由空间光链路的加性高斯白噪声方差，表示第k个地面用户射频链路的加性高斯白噪声方差，表示第k个地面用户波束成形权矢量。
[0011]优选地，根据Mullen不等式近似所述优化问题，把对地面用户信干噪比整体求期望转化为对地面用户信干噪比的分子分母分别求期望，表示为：；
根据目标函数随独立变量和单调递增的特点，仅保留可将所述优化问题简化为：；根据Mullen不等式，通过对把对整体求期望转化为对的分子分母分别求期望，得到近似的所述优化问题表达式：。
[0012]优选地，采用基于统计地面用户信道信息的迫零方法，使目标地面用户信道与其他地面用户信道相互正交，以消除地面用户之间的干扰，即优化目标的分母项满足下式：；进而将所述优化问题简化为：；求解该组每个地面用户相应的波束成形权矢量，表示为：；其中，表示 的零空间投影矩阵，表示除第k个用户所有用户信道自相关矩阵最大特征值对应的特征向量集合所构成的矩阵，即；表示N*N对角元素为1的单位矩阵。
[0013]另一方面，本专利技术还提供一种用于通信的无人机，至少包括：无人机主体；动力组件，设置在所述无人机主体上，用于驱动所述无人机主体飞行；自由空间光通信模块，设置在所述无人机主体内，用于与基站建立自由空间光通信连接；微波通信模块，设置在所述无人机主体内，用于与多个地面用户建立微波通信连接；处理器模块，设置在所述无人机主体内，并连接所述自由空间光通信模块和所述微波通信模块，用于执行上述面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法。
[0014]另一方面，本专利技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
[0015]另一方面，本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0016]本专利技术的有益效果至少是：本专利技术所述面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法、无人机及装置中，在无人机与基站之间通过自由空间光进行通信连接，在无人机与地面用户之间采用微波通信连接，构成大容量和高可靠性的骨干网络，以承接极大的数据传输量。基于各地面用户的统计用户信道信息，利用代价函数进行用户组的相关性计算将地面用户进行分组，采用轮询调度的方式逐一服务各用户组，对于每个用户组以最大化组内每个地面用户平均信干噪比建立优化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法，其特征在于，所述方法用于在无人机端运行，所述无人机通过自由空间光通信连接基站，所述无人机通过微波连接地面用户，所述方法包括：通过多次信道采样获得设定范围内多个地面用户的统计用户信道信息，所述统计用户信道信息为地面用户信道状态信息的统计平均值；将所述统计用户信道信息表示为各地面用户的信道自相关矩阵，并进行特征值分解获得最大特征值对应的特征向量；采用预设分组算法根据各地面用户对应的特征向量将所有地面用户分为设定数量个用户组，采用轮询调度的方式逐一服务各用户组；以最大化组内每个地面用户平均信干噪比建立优化问题，并求解获得各用户组中每个地面用户相应的波束成形矢量，并通过空分多址和/或时分多址实现每个用户组内所有地面用户的同时通信。2.根据权利要求1所述的面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法，其特征在于，将所述统计用户信道信息表示为各地面用户的信道自相关矩阵，并进行特征值分解获得最大特征值对应的特征向量，包括：对第k个地面用户的信道自相关矩阵进行特征值分解，计算式如下：；其中，表示第k个地面用户的信道自相关矩阵，表示第k个地面用户的信道矢量，是第k个地面用户的特征向量组成的酉矩阵，，是第k个地面用户的对角线元素为特征值的对角矩阵，即，标记最大特征值为，对应的特征向量为，diag()表示构造对角矩阵操作，表示对第k个地面用户所构建的对角矩阵的的第n个对角线元素；表示求统计平均，H表示把原矩阵中每个元素求共轭再转置。3.根据权利要求2所述的面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法，其特征在于，采用预设分组算法根据各地面用户对应的特征向量将所有地面用户分为设定数量个用户组，包括：在初始状态下将每一个地面用户作为一个独立用户组，在每一次循环中使用代价函数计算各用户组之间的相关性，并将代价函数计算值最小的一对用户组合并为一个大用户组，直至所有地面用户被分设定数量个用户组。4.根据权利要求3所述的面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法，其特征在于，所述代价函数为：
；其中，表示集合的基数，表示第p个用户组，表示第q个用户组；表示第p个用户组集合的基数，表示第q个用户组集合的基数，表示第k个地面用户和第i个用户信道自相关矩阵最大特征值对应的特征向量之间的相关性，定义如下：；其中，分别表示第k个用户信道自相关矩阵最大特征值对应的特征向量，表示第i个用户信道自相关矩阵最大特征值对应的特征向量，H表示把原矩阵中每个元素求共轭再转置。5.根据权利要求4所述的面向无人机通信的多用户下行链路无线传输方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，丁正阳，戴勇，汪大洋，江凇，贾平，李沛，蒋春霞，蔡昊，徐惠臣，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司信息通信分公司，
类型：发明
国别省市：