一种优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法技术

本发明专利技术提供了一种优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法；该方法首先采用黄金分割算法提求解无人机的最佳高度，然后将多维的复杂联合优化问题分解为低维的相对简单的子问题，即无人机水平位置子问题和功率分配子问题，设计一种低复杂度迭代算法首先求出无人机最佳水平位置，然后利用上述结果求出最佳功率分配，得出最终结果，从而最大化用户的总传输速率。传输速率。传输速率。

【技术实现步骤摘要】
一种优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及一种基于NOMA技术的无人机作为中继，通过优化无人机的高度、水平位置和发射功率以最大化用户的总传输速率的方法。

技术介绍

[0002]随着通信技术的飞速发展，有限的频谱资源已经难以满足通信的业务需求。最近几年，通过研究发现非正交多接入(Non
‑
Orthogonal Multiple Access，NOMA)是一种很有前途的技术，与正交多接入(Orthogonal Multiple Access， OMA)相比，它可以支持大规模连接并实现更高的频谱效率。在NOMA网络中，多个用户可以通过使用不同的功率级别来传输同一频谱上的数据。利用功率域中的用户多样性，接收机可以使用连续干扰消除(Successive InterferenceCancellation，SIC)技术从多路复用信号中恢复其期望的信息。将NOMA应用于无人机辅助网络可以进一步提高网络性能，这激发了大量新研究。
[0003]在非正交多址接入协作通信系统中，加入无人机来辅助基站于用户之间的通信当今是研究的热点之一。由无人机来充当中继辅助通信，通过改变无人机的高度、水平位置，然后再对基站和无人机的发射功率进行分配，可以使通信系统的总传输速率达到最大，从而提升通信系统的通信。现有对于NOMA通信系统中频谱效率的研究较多，但涉及无人机作为中继辅助通信的研究相对较少，特别是对于联合优化无人机三维位置和发射功率研究的更少。
[0004]因此，亟需一种优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法，能够解决现有技术中中继无人机通信系统用户总传输速率不佳的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法，以解决上述现有技术中中继无人机通信系统用户总传输速率不佳的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术提供一种优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法，包括以下步骤：
[0008]S1.建立基于NOMA的无人机中继系统，该系统由基站在第一个时隙中向无人机发送数据，然后基站和无人机在第二个时隙中通过非正交多址协议同时向M个用户发送数据，为用户提供服务；
[0009]S2.建立步骤S1中系统的总用户传输速率最大化问题，并将问题分解成无人机高度子问题和无人机水平位置和发射功率子问题；
[0010]S3.针对步骤S2中的无人机高度子问题，采用黄金分割算法求解出最优的无人机高度；
[0011]S4.针对步骤S2中的无人机水平位置和发射功率子问题，利用步骤S3中的结果，使用低复杂度迭代算法来求解最优的无人机水平位置和发射功率。
[0012]优选地，步骤S1中，使用SIC技术，用户在第二个时隙中接收和解码双重信息。
[0013]优选地，步骤S2具体包括：
[0014]考虑下行链路无人机辅助的无线通信网络由基站、无人机和M个蜂窝用户组成，该模型的可实现速率如下：
[0015][0016]用户的总速率表示为：
[0017][0018]联合无人机的高度、水平位置和发射功率的最大化用户总传输速率问题建模如下：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025]C6：L≤h≤H
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0026]其中p
B,U
,p
B,m
,p
U,m
分别代表基站到无人机、基站到用户和无人机到用户的发射功率，C1给定了每个用户的最小速率，C2、C3确保了基站到无人机、基站到用户的总传输功率不大于其最大值，C5确保每一个功率是非负的，C6确保了无人机飞行高度的范围。
[0027]优选地，步骤S3具体包括:
[0028]首先定义W(h)和P(h)作为当无人机的高度被给定为h时的最佳位置和功率分配方案，该公式此时变为一元函数；
[0029]基站到用户和无人机到用户的总传输功率分别表示为
[0030][0031][0032]对于高度子问题的最优高度判断如下：
[0033]情况一：
[0034][0035]此时无人机的发射功率是最大，在这种情况下得到：
[0036][0037]通过反证法进行证明，假设对于任意的m使
[0038][0039]由(1)得:
[0040][0041]这说明情况一中的是多余的，因此与情况一相对应的分配方案不能是最优解，与给定的条件相矛盾，进而得到:
[0042][0043][0044]情况二：
[0045][0046]此时无人机到基站的传输功率是最大，在这种情况下得到：
[0047][0048]与情况一同理，得到：
[0049][0050]情况三：
[0051][0052][0053]当h∈[L,h
*
]时，此时基站到无人机的传输功率是最大，h
*
是无人机的最合适的高度，在这种情况下：
[0054][0055][0056]当h∈[h
*
,H]时，此时无人机到用户的传输功率是最大，在这种情况下：
[0057][0058][0059]与情况一同理，得到：
[0060][0061]R
tot
(h)在h∈[L,h
*
)单调递增，在h∈(h
*
,H]单调递减，利用黄金分割算法可以得到在高度为h
*
时，R
tot
(h)最大；能够得出在高度为h∈[L,H]时,R
tot
(h)是一个单峰函数。
[0062]优选地，步骤S4具体包括:
[0063]S4a.设定无人机的高度已经确定，基站到无人机、基站到用户、无人机到用户的增益分别表示为：
[0064][0065][0066][0067]其中β是距离d0＝1处的参考通道功率增益，(x，y)表示无人机位置，h 为无人机高度，(xb，yb)和(xm，ym)分别表示基站的坐标和用户的坐标。
[0068]S4b.此时无人机功率分配子问题为：
[0069][0070][0071][0072][0073][0074][0075]在此阶段，已经预先给出了无人机的位置，功率分配子问题(21)是非凸的；将约束(22)添加到(21)中并简化表达式R
m
(P)，得到：
[0076][0077]通过增加约束(22)，R
m
(P)表示为：
[0078][0079]问题(22)被重新描述为：
[0080][0081][0082][0083][0084][0085][0086][0087]问题(25)仍然是非凸的；定义新变量E(e
k
),F(f
k<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.建立基于NOMA的无人机中继系统，该系统由基站在第一个时隙中向无人机发送数据，然后基站和无人机在第二个时隙中通过非正交多址协议同时向M个用户发送数据，为用户提供服务；S2.建立步骤S1中系统的总用户传输速率最大化问题，并将问题分解成无人机高度子问题和无人机水平位置和发射功率子问题；S3.针对步骤S2中的无人机高度子问题，采用黄金分割算法求解出最优的无人机高度；S4.针对步骤S2中的无人机水平位置和发射功率子问题，利用步骤S3中的结果，使用低复杂度迭代算法来求解最优的无人机水平位置和发射功率。2.根据权利要求1所述的优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法，其特征在于：步骤S1中，使用SIC技术，用户在第二个时隙中接收和解码双重信息。3.根据权利要求2所述的优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法，其特征在于：步骤S2具体包括：考虑下行链路无人机辅助的无线通信网络由基站、无人机和M个蜂窝用户组成，该模型的可实现速率如下：用户的总速率表示为：联合无人机的高度、水平位置和发射功率的最大化用户总传输速率问题建模如下：水平位置和发射功率的最大化用户总传输速率问题建模如下：水平位置和发射功率的最大化用户总传输速率问题建模如下：水平位置和发射功率的最大化用户总传输速率问题建模如下：水平位置和发射功率的最大化用户总传输速率问题建模如下：水平位置和发射功率的最大化用户总传输速率问题建模如下：水平位置和发射功率的最大化用户总传输速率问题建模如下：其中p
B,U
,p
B,m
,p
U,m
分别代表基站到无人机、基站到用户和无人机到用户的发射功率，C1给定了每个用户的最小速率，C2、C3确保了基站到无人机、基站到用户的总传输功率不大于其最大值，C5确保每一个功率是非负的，C6确保了无人机飞行高度的范围。4.根据权利要求3所述的优化中继无人机的高度、水平位置和发射功率的方法，其特征
在于：步骤S3具体包括:首先定义W(h)和P(h)作为当无人机的高度被给定为h时的最佳位置和功率分配方案，该公式此时变为一元函数；基站到用户和无人机到用户的总传输功率分别表示为基站到用户和无人机到用户的总传输功率分别表示为对于高度子问题的最优高度判断如下：情况一：此时无人机的发射功率是最大，在这种情况下得到：通过反证法进行证明，假设对于任意的m使由(1)得:这说明情况一中的是多余的，因此与情况一相对应的分配方案不能是最优解，与给定的条件相矛盾，进而得到:进而得到:情况二：此时无人机到基站的传输功率是最大，在这种情况下得到：
与情况一同理，得到：情况三：情况三：当h∈[L,h
*
]时，此时基站到无人机的传输功率是最大，h
...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁霖，鲁鹏飞，莫木新，
申请(专利权)人：深圳市芯中芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：