一种无人机辅助的NOMA反向散射通信系统和速率最大化方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种无人机辅助的非正交多址(Non

【技术实现步骤摘要】
一种无人机辅助的NOMA反向散射通信系统和速率最大化方法


[0001]本专利技术涉及无人机辅助的NOMA反向散射通信系统资源分配
，具体地，涉及无人机辅助的NOMA反向散射通信系统和速率最大化方法。

技术介绍

[0002]从第六代移动通信系统的发展目标看，人们不再满足于人与人的通信，人与物的通信，而进一步探索物与物的通信，因此，在6G以及未来通信系统中，国内外研究人员会重点关注物联网。为了低成本、低能耗、低复杂度、容纳更多的用户以及具有更好的通信质量，将反向散射通信技术和NOMA相结合已经成为未来无线通信和6G发展的一个趋势。同时，由于易于部署、移动性强、与地面用户具有良好的视距，无人机辅助通信也引起了研究人员的关注。
[0003]目前，通过研究反向散射通信资源分配发现，当前研究中考虑的系统主要有三种：传统反向散射通信系统、NOMA协助的反向散射通信系统和无人机辅助的反向散射通信系统。三种系统的资源分配相关研究大多都是基于吞吐量和能效等指标进行优化。在传统反向散射通信系统资源分配相关研究中，如Xu Yongjun等人在《IEEE Wireless Communications Letters,2020,9(8):1191
‑
1195.》上发表了题为“Optimal resource allocation for wireless powered multi
‑
carrier backscatter communication networks”的文章，作者只考虑了地面的基站，在实际问题中还能考虑无人机作为基站增强移动性以及运用NOMA协议增加用户数目。在NOMA协助的反向散射通信系统资源分配相关研究中，如Li Xingwang等人在《IEEE Communications Letters,2021,25(5):1669
‑
1672.》上发表了题为“Backscatter
‑
enabled NOMA for Future 6G Systems:A New Optimization Framework Under Imperfect SIC”的文章，作者只考了地面的基站，在实际问题中可以考虑无人机作为基站与用户建立良好的视距。在无人机辅助的反向散射通信系统资源分配相关研究中，如Yang Gang等人在《IEEE Transactions on Wireless Communications,2020,20(2):926
‑
941.》上发表了题为“Energy
‑
efficient UAV backscatter communication with joint trajectory design and resource optimization”的文章，作者采用的是时分多址协议，为了增大用户数目可以使用NOMA协议。
[0004]对无人机辅助的NOMA反向散射通信系统，现有工作较少，因此针对无人机辅助的NOMA反向散射通信系统的资源分配是一个具有前景的研究方向，可以考虑优化无人机的位置来最大化系统的和速率。
[0005]经过检索，申请公开号CN112468205A，一种适用于无人机的反向散射安全通信方法，包括：确定网络模型、网络通信方式及协议；简化网络模型，将连续时间离散化；求地面各个反向散射设备的接收信号功率；求任一时间各个反向散射设备可收割到的能量，求反向散射信道容量，求各个窃听者的窃听信道容量；定义优化目标为最大化反向散射设备的公平吞吐量，得到优化目标表达式以及其约束；简化优化目标问题，根据优化目标问题采用块坐标下降法求解；包括无人机飞行轨迹设计、设备反向散射因子分配和设备时隙分配三
个部分，同时考虑到地面设备收割能量及通信安全的问题；此外，在实现了对地面多个无源设备的能量供应的同时，还保证了多个设备数据传输的公平性和安全性。
[0006]然而该专利采用的协议为时分多址协议，即在一个时隙最多调用一个反向散射器进行数据传输，一个正交资源块只分配给一个用户，这限制了系统的吞吐量的性能指标，不能满足海量用户同时接入系统的需求。且该方法考虑的为多个反向散射器数据传输的公平性，不能保证系统的吞吐量最大，因此不适用系统吞吐量最大的场景。而在无人机辅助的NOMA反向散射通信系统和速率最大化方法中使用的协议为NOMA协议，该方法中所有反向散射器通过功率域复用同时向无人机传输数据，对比时分多址，这实现了更多的用户连接，提高了频谱的利用效率，且该方法考虑的为整个系统的和速率最大化，可以实现系统的最大速率传输。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种无人机辅助的NOMA反向散射通信系统和速率最大化方法。本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种无人机辅助的NOMA反向散射通信系统和速率最大化方法，其包括以下步骤：
