一种毫米波无人机通信系统抗抖动鲁棒波束成形优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种毫米波无人机通信系统抗抖动鲁棒波束成形优化方法，包括无人机毫米波通信系统实时接收GPS定位和用户回程信道的反馈信息，获取无人机发射波束成形向量，获取无人机与地面用户之间的俯仰角和方位角信息，因此得出无人机抖动误差的上限值；导入抖动误差模型，并根据无人机发射波束成形向量、噪声功率计算多个地面用户下行传输容量和，确定发射波束成形优化问题；基于凸包理论对抖动误差模型对优化问题的进行确定性转化，利用连续凸近似方法求解，获得波束成形向量参数。本发明专利技术基于向量参数已知的无人机毫米波发射波束成形优化问题模型，确定抗抖动鲁棒波性能最优的无人机毫米波通信系统，提升无人机毫米波通信系统的抗抖动能力。系统的抗抖动能力。系统的抗抖动能力。

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波无人机通信系统抗抖动鲁棒波束成形优化方法


[0001]本专利技术涉及无人机毫米波通信
，具体涉及一种毫米波无人机通信系统抗抖动鲁棒波束成形优化方法。

技术介绍

[0002]近几年，利用毫米波技术实施无人机数据通信成为学术界和工业界的一个研究热点。一方面，毫米波信号短波长高频率的特性，为解决无人机载荷受限以及频谱资源紧张问题提供了可行方案，有利于提高信息传输速率。另一方面，无人机可以灵活布置在空中，较高的飞行位置使得通信过程中往往存在视距路径，可以极大地扩展毫米波通信的覆盖范围并改善网络连通性，使其成为毫米波通信技术的绝佳搭载平台。然而，与具有稳定基础设施的地面蜂窝网络不同，由于大气湍流和飞行控制能力的限制，无人机容易受到气流和自身振动的影响，产生随机抖动，如水平方向的偏航抖动或垂直方向的俯仰抖动，使得波束指向发生角度偏差，进而导致空
‑
地传输链路信息传输效率低下和不稳定。
[0003]毫米波由于定向窄波束的特性，更易受无人机抖动带来的角度误差的影响，通信系统的性能因波束角度偏差会产生更加不利的影响。因此，在毫米波无人机通信系统中无人机的抖动特性带来的负面影响更加不容忽视。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供一种毫米波无人机通信系统抗抖动鲁棒波束成形优化方法；通过优化无人机毫米波发射波束成形向量，最大化最坏情况下多用户下行传输容量和，使得无人机毫米波通信系统对无人机抖动具有较强的鲁棒性。
[0005]技术方案：第一方面本专利技术提供一种毫米波无人机通信系统抗抖动鲁棒波束成形优化方法，包括：
[0006]通过无人机毫米波通信系统实时接收GPS定位和用户回程信道的反馈信息，并分析反馈信息中的多天线无人机基站发射到多个地面用户的毫米波发射波束，根据毫米波发射波束，得出无人机发射波束成形向量，并从反馈信息中提取出无人机和地面用户的位置数据；
[0007]基于无人机和地面用户的位置数据进行计算，确定无人机与地面用户之间的俯仰角和方位角信息，并计算无人机整个飞行过程中无人机与地面用户之间所有的俯仰角和方位角信息，得出无人机飞行过程中抖动误差的上限值；
[0008]将抖动误差的上限值输入无人机毫米波空
‑
地信道抖动误差模型中，并根据无人机发射波束成形向量、无人机到地面用户的噪声功率计算多个地面用户下行传输容量和，确定无人机毫米波发射波束成形优化问题；其中，无人机毫米波空
‑
地信道抖动误差模型根据无人机毫米波空
‑
地信道的通信特点构建而成；
[0009]基于凸包理论对抖动误差模型进行无人机毫米波发射波束成形优化问题的确定
性转化，获得确定性问题；
[0010]对确定性问题利用连续凸近似方法求解，获得无人机毫米波发射波束成形优化问题的向量参数；
[0011]基于向量参数已知的无人机毫米波发射波束成形优化问题模型，确定抗抖动鲁棒波性能最优的无人机毫米波通信系统。
[0012]在进一步的实施例中，无人机与地面用户之间的俯仰角和方位角信息计算公式分别为：
[0013][0014]式中，q
u
＝(x
u
，y
u
)
T
和q
k
(x
k
，y
k
)
T
分别表示无人机和地面用户的水平坐标，x
τ
和y
τ
，τ∈{u，k}分别表示无人机(地面用户)的水平x方向和y方向的坐标，h为无人机的飞行高度，T为向量的转置符号。
[0015]在进一步的实施例中，无人机毫米波空
‑
地信道抖动误差模型的计算公式为：
[0016][0017]式中，h
k
为信道向量，为常数，c为光速，f
c
为载波中心频率，为载波中心频率，为无人机到地面用户之间的距离，为天线阵列向量，θ
k
和分别为无人机与地面用户之间的俯仰角和方位角，和分别为无人机与地面用户之间俯仰角估计值和方位角估计值，Δθ
k
和分别为无人机抖动引起的俯仰角抖动误差和方位角抖动误差，和分别为俯仰角抖动误差上限值和方位角抖动误差上限值；
[0018]其中，天线阵列向量的表达式为：
[0019][0020]式中，d为均匀平面阵相邻天线元素之间的距离，λ为载波波长，1≤m
x
≤M
