一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法技术

本发明专利技术公开了一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，以信号发射功率最小化为优化目标，构建以公有速率和私有速率为约束条件的旋翼无人机下行

【技术实现步骤摘要】
一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法


[0001]本专利技术涉及一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，属于无人机通信

。

技术介绍

[0002]无人机作为通信节点，具有高度可移动性
、
快速部署
、
覆盖范围广等特点
。
同时，存在电池寿命
、
信号干扰
、
通信带宽
、
飞行稳定性等问题
。
在存在多用户的无人机下行通信系统中，干扰是一个难以忽略的问题
。
传统的干扰管理方法，通常采用空分多址接入方法：将干扰完全视作噪声
。
以及非正交多址接入方法：完全将干扰解码
。
需要在有限空间内合理分配用户的位置，很多场景下会存在天线间干扰，导致信号质量下降，而则需要复杂的信号处理和干扰管理技术，来确保干扰最小化，大大增加了系统的复杂性，虽然提高了频谱效率但同时导致较高的系统功耗
。
[0003]因此，进行有效的干扰管理来提高通信系统频谱效率
、
同时降低系统功耗是值得研究的内容
。
[0004]此外，由于大气湍流及旋翼无人机自身抖动等因素影响，机载天线不可避免的存在角度抖动误差，导致波束无法稳定地对准目标用户，造成通信质量的显著下降
。
如何在保证数据传输质量的同时，降低系统功耗
、
获得更好的频谱效率，成为了当今急需解决的技术问题
。

