一种智能反射面辅助的UAV-NOMA系统资源分配方法技术方案

本发明专利技术涉及一种智能反射面辅助的UAV

【技术实现步骤摘要】
一种智能反射面辅助的UAV
‑
NOMA系统资源分配方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，涉及一种智能反射面辅助的UAV
‑
NOMA系统资源分配方法。

技术介绍

[0002]随着移动通信业务需求的不断增长，系统容量的增加和频谱效率的提升成为亟待研究解决的核心目标。非正交多址技术(Non
‑
Orthogonal Multiple Access，NOMA)通过在相同的时频资源叠加多个用户发送的信息来提升多用户系统的频谱利用率。智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)是由多个低成本、无源反射单元构成的表面，通过每个反射单元对反射信号的幅度和相位的调整来动态调整无线信道，因此IRS辅助的NOMA系统能够进一步改善信号传输质量，提升系统的性能。无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)可以通过挂载小型基站等通信设备升空提供通信服务，相对地面服务提供设施具有移动性高，灵活易部署，不受地面地形限制等优势。在某些场景没有无线信号覆盖或者覆盖质量不高而有紧急通信需求的情况下，通过无人机可有效拓展无线信号的覆盖范围，提升服务质量。考虑到无人机具有能量受限的缺点，在一定功率限制的条件下对UAV的运动轨迹，IRS的反射系数以及NOMA功率分配进行联合优化，对更好地满足系统和用户的传输速率需求，提高系统整体性能至关重要。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种智能反射面辅助的UAV
‑
NOMA系统资源分配优化方案，用来提升通信系统总速率，而且相较于传统不使用智能反射面的方案，能实现更高的系统速率。
[0004]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种智能反射面辅助的UAV
‑
NOMA系统资源分配方法，包括以下步骤：
[0006]S1：设置关于UAV轨迹、发射功率和智能反射面反射系数的初始值，优化用户调度，在用户服务质量的约束下，构建线性规划问题；
[0007]S2：把步骤S1得到的关于用户调度的结果和智能反射面反射系数作为输入，优化关于UAV轨迹设计和用户间功率分配，将非凸的优化问题变为凸优化问题求解，得到UAV轨迹和用户功率分配值；
[0008]S3：把步骤S1中求得的用户调度值，步骤S2中得到的UAV轨迹和用户间功率分配值和反射系数的初始值当作输入，求解智能反射面的反射系数；把信道增益写成矩阵相乘求迹的形式，采用半正定松弛SDR方法去掉秩一约束，把非凸问题转化为凸问题求解，得出用户速率的优化结果；
[0009]S4：把步骤S3得到的通信速率结果和上一次比较，若差值大于精度阈值，则回到步骤S1，继续把上一次优化出的值当作下一次的输入进行迭代，如果差值小于精度阈值，则输出优化的结果。
[0010]进一步，步骤S1具体包括：UAV在一段时间内从A点飞到B点，A的位置为q0，B的位置为q
Final
，再把总的时间分为N个离散的时间间隔，用户共分为K组，每组I个用户，所有用户功率的总和不超过UAV的最大通信发射功率，而且每个用户的平均通信速率都要大于最小的通信速率要求；当某一个时隙第k组用户和UAV通信，则用户调度系数为s
k
[n]＝1，否则为s
k
[n]＝0；当给定UAV轨迹、发射功率和智能反射面反射系数，求解用户调度系数时，优化问题为：
[0011][0012][0013][0014][0015]其中R
k,i
[n]是每个时隙各用户速率，R
min
为QoS约束。
[0016]进一步，步骤S2中，当给定用户调度和智能反射面的反射系数后，优化UAV的轨迹和功率分配，优化问题变为：
[0017][0018]s.t.q[0]＝q0,q[N]＝q
Final
[0019]||q[n+1]‑
q[n]||≤δ
n
V
max
[0020][0021][0022]通过引入辅助变量代替UAV到用户，UAV到智能反射面的距离：
[0023](d
k,i
[n])2≥||q[n]‑
u
k,i
||2[0024](dd
k,i
[n])2≥||q[n]‑
r||2[0025]把上述两个辅助变量代替信道增益中计算距离的部分，则信道增益写为：