[0009]步骤1)、设置反向散射器的个数，和速率判决门限，最大迭代次数，初始化迭代次数；
[0010]步骤2)、建立优化问题，基于BCD和二次变换方法改写目标函数和约束，得到两个子问题P1和P2，P1为反射系数优化问题，P2为无人机位置优化问题；
[0011]步骤3)、初始化无人机的位置和反射系数和系统和速率，求解子问题P1，由无人机的初始位置计算各个反向散射器的反射系数；
[0012]步骤4)、将子问题P1得出的反射系数代入子问题P2更新无人机的位置；
[0013]步骤5)、和速率更新收敛的判断，计算更新的和速率值，如果更新的和速率与上一次的和速率之差的绝对值不大于和速率判决门限，和速率收敛，给出最大的和速率值，方法结束；如果更新的和速率与上一次的和速率之差的绝对值大于和速率判决门限，则将新计算出的和速率值保存为此时的和速率值并转到步骤3)中更新反射系数，直到和速率满足条件，给出最大的和速率。
[0014]进一步的，所述步骤1)中设置反向散射器个数N，和速率判决门限ζ，最大迭代次数l
max
，初始化迭代次数l＝0。
[0015]进一步的，所述步骤2)建立优化问题，具体包括：
[0016]N个反向散射器独立分布在一个区域，全双工无人机将射频信号传输到下行链路的所有反向散射器，每个反向散射器使用其从射频信号中收集到的能量将其信息通过上行链路发送回无人机；无人机的位置为(x
u
,y
u
)，第j个反向散射器的位置为(x
j
,y
j
)，无人机到第j个反向散射器的距离为其中H为无人机飞行高度；假设无人机完全了解信道状态信息CSI，并考虑BD和无人机之间的信道为视距LoS模型，无人机和反向散射器之间的信道功率增益为其中β0表示参考距离1m处的信道功率增
益；反向散射器从无人机接收到的信号分为两部分，第一部分信号由能量采集器接收，接收到的能量为E
j
＝η
j
(1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机辅助的NOMA反向散射通信系统和速率最大化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)、设置反向散射器的个数，和速率判决门限，最大迭代次数，初始化迭代次数；步骤2)、建立优化问题，基于BCD和二次变换方法改写目标函数和约束，得到两个子问题P1和P2，P1为反射系数优化问题，P2为无人机位置优化问题；步骤3)、初始化无人机的位置和反射系数和系统和速率，求解子问题P1，由无人机的初始位置计算各个反向散射器的反射系数；步骤4)、将子问题P1得出的反射系数代入子问题P2更新无人机的位置；步骤5)、和速率更新收敛的判断，计算更新的和速率值，如果更新的和速率与上一次的和速率之差的绝对值不大于和速率判决门限，和速率收敛，给出最大的和速率值，方法结束；如果更新的和速率与上一次的和速率之差的绝对值大于和速率判决门限，则将新计算出的和速率值保存为此时的和速率值并转到步骤3)中更新反射系数，直到和速率满足条件，给出最大的和速率。2.根据权利要求1所述的无人机辅助的NOMA反向散射通信系统和速率最大化方法，其特征在于，所述步骤1)中设置反向散射器个数N，和速率判决门限ζ，最大迭代次数l
max
，初始化迭代次数l＝0。3.根据权利要求2所述的无人机辅助的NOMA反向散射通信系统和速率最大化方法，其特征在于，所述步骤2)建立优化问题，具体包括：N个反向散射器独立分布在一个区域，全双工无人机将射频信号传输到下行链路的所有反向散射器，每个反向散射器使用其从射频信号中收集到的能量将其信息通过上行链路发送回无人机；无人机的位置为(x
u
,y
u
)，第j个反向散射器的位置为(x
j
,y
j
)，无人机到第j个反向散射器的距离为其中H为无人机飞行高度；假设无人机完全了解信道状态信息CSI，并考虑BD和无人机之间的信道为视距LoS模型，无人机和反向散射器之间的信道功率增益为其中β0表示参考距离1m处的信道功率增益；反向散射器从无人机接收到的信号分为两部分，第一部分信号由能量采集器接收，接收到的能量为E
j
＝η
j
(1
‑
r
j
)P
u
h
j
，其中P
u
为无人机发射功率，x(n)为无人机发射的信号，η
j
表示第j个反向散射器的能量效率转换系数，r
j
表示第j个反向散射器的反射系数；第二部分信号由反向散射器调制后反射回无人机，反射的信号为其中a
j
(n)是反向散射器自身的信息；规定解码顺序从第1个反向散射器到第N个反向散射器，则第j个反向散射器的速率为其中α表示无人机自干扰残余系数，h
uu
为无人机自
干扰信道增益，σ2为系统噪声；系统的和速率为建立优化问题：式中，C1为反射系数约束；C2为无人机最大发射功率约束；C3为能量约束，表明反向散射器消耗的能量不超过收集的能量，其中P
c
为反向散射器维持自身电路工作需要消...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊自甫，胡扬，王正强，万晓榆，多滨，武庆庆，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：