【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及通信感知一体化，具体为一种无人机ris使能感知通信融合网络轨迹与相移优化方法。
技术介绍
1、为满足未来移动信息网络泛在、大规模、全天时的协同感知需求，将感知功能集成到已有的无线通信设施，让规模部署的通信基站同时具备感知功能是备受关注的方案。由于感知和无线通信在收发器结构与信号处理方面具有较强的相似性，且可实现频谱与硬件重用，通信感知一体化技术是实现高频谱效率、低硬件开销，同时促进通信感知互惠增强的关键技术。因此，通信感知一体化有望赋予无线网络感知周围环境的能力，从而充分释放未来移动信息网络的潜能。
2、然而，为达到更高的通信速率与感知精度，通信感知一体化通常运行在毫米波波段。该波段易造成严重的路损，同时非视距传输会大幅削减信号强度。无人机具备高机动性、强视距链路、低成本等优势，可以按需动态部署以增强网络覆盖，其与地面通感一体化技术的交互颇具吸引力。ris是由大量可调反射单元构成的平面阵列，通过控制每个反射单元上入射信号的相移，可以协同调节反射信号的传输特性，从而在发射机与接收机之间建立虚拟视距链路。因此，ris能够同时增强数据传输和目标感知性能。结合上述两种技术的优势，无人机承载ris凭借其智能信号反射与灵活位置部署能够自适应地调节和优化信号传输环境。这为增强地面网络的通信和感知性能引入了新自由度。
3、因此，针对无人机ris使能感知通信融合网络进行轨迹与相移的联合优化设计至关重要。该问题属于高度非凸的优化问题，且无人机位置变量与感知通信信道的耦合关系复杂，现有研究工作尚未解决该联合优化问
技术实现思路
1、本专利技术公开了一种无人机ris使能感知通信融合网络轨迹与相移优化方法，面向未来感知通信深度融合场景，针对地面基站发射通感一体化波束易受阻挡的问题，提出无人机ris轨迹规划与反射相移的联合方法，提升感知与通信的链路质量，所述方法的步骤如下：步骤一、建立无人机ris使能感知通信融合网络系统模型，考虑基站-用户/目标直射信道与基站-ris-用户/目标反射信道，推导直射反射信号叠加下的用户通信速率与目标照射功率；步骤二、描述以通信速率最大化为目标的联合无人机ris轨迹规划与反射相移优化问题，考虑目标照射功率及无人机能耗约束，在确保目标感知性能的前提下提升系统的通信性能；步骤三、引入辅助变量并基于半正定松弛方法求解ris相移矩阵，之后通过高斯随机法重构ris反射向量，采用连续凸近似方法将非凸约束转化为凸约束，进而迭代求解无人机轨迹规划问题；步骤四、根据交替优化方法交替求解ris相移优化与无人机轨迹规划问题，从而获得联合优化结果，有效提升系统的感知和通信性能。本专利技术充分利用无人机ris部署位置与智能反射的双重自由度，有效增强用户通信及目标感知的性能；所述方法在保证目标照射功率的前提下最大化通信速率，从而在通信与感知性能之间取得良好平衡。具体过程如下：
2、本专利技术提出的无人机ris使能感知通信融合系统模型包含1个地面基站、1个无人机ris、k个通信用户和i个感知目标，并考虑基站发射通感一体化波束对用户传输数据同时执行感知的场景。其中，基站配备n根天线，ris共有m个反射单元。ris的相移矩阵为φ(t)＝diag[φ(t)]，其中φ(t)为反射向量。进而，通信用户信道与感知目标信道分别建模为
3、
4、
5、其中，hsr(t)、hru,k(t)、hsu,k(t)、hrt,i(t)和hst,i(t)分别为基站-ris、ris-用户k、基站-用户k、ris-目标i和基站-目标i信道，都采用莱斯信道模型进行建模。
6、用户k的通信速率以及目标i的照射功率分别计算为
7、
8、
9、其中，σ2为噪声功率，wu(t)＝[w1(t),…,wk(t)]为基站的通信波束成形矩阵，wt(t)为感知波束成形矩阵，x(t)代表发射信号，上述基站的波束成形可以在无人机ris位置及相移确定后采用已有的二阶锥规划方法求解，故本专利技术不作详细描述，令w(t)＝[w1(t),...,wj(t),...,wk+n(t)]表示基站波束成形结果。此外，定义q(t)和z(t)分别为无人机的水平和垂直坐标，无人机飞行能耗计算为
