基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法，包括：建立毫米波全双工无人机中继通信系统模型；基于建立的毫米波全双工无人机中继通信系统模型，推导计算毫米波全双工无人机平均传输速率表达式，并构建毫米波信道模型；基于毫米波全双工无人机平均传输速率表达式，并结合毫米波信道模型，构建毫米波全双工无人机平均传输速率优化模型，以联合优化用户调度、无人机飞行轨迹、模拟波束成形向量及无人机发射功率，使平均传输速率最大化；对优化问题进行求解，得到优化结果。采用本发明专利技术的技术方案，可以充分利用无人机的高机动性，以最大限度地挖掘毫米波的通信性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，特别涉及一种基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法。

技术介绍

[0002]近年来，无人机在地震救灾、应急通信及快递配送等方面的应用引起了广泛的关注，世界上不少国家正在加速对无人机应用领域的研究，而其中无人机辅助通信是无人机应用的一个重要方向。得益于其高机动性，无人机可以灵活地部署在通信条件较差的环境下，例如荒漠、偏远的乡村和基站受损的灾区。无人机作为中继基站通常能够很容易地建立LOS链路，从空中向地面用户提供可靠的通信服务，扩大地面用户的覆盖面积，这将有效提高恶劣环境下的通信质量。随着第五代无线通信技术的推广以及诸如自动驾驶、远程医疗及超高清视频的普及，由此产生了巨量的数据需求，而传统移动通信网络大都使用低于6GHz的低频段，典型带宽在20M
‑
100MHz之间，而这已难以满足这些新兴业务的需要。为了解决频谱资源短缺的问题，开发利用更高频率的毫米波频段成为势必要研究的问题。全双工通信是指在同一时刻同一频段上允许发送方和接收方同时发射、接收电磁波信号，这一技术能够显著提高频谱效率。
[0003]为了充分发挥无人机、毫米波和全双工等技术的优势，将三者结合起来具有广阔的发展前景。利用无人机的灵活性与高机动性，无人机可以轻松抵达通信条件差的地面用户周围，建立视距链路；利用毫米波丰富的频谱资源，能够缓解目前频谱短缺的局面，并且能够为通信网络提供更高的容量与速度；利用全双工技术能提高频谱效率，为进一步提高网络容量提供了可能。
[0004]然而，现有能将这三者结合起来的研究较少，大部分只研究了其中两种技术的结合。有的研究虽然涉及到这三种技术，但其只考虑了单用户场景，也并未考虑无人机飞行轨迹对通信性能的影响，有的对于全双工技术中自相干扰消除的应对考虑不全。而且也缺少无人机中继通信系统资源优化的相应方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法，以解决现有技术缺少无人机中继通信系统资源优化的相应方案的技术问题。充分利用无人机的高机动性，以最大限度地挖掘毫米波的通信性能。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法，所述基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法包括：
[0008]建立毫米波全双工无人机中继通信系统模型；其中，所述毫米波全双工无人机中继通信系统模型包括：地面基站、无人机和多个地面用户，所述无人机采用全双工通信，作为中继来为多个地面用户提供通信服务；所述地面基站、所述无人机和所述地面用户之间
采用毫米波作为载波进行信号传输；
[0009]基于建立的毫米波全双工无人机中继通信系统模型，推导计算毫米波全双工无人机平均传输速率表达式，并构建毫米波信道模型；
[0010]基于毫米波全双工无人机平均传输速率表达式，并结合毫米波信道模型，构建毫米波全双工无人机平均传输速率优化模型，以联合优化用户调度、无人机飞行轨迹、模拟波束成形向量及无人机发射功率，使平均传输速率最大化；
[0011]对所述毫米波全双工无人机平均传输速率优化模型进行求解，得到优化结果。
[0012]进一步地，所述建立毫米波全双工无人机中继通信系统模型，包括：
[0013]获取地面基站、无人机及地面用户的位置信息；其中，地面基站的数量为一个，无人机的数量为一个，地面用户的数量为K个，无人机作为中继可在同一时间同一频段接收来自地面基站的信号并转发给地面用户，所述无人机按照一定的飞行轨迹并以恒定高度H依次飞过不同用户的上空，在服务完当前用户后便会飞往下一个用户；所述地面基站配备天线阵列M
b
×
N
b
，所述无人机配备有接收天线阵列M
r
×
N
r
和发射天线阵列M
t
×
N
t
，所述地面用户采用单天线；
[0014]根据地面基站、无人机及地面用户的位置信息，建立毫米波全双工无人机中继通信系统模型；其中，以所述地面基站为原点建立三维笛卡尔坐标系，所述地面基站的坐标为(0,0,h
b
)，h
b
是基站的高度，多个地面用户随机分布在以D为边长的正方形区域范围内，第k个地面用户的坐标为g
k
＝(x
k
,y
k
，0)；设定所述无人机的飞行周期为T并将其分为N个时隙，则每个时隙长度为δ＝T/N，假定在每个时隙里，所述无人机的位置近似不变，则所述无人机在不同时隙下的时变坐标为u[n]＝(q[n],H)，其中q[n]＝[x[n],y[n]]T