x
，1≤m
y
≤M
y
，M
x
和M
y
分别为均匀平面阵的行天线数和列天线数。
[0021]在进一步的实施例中，确定无人机毫米波发射波束成形优化问题的表达式为：
[0022][0023][0024]式中，为无人机发射功率的上限值，为多用户下行传输容量和，w
k
为无人机发射波束成形向量；
[0025]其中，多用户下行传输容量和的计算公式为：
[0026][0027]式中，H
k
为信道矩阵，Λ
k
为H
k
的不确定集合，表示无人机到地面用户通信链路的噪声功率，为第k个波束成形向量w
k
的共轭转置向量，为第i≠k个波束成形向量w
i
的共轭转置向量；
[0028]其中，H
k
的不确定集合Λ
k
的计算表达式为：
[0029][0030]式中，h
k
为信道向量，为h
k
的共轭转置向量。
[0031]在进一步的实施例中，获得确定性问题的方法为：
[0032]根据凸包理论含抖动误差的不确定信道矩阵可以表示为不确定集合内有限或无限个离散样本加权和的确定性形式，不确定信道矩阵的表达式为：
[0033][0034]式中，L
k
为总的样本数，为第j个样本的加权系数，为第j个样本，由离散化的角度信息决定；采用替代H
k
，问题(P1)近似表示为确定性问题(P2)，计算公式为：
[0035][0036]s.t.
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4b)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8b)
[0037]在进一步的实施例中，确定性问题利用连续凸近似方法求解方法为：
[0038]利用连续凸近似方法，将非凸问题转化为凸优化问题，
[0039]转化计算公式为：
[0040]max
wk，a，fk，pk
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9a)
[0041][0042][0043][0044](4b)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9e)
[0045]式中，式中，表示取A的实部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波无人机通信系统抗抖动鲁棒波束成形优化方法，其特征在于，包括：通过无人机毫米波通信系统实时接收GPS定位和用户回程信道的反馈信息，并分析反馈信息中的多天线无人机基站发射到多个地面用户的毫米波发射波束，根据毫米波发射波束，得出无人机发射波束成形向量，并从反馈信息中提取出无人机和地面用户的位置数据；基于无人机和地面用户的位置数据进行计算，确定无人机与地面用户之间的俯仰角和方位角信息，并计算无人机整个飞行过程中无人机与地面用户之间所有的俯仰角和方位角信息，得出无人机飞行过程中抖动误差的上限值；将抖动误差的上限值输入无人机毫米波空
‑
地信道抖动误差模型中，并根据无人机发射波束成形向量、无人机到地面用户的噪声功率计算多个地面用户下行传输容量和，确定无人机毫米波发射波束成形优化问题；其中，无人机毫米波空
‑
地信道抖动误差模型根据无人机毫米波空
‑
地信道的通信特点构建而成；基于凸包理论对抖动误差模型进行无人机毫米波发射波束成形优化问题的确定性转化，获得确定性问题；对确定性问题利用连续凸近似方法求解，获得无人机毫米波发射波束成形优化问题的向量参数；基于向量参数已知的无人机毫米波发射波束成形优化问题模型，确定抗抖动鲁棒波性能最优的无人机毫米波通信系统。2.根据权利要求1所述的毫米波无人机通信系统抗抖动鲁棒波束成形优化方法，其特征在于，无人机与地面用户之间的俯仰角和方位角信息计算公式分别为：式中，q
u
＝(x
u
，y
u
)
T
和q
k
(x
k
，y
k
)
T
分别表示无人机和地面用户的水平坐标，x
τ
和y
τ
，τ∈{u，k}分别表示无人机(地面用户)的水平x方向和y方向的坐标，h为无人机的飞行高度，T为向量的转置符号。3.根据权利要求1所述的毫米波无人机通信系统抗抖动鲁棒波束成形优化方法，其特征在于，无人机毫米波空
‑
地信道抖动误差模型的计算公式为：地信道抖动误差模型的计算公式为：式中，h
k
为信道向量，为常数，c为光速，f
c
为载波中心频率，为载波中心频率，为无人机到地面用户之间的距离，为天线阵列向量，θ
k
和分别为无人机与地面用户之间的俯仰角和方位角，和分别为无人机与地面用户之间俯仰角估计值和方位角估计值，Δθ
k
和分别为无人机抖动引起的俯仰角抖动误差和方位角抖动误差，和分别为俯仰角抖动误差上限值和方位角抖动误差上限值；其中，天线阵列向量的表达式为：
式中，d为均匀平面阵相邻天线元素之间的距离，λ为载波波长，1≤m
x
≤M
x
，1≤m
...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳键，倪单福，潘阳阳，衡晟玥，王雪薇，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：