技术实现思路

[0005]目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，针对旋翼无人机飞行期间机体抖动导致的信号方向角误差，构建旋翼无人机下行
(
速率分拆多址接入
)
通信系统鲁棒波束成形优化问题，提出近似方法，设计鲁棒波束成形算法
。
有效提升了无人机通信系统的鲁棒性能，同时提升了无人机空地通信服务质量
。
[0006]技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，包括如下步骤：步骤1：获取基于线性阵列天线的下行传输模型
。
[0007]步骤2：根据基于线性阵列天线的下行传输模型，获取旋翼无人机下行通信系统鲁棒波束成形优化问题
。
[0008]步骤3：求解旋翼无人机下行通信系统鲁棒波束成形优化问题，获得公有信号和私有信号的波束成形向量
。
[0009]作为优选方案，所述基于线性阵列天线的下行传输模型，包括：一个配备有个天线的均匀线性阵列无人机基站和个单天线地面用户，无人机基站采用协议向所有地面用户发射公有信号和私有信号，用户接收到的信号计算公式如下：
；其中，表示向用户
i
发送的私有信号，表示向用户发送的私有信号，和，，分别表示公有信号和私有信号的波束成形向量，表示私有信号的波束成形向量，表示
N
维复向量空间，为加性高斯白噪声，表示复数高斯分布，为噪声功率，为无人机与地面用户之间的空地链路，为的转置
。
[0010]作为优选方案，计算公式如下：；其中，，
c
为光速，为载波中心频率，为无人机到地面用户之间的距离，和分别为无人机和地面用户
m
的坐标，为线性阵列半波长方向矢量
。
[0011]作为优选方案，计算公式如下：；其中，为虚数单位，，为无人机基站天线数量，为信号方向角
。
[0012]作为优选方案，计算公式如下：；其中，为无人机到地面用户的信号方向角估计值，为角度抖动误差的上界，表示2‑
范数
。
[0013]作为优选方案，所述旋翼无人机下行通信系统鲁棒波束成形优化问题，计算公式如下：；；；式中，为惩罚因子，，表示矩阵的秩，；其中，为矩阵最大特征值所对应的特征向量
,
为的一阶矩阵，为公有信号辅助变量，为私有信号辅助变量，
，，，，，表示二阶麦克劳林展开近似表达引入数值，和分别为用户公有信号和私有信号的可达速率门限值，
、。
[0014]作为优选方案，所述计算公式如下：
=
；式中，表示的第
k
行第
l
列个元素的模值，；其中，表示同或运算，，；所述计算公式如下：；式中，，；其中，表示的第
k
行第
l
列个元素的模值，，表示虚部；所述计算公式如下：；式中，；其中，
、、
分别表示的第
k
行第
k
列
、
第
k
行第
j
列
、
第
k
行第
l
列个元素的模值，，表示实部；所述计算公式如下：
=
；式中，表示的第
k
行第
l
列个元素的模值，；所述计算公式如下：；式中，，；其中，表示的第
k
行第
l
列个元素的模值，；所述计算公式如下：；式中，；
其中，
、、
分别表示的第
k
行第
k
列
、
第
k
行第
j
列
、
第
k
行第
l
列个元素的模值，
。
[0015]作为优选方案，所述步骤3，具体包括：采用
matlab
仿真软件求解旋翼无人机下行通信系统鲁棒波束成形优化问题，得到秩一矩阵
。
[0016]作为优选方案，所述
matlab
仿真软件采用
CVX
凸优化问题数值计算软件
。
[0017]有益效果：本专利技术提供的一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，以信号发射功率最小化为优化目标，构建以公有速率和私有速率为约束条件的旋翼无人机下行
RSMA
通信系统鲁棒波束成形优化问题，充分考虑了用户服务质量需求；提出基于二阶麦克劳林展开的信号波束成形增益近似方法，有效降低了无人机通信系统下行
RSMA
鲁棒算法设计难度；并基于此设计联合
S
‑
Procedure
和惩罚函数的信号方向角误差鲁棒波束成形算法，为考虑无人机抖动的鲁棒波束成形技术提供了一个新的解决方案
。
附图说明
[0018]图1是本专利技术提出的一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法的算法流程图
。
[0019]图2是本专利技术提出的一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法的系统模型图
。
[0020]图3是本专利技术提出的一种面向信号方向角误差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：获取基于线性阵列天线的下行传输模型；步骤2：根据基于线性阵列天线的下行传输模型，获取旋翼无人机下行通信系统鲁棒波束成形优化问题；步骤3：求解旋翼无人机下行通信系统鲁棒波束成形优化问题，获得公有信号和私有信号的波束成形向量
。2.
根据权利要求1所述的一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，其特征在于：所述基于线性阵列天线的下行传输模型，包括：一个配备有个天线的均匀线性阵列无人机基站和个单天线地面用户，无人机基站采用协议向所有地面用户发射公有信号和私有信号，用户接收到的信号计算公式如下：；其中，表示向用户
i
发送的私有信号，表示向用户发送的私有信号，和，，分别表示公有信号和私有信号的波束成形向量，表示私有信号的波束成形向量，表示
N
维复向量空间，为加性高斯白噪声，表示复数高斯分布，为噪声功率，为无人机与地面用户之间的空地链路，为的转置
。3.
根据权利要求2所述的一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，其特征在于：计算公式如下：；其中，，
c
为光速，为载波中心频率，为无人机到地面用户之间的距离，和分别为无人机和地面用户
m
的坐标，为线性阵列半波长方向矢量
。4.
根据权利要求3所述的一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，其特征在于：计算公式如下：；其中，为虚数单位，，为无人机基站天线数量，为信号方向角
。5.
根据权利要求4所述的一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，其特征在于：计算公式如下：；其中，为无人机到地面用户的信号方向角估计值，为角度抖动误差的上界，表示2‑
范数
。6.
根据权利要求2所述的一种面向信号方向角误差的无人机下行鲁棒速率分拆方法，
其特征在于：所述旋翼无人机下行通信系统鲁棒波束成形优化问题，计算公式如下：；；；式中，为惩罚因子，，表示矩阵的秩，；其中，为矩阵最大特征值所对应的特征向量
,
为的一阶矩阵，为公有信号辅助变量，为私有信号辅助变量，，，，，，...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳键，陈竹林，吴庆梓，毛益伟，林敏，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：