为水平坐标；将K个地面用户分为K/M个组，每组包含M个用户。
[0015]进一步地，所述平均传输速率表达式如下：
[0016][0017]其中，R
B2G
表示平均传输速率；α
k
[n]表示调度因子，若地面用户k在时隙n被调度，则α
k
[n]＝1，否则α
k
[n]＝0；M表示每组用户的个数；
[0018][0019][0020]其中，H
B2U
[n]表示在第n个时隙时，从基站到无人机之间的信道矩阵；w
b
[n]表示在第n个时隙时，地面基站的波束成形向量；P
B
表示基站的发射功率；H
SI
[n]表示在第n个时隙时，无人机收发天线阵列之间的自相干扰信道矩阵；P
U
[n]表示在第n个时隙时，无人机的发射功率；表示方差值；表示方差值；H
U2G,k
[n]表示在第n个时隙时，无人机与第k个地面用户之间的信道矩阵；w
t,k
[n]表示在第n个时隙时，无人机对第k个地面用户的发射波束成
形向量；H
B2G,k
[n]表示在第n个时隙时，地面基站与第k个地面用户之间的散射信道矩阵；α
j
[n]表示用户j在时隙n时是否被调度；H
U2G,j
[n]表示在第n个时隙时，无人机与第j个地面用户之间的信道矩阵；表示在第n个时隙时，无人机的接收波束成形向量；w
t,j
[n]表示在第n个时隙时，无人机对第j个地面用户的发射波束成形向量。
[0021]进一步地，所述构建毫米波信道模型，包括：
[0022]对于毫米波信道的方向性和稀疏性，不同链路的毫米波信道矩阵表示如下：
[0023][0024][0025][0026][0027]其中，H
B2U
表示从基站到无人机之间的信道矩阵；H
U2G
代表从无人机到地面用户之间的信道矩阵；H
B2G
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法，其特征在于，所述基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法包括：建立毫米波全双工无人机中继通信系统模型；其中，所述毫米波全双工无人机中继通信系统模型包括：地面基站、无人机和多个地面用户，所述无人机采用全双工通信，作为中继来为多个地面用户提供通信服务；所述地面基站、所述无人机和所述地面用户之间采用毫米波作为载波进行信号传输；基于建立的毫米波全双工无人机中继通信系统模型，推导计算毫米波全双工无人机平均传输速率表达式，并构建毫米波信道模型；基于毫米波全双工无人机平均传输速率表达式，并结合毫米波信道模型，构建毫米波全双工无人机平均传输速率优化模型，以联合优化用户调度、无人机飞行轨迹、模拟波束成形向量及无人机发射功率，使平均传输速率最大化；对所述毫米波全双工无人机平均传输速率优化模型进行求解，得到优化结果。2.如权利要求1所述的基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法，其特征在于，所述建立毫米波全双工无人机中继通信系统模型，包括：获取地面基站、无人机及地面用户的位置信息；其中，地面基站的数量为一个，无人机的数量为一个，地面用户的数量为K个，无人机作为中继可在同一时间同一频段接收来自地面基站的信号并转发给地面用户，所述无人机按照一定的飞行轨迹并以恒定高度H依次飞过不同用户的上空，在服务完当前用户后便会飞往下一个用户；所述地面基站配备天线阵列M
b
×
N
b
，所述无人机配备有接收天线阵列M
r
×
N
r
和发射天线阵列M
t
×
N
t
，所述地面用户采用单天线；根据地面基站、无人机及地面用户的位置信息，建立毫米波全双工无人机中继通信系统模型；其中，以所述地面基站为原点建立三维笛卡尔坐标系，所述地面基站的坐标为(0,0,h
b
)，h
b
是基站的高度，多个地面用户随机分布在以D为边长的正方形区域范围内，第k个地面用户的坐标为g
k
＝(x
k
,y
k
，0)；设定所述无人机的飞行周期为T并将其分为N个时隙，则每个时隙长度为δ＝T/N，假定在每个时隙里，所述无人机的位置近似不变，则所述无人机在不同时隙下的时变坐标为u[n]＝(q[n],H)，其中q[n]＝[x[n],y[n]]
T
为水平坐标；将K个地面用户分为K/M个组，每组包含M个用户。3.如权利要求2所述的基于毫米波的全双工无人机中继通信系统资源分配方法，其特征在于，所述平均传输速率表达式如下：其中，R
B2G
表示平均传输速率；α
k
[n]表示调度因子，若地面用户k在时隙n被调度，则α
k
[n]＝1，否则α
k
[n]＝0；M表示每组用户的个数；
其中，H
B2U
[n]表示在第n个时隙时，从基站到无人机之间的信道矩阵；w
b
[n]表示在第n个时隙时，地面基站的波束成形向量；P
B
表示基站的发射功率；H
SI
[n]表示在第n个时隙时，无人机收发天线阵列之间的自相干扰信道矩阵；P
U
[n]表示在第n个时隙时，无人机的发射功率；表示方差值；表示方差值；H
U2G,k
[n]表示在第n个时隙时，无人机与第k个地面用户之间的信道矩阵；w
t,k
[n]表示在第n个时隙时，无人机对第k个地面用户的发射波束成形向量；H
B2G,k
[n]表示在第n个时隙时，地面基站与第k个地面用户之间的散射信道矩阵；α
j
[n]表示用户j在时隙n时是否被调度；H

【专利技术属性】
技术研发人员：杜利平，施天成，陈月云，
申请(专利权)人：北京科技大学顺德创新学院，
类型：发明
国别省市：