10、
11、其中，τ为时隙长度，vxy(t)和vz(t)分别为水平和垂直方向速度，c0，ξ0，ξ1，utip和v0为常数，g0为无人机重力。
12、在此基础上，以通信速率最大为目标的联合无人机ris轨迹与相移优化问题描述为
13、
14、
15、
16、
17、
18、
19、
20、
21、(q(1),z(1))＝(qi,zi),(q(t),z(t))＝(qf,zf),
22、其中，和分别为每个目标和用户的照射功率和通信速率阈值，emax为最大能耗，约束1和2表示感知和通信质量约束，约束3指ris相移范围，约束4指无人机飞行能耗不能超过其携带能量，约束5和6限制了无人机速度，约束7限制了无人机高度范围，约束8代表无人机初始和终止位置约束。
23、该问题求解可以划分为以下几步：
24、1)求解无人机轨迹确定下任意时隙t的ris反射相移优化问题，故省略索引t，根据半正定松弛的思想定义正定矩阵其中引入辅助变量{αk}代表用户通信速率超出最低要求的量，从而将该问题重构为
25、
26、
27、
28、
29、
30、其中，
31、暂时忽略v的秩1约束后，该问题属于标准的半正定规划问题，可以用标准方法求解得到矩阵v，进而采用高斯随机法重构ris反射向量φ。更具体的，随机生成p组随机向量并从中筛选满足约束1和2的可行解。最后，选取使得目标函数的通信速率最大的向量为最优的随机向量，从而重构ris反射矢量φ＝[ξ*]1:m。
32、2)给定每个时隙的ris反射矩阵求解无人机的3d轨迹。求解方法基于连续凸近似，通过迭代逼近问题的近似最优解，定义迭代次数为l。利用上一轮迭代的无人机位置估计信道状态dk(t)和di(t)分别为无人机k与用户和目标i的距离。引入辅助变量{ζk(t)}重构通信速率rk(t)为
33、
34、其中，
35、
36、
37、
38、
39、
40、
41、并且ζk(t)≥dk(t)，采用一阶泰勒展开对第一项进行近似
42、
43、其中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.本专利技术公开了一种无人机RIS使能感知通信融合网络轨迹与相移优化方法，面向未来感知通信深度融合场景，针对地面基站发射通感一体化波束易受阻挡的问题，提出无人机RIS轨迹规划与反射相移的联合方法，提升感知与通信的链路质量，所述方法的步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种无人机RIS使能感知通信融合网络轨迹与相移优化方法，步骤1中通信用户信道与感知目标信道分别建模为
3.根据权利要求2所述的无人机RIS使能感知通信融合网络系统模型，以通信速率最大为目标的联合无人机RIS轨迹与相移优化问题描述为
4.根据权利要求3所述的联合无人机RIS轨迹与相移优化问题，其求解步骤为：
5.根据权利要求4所述的RIS相移与无人机轨迹优化方法，采用交替优化的方式对这两组优化变量迭代求解，直至相邻两次迭代中目标函数变化小于预设的阈值，迭代收敛，最终获得联合无人机RIS轨迹与相移优化结果。
6.按照所述方法对感知通信融合网络进行优化设计，可以充分利用无人机RIS部署位置与智能反射的双重自由度，有效增强用户通信及目标感知的性能；所述方法在保证目
...【技术特征摘要】
1.本发明公开了一种无人机ris使能感知通信融合网络轨迹与相移优化方法，面向未来感知通信深度融合场景，针对地面基站发射通感一体化波束易受阻挡的问题，提出无人机ris轨迹规划与反射相移的联合方法，提升感知与通信的链路质量，所述方法的步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种无人机ris使能感知通信融合网络轨迹与相移优化方法，步骤1中通信用户信道与感知目标信道分别建模为
3.根据权利要求2所述的无人机ris使能感知通信融合网络系统模型，以通信速率最大为目标的联合无人机ris轨迹与相移优化问题描述为
4.根据权利要求3所述的联合无人机ris轨迹...
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