[0026][0027]其中ρ，B
k,i
，C
k,i
是和辅助变量无关的常数项；
[0028]则弱用户的干扰和噪声项为：
[0029][0030]强用户的干扰和噪声项为：
[0031][0032]经过上述变换，则原问题变为凸问题，可以求解，如下式：
[0033][0034]s.t.q[0]＝q0,q[N]＝q
Final
[0035]||q[n+1]‑
q[n]||≤δ
n
V
max
[0036][0037]η
k,i
≤(f
k,i
[n]+C
k,i
[n]g
k,i
[n])
lb
[0038][0039][0040][0041]进一步，步骤S3的具体过程如下：
[0042]把步骤S1和步骤S2的优化结果当作S3的输入，优化智能反射面的反射系数，把信道增益写成矩阵相乘求迹的如下形式：
[0043][0044]其中c
k,i
和v分别是不包含智能反射面的信道增益和反射面反射系数矩阵，采用SDR的方法把秩一约束去掉，得到如下可以求解的公式：
[0045][0046][0047][V]m,m
＝1,
[0048]V＞0
[0049]最后得到优化后的用户调度系数、UAV轨迹、发射功率、反射系数和系统总速率。
[0050]进一步，步骤S4具体包括：把得到的系统总速率和上一次迭代的结果进行相减，第一次的结果设置为0，根据差值结果和精度阈值比较，决定是否回到步骤S1或直接输出结果。
[0051]本专利技术的有益效果在于：
[0052]1、本专利技术提出的联合优化UAV轨迹设计，发射功率，IRS反射系数和用户调度方法，在有效资源下实现了更高的系统速率。
[0053]2、本专利技术提出的智能反射面辅助通信方案，比没有反射面的情况能提供更高的系统通信速率，这说明了智能反射面可以改变反射信号的相位实现相干增强效果，能提供更好的信道增益。
[0054]3、采用NOMA多址接入方式，比以往的OMA方式能更好地利用时域、频域资源，在相同的通信资源下，能实现更高的系统速率。
[0055]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能反射面辅助的UAV
‑
NOMA系统资源分配方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：设置关于UAV轨迹、发射功率和智能反射面反射系数的初始值，优化用户调度，在用户服务质量的约束下，构建线性规划问题；S2：把步骤S1得到的关于用户调度的结果和智能反射面反射系数作为输入，优化关于UAV轨迹设计和用户间功率分配，将非凸的优化问题变为凸优化问题求解，得到UAV轨迹和用户功率分配值；S3：把步骤S1中求得的用户调度值，步骤S2中得到的UAV轨迹和用户间功率分配值和反射系数的初始值当作输入，求解智能反射面的反射系数；把信道增益写成矩阵相乘求迹的形式，采用半正定松弛SDR方法去掉秩一约束，把非凸问题转化为凸问题求解，得出用户速率的优化结果；S4：把步骤S3得到的通信速率结果和上一次比较，若差值大于精度阈值，则回到步骤S1，继续把上一次优化出的值当作下一次的输入进行迭代，如果差值小于精度阈值，则输出优化的结果。2.根据权利要求1所述的智能反射面辅助的UAV
‑
NOMA系统资源分配方法，其特征在于：步骤S1具体包括：UAV在一段时间内从A点飞到B点，A的位置为q0，B的位置为q
Final
，再把总的时间分为N个离散的时间间隔，用户共分为K组，每组I个用户，所有用户功率的总和不超过UAV的最大通信发射功率，而且每个用户的平均通信速率都要大于最小的通信速率要求；当某一个时隙第k组用户和UAV通信，则用户调度系数为s
k
[n]＝1，否则为s
k
[n]＝0；当给定UAV轨迹、发射功率和智能反射面反射系数，求解用户调度系数时，优化问题为：轨迹、发射功率和智能反射面反射系数，求解用户调度系数时，优化问题为：轨迹、发射功率和智能反射面反射系数，求解用户调度系数时，优化问题为：轨迹、发射功率和智能反射面反射系数，求解用户调度系数时，优化问题为：其中R
k,i
[n]是每个时隙各用户速率，R
min
为QoS约束。3.根据权利要求1所述的智能反射面辅助的UAV
‑
NOMA系统资源分配方法，其特征在于：步骤S2中，当给定用户调度和智能反射面的反射系数后，优化UAV的轨迹和功率分配，优化问题变为：s....

【专利技术属性】
技术研发人员：李国权，张飞豪，李镇凯，林金朝，庞宇，朱宏钰，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：