一种无人机辅助自组网通信系统信道容量计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机辅助自组网通信系统信道容量计算方法，涉及通信网络领域。通过使用基于路径损耗模型的新型信道容量估计方法，研究无人机基站的不同覆盖布局，以最大化无人机辅助自组网通信系统的总信道容量。首先计算出无人机基站到服务用户之间的平均距离以及无人机基站到邻居无人机的服务用户之间的平均距离，其中设计了一种新型多边形划分策略将多重积分减少到二重积分。然后，根据上述两个平均距离评估使用两种不同覆盖布局的无人机辅助自组网通信系统的总体信道容量。与传统的信道容量计算方法相比，我们提出的基于平均距离的新型信道容量估计方法的计算复杂度显著降低。度显著降低。度显著降低。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机辅助自组网通信系统信道容量计算方法


[0001]本专利技术涉及通信网络领域，具体涉及一种基于平均距离的通信系统信道容量估计方法。

技术介绍

[0002]无人机(unmanned aerial vehicles,UAV)因为其可以灵活地按需部署到覆盖区域，可以在未来的第六代(6G)无线网络中用作基站(base station,BS)或中继站。然而，对于无人机辅助的自组网通信系统来说，最主要挑战是选择适当的覆盖布局，即采用适当的服务区域划分，以最大化信道容量。在按需增强通信和灾后应急通信等典型场景中，无人机基站需要根据地面用户的时变位置分布动态地调整位置，以同时提供无缝的无线覆盖和最大系统容量，采用不合适的覆盖布局会导致系统容量显著下降。
[0003]在现有的无人机辅助无线通信网络的总体信道容量的传统计算方法中，需要收集地面用户以及无人机基站的位置信息，同时还需要计算每个无人机基站到其通信覆盖范围内的所有用户的通信距离，才能够计算出对应的路径损耗，然后根据信道容量的计算公式计算出每个用户的信干噪比，从而推导出总体信道容量。这种方法的计算复杂度会随着邻居无人机以及服务用户的增多而增大，对于用户数量多的应用场景下会因为算力不够而出现位置优化不同步等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对
技术介绍
存在不足之处，改进设计了一种无人机辅助自组网通信系统信道容量计算方法，解决现有技术中当邻居无人机以及服务用户的增多时计算量增大的问题。
[0005]本专利技术技术方案为一种无人机辅助自组网通信系统信道容量计算方法，该方法包括：
[0006]步骤1：构建网络拓扑；
[0007]设第j个无人机基站的地面覆盖区域中心点的二维坐标记为：
[0008][0009]其中，表示实数集，表示无人机的总个数，假设每个无人机基站只能在自己的覆盖范围内悬停，并且其三维坐标向量可由装备的全球定位系统获得，记为：
[0010][0011]无人机基站的邻居定义为地面覆盖区域与的地面覆盖区域相邻的无人机，并且在无人机辅助自组织无线网络中无人机的邻居关系始终保持不变；那么对于无人机基站它的邻居的索引集合为：
[0012][0013]其中，是邻居的索引，为的邻居；设第i个地面用户位于无人机基站的覆盖范围内，并且将二维坐标向量记为表示地面用户总数，则：
[0014][0015]其中，κ
i
表示的地面用户邻居，‖‖表示欧几里得向量范数，则无人机基站覆盖的所有用户的索引集为：
[0016][0017]每个无人机基站已知所有地面用户的位置；
[0018]步骤2：计算平均距离；
[0019]步骤2.1：设地面用户均匀地分布在其服务的无人机基站的覆盖区域内，符合二维同质点过程，则地面用户位置的概率密度函数f
X,Y
(x,y)为：
[0020][0021]其中，S
Ω
是覆盖区域的面积，(x,y)表示一个随机用户的位置；
[0022]步骤2.2：无人机基站投射到水平面上的二维坐标为(m,n)，则用户与无人机基站之间的投射距离为该投射距离被视为一个随机变量，计算σ
ij
在无人机基站位置为(m,n)条件下的平均值
[0023][0024]步骤2.3：计算无人机基站在Ω
j
区域内的概率f
M,N
(m,n)为：其中S
Ω
是覆盖区Ω
j
的面积；
[0025]步骤2.4：将覆盖区域Ω
j
划分为个等距网格点，然后结合无人机基站的概率分布函数采用下式计算σ
ij
的平均值
[0026][0027]将覆盖区域进行网格划分，划分为正方形或三角形，则最小正方形或三角形的顶点坐标为(m,n)，用η来表示一个正方形覆盖区域或六边形覆盖区域外缘被划分的总段数，计算网格点的总数
[0028][0029]步骤3：计算总体信道容量；
[0030]步骤3.1：计算ATG路径损耗PL
ζ
；
[0031]PL
ζ
＝FSPL+ξ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0032]其中，FSPL表示无人机基站与其服务的地面用户之间的自由空间路径损耗，ξ表示由于无人机基站与其服务的用户之间的LoS或NLoS传播信道导致的过度路径损耗；
[0033]步骤3.2：计算从用户到其服务无人机基站的平均传播距离
[0034][0035]其中，ρ
j
表示指定无人机基站的高度；
[0036]步骤3.3：计算无人机基站发出的无线电信号的平均自由空间路径损耗
[0037][0038]其中，f指定发射信号的载波频率，c表示光在空气中的传播速度；
[0039]步骤3.4：计算无人机基站和地面用户之间存在LoS连接的概率
[0040][0041]其中，a和b都为环境参数，表示所服务的地面用户的平均仰角，计算方法为：
[0042][0043]步骤3.5：计算无人机基站和地面用户之间存在NLoS连接的概率
[0044][0045]其中，表示无人机基站和地面用户之间存在LoS连接的概率；
[0046]步骤5.6：计算从无人机基站到其服务和邻近的地面用户的平均路径损耗
[0047][0048]在统一发射功率P
T
下，计算无人机基站服务的地面用户的平均接收功率和所有相邻无人机基站产生的平均总干扰功率
[0049][0050]其中，表示相邻无人机的总数量，和分别表示所有地面用户与其服务无人机基站之间和所有地面用户与相邻无人机基站之间的平均路径损耗；
[0051]步骤5.7：将平均干扰和环境噪声功率可以定义为其中表示
以dBm为单位的环境噪声功率，δ()和θ()为“dBm”和“Watt”之间的功率单位转换函数，有
[0052][0053]计算由服务的地面用户的平均接收SINR；
[0054][0055]步骤5.8：通过下式计算得出由无人机基站提供服务的所有地面用户的估计总体信道容量R
j
：
[0056][0057]其中，表示所服务的地面用户总数。
[0058]本专利技术通过将平均距离纳入总体信道容量的估计，计算复杂性从而大大降低。
附图说明
[0059]图1为无人机辅助自组织无线网络在正方形和六边形覆盖布局下的网络设置示意图；
[0060]图2为η＝3时正方形单元格和六边形单元格的典型划分示意图；
[0061]图3为对于正方形和六边形单元格，相对于η的收敛趋势图；
[0062]图4为正方形和六边形覆盖布局的总体信道容量曲线图。
具体实施方式
[0063]典型的无人机辅助自组网通信系统的网络覆盖区域如图1所示。假设无人机辅助自组织无线网络本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机辅助自组网通信系统信道容量计算方法，该方法包括：步骤1：构建网络拓扑；设第j个无人机基站的地面覆盖区域中心点的二维坐标记为：其中，表示实数集，表示无人机的总个数，假设每个无人机基站只能在自己的覆盖范围内悬停，并且其三维坐标向量可由装备的全球定位系统获得，记为：无人机基站的邻居定义为地面覆盖区域与的地面覆盖区域相邻的无人机，并且在无人机辅助自组织无线网络中无人机的邻居关系始终保持不变；那么对于无人机基站它的邻居的索引集合为：其中，是邻居的索引，为的邻居；设第i个地面用户位于无人机基站的覆盖范围内，并且将二维坐标向量记为二维坐标向量记为表示地面用户总数，则：其中，κ
i
表示的地面用户邻居，‖‖表示欧几里得向量范数，则无人机基站覆盖的所有用户的索引集为：每个无人机基站已知所有地面用户的位置；步骤2：计算平均距离；步骤2.1：设地面用户均匀地分布在其服务的无人机基站的覆盖区域内，符合二维同质点过程，则地面用户位置的概率密度函数f
X,Y
(x,y)为：其中，S
Ω
是覆盖区域的面积，(x,y)表示一个随机用户的位置；步骤2.2：无人机基站投射到水平面上的二维坐标为(m,n)，则用户与无人机基站之间的投射距离为该投射距离被视为一个随机变量，计算σ
ij
在无人机基站位置为(m,n)条件下的平均值无人机基站位置为(m,n)条件下的平均值
步骤2.3：计算无人机基站在Ω
j
区域内的概率f
M,N
(m,n)为：其中S
Ω
是覆盖区Ω
j
的面积；步骤2.4：将覆盖区域Ω
j
划分为个等距网格点，然后结合无人机基站的概率分布函数采用下式计算σ
ij
的平均值的平均值将覆盖区域进行网格划分，划分为正方形或三角形，则最小正方形或三角形的顶点坐标为(m,n)，用η来表示一个正方形覆盖...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎啸，朱晟龙，王茜，吴孝纯，何羚，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：