一种无人机通信场景中基于残差优化的混合波束成形方法

技术领域

本申请属于无线通信技术领域，具体涉及一种无人机通信场景中基于残差优化的混合波束成形方法。

背景技术

目前，大多数无线通信服务由地面基站提供。然而，地面基站的应用有一些局限性。考虑到成本和利用率，它不适合建在人烟稀少的地区，如深山地区和丛林地区。而且，地面基站的位置通常是固定的，不能根据需要进行移动。因此，它不适合用于紧急情况，例如地震或其他灾害现场。为了弥补地面基站的不足，有必要寻找一种能够灵活提供服务的通信方案。

无人机通信是一项很有前途的技术，也是下一代网络的重要组成部分。无人机可作为移动基站，它更加灵活，综合成本更低。因此，它可用于在恶劣环境或复杂场景中建立无线链路。不过，虽然无人机能够扩展和改善网络覆盖范围，但毫米波链路的可靠性仍然是一个问题。因此，提高链路的可靠性对于确保无人机毫米波通信系统的服务质量具有重要意义。

发明内容

本申请提出了一种无人机通信场景中基于残差优化的混合波束成形方法，采用多无人机同时进行通信，能明显降低通信中断概率，提高通信系统的可靠性。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种无人机通信场景中基于残差优化的混合波束成形方法，包括以下步骤：

S1、分别获取各无人机与用户间信道；

S2、整合所述信道，并得到发射端最优波束成形矩阵；

S3、基于所述发射端最优波束成形矩阵，构建发射端各无人机与用户间最优波束成形优化矩阵，利用残差优化方法得到混合波束成形矩阵；

S4、基于所述发射端的混合波束成形矩阵，实现接收端混合波束成形矩阵的优化。

优选的，所述S1的方法包括：通过信道估计方法进行获取。

优选的，所述S2中整合信道的方法包括：对于任意无人机，平均接收功率为ρ，n表示噪声向量，其元素服从独立且相同的

其中，

优选的，所述S2中得到发射端最优波束成形矩阵的方法包括：将信道矩阵波束成形矩阵表示为

H

通过对H

优选的，所述S3中构建发射端各无人机与用户间信道波束成形优化矩阵方法包括：

公式如下：

其中，

优选的，所述S3的残差优化方法包括：利用残差优化算法实现接收端混合波束成形矩阵的优化；

问题构建公式如下：

其中，

优选的，所述S4中包括：将信道矩阵与发射端波束成形矩阵视为整体，构建等效信道矩阵

并根据该矩阵，求得接收端的最优波束成形矩阵，之后同样采用残差优化算法对其混合波束成形矩阵进行优化。

本申请的有益效果为：

本申请采用多无人机同时进行通信，能明显降低通信中断概率，提高通信系统的可靠性。多台无人机采用了协作通信策略，相比于各无人机独立进行波束成形，可提供更高的频谱效率，并具有较好的收敛性。与同类算法相比都采用了协作通信，残差优化算法的效果更好，该算法与协作通信策略的匹配性很好。该算法针对不同参数的场景具有较好的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的整体流程示意图；

图2为本申请实施例的多无人机通信应用场景示意图；

图3为本申请实施例的迭代示意图；

图4为本申请实施例的信噪比示意图；

图5为本申请实施例的无人机数量示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

说明中，x是标量；x是向量；X是一个矩阵；(X)

X的行列式和X的Frobenius范数；

如图1所示，为本申请实施例的整体流程示意图；包括以下步骤：

S1、分别获取各无人机与用户间信道；通过信道估计方法进行获取。在波束成形器中，射频(RF)链用于执行模数或数模转换(ADC或DAC)。由于应用了大规模MIMO，毫米波通信系统的天线单元明显多于传统微波通信系统。混合波束成形，包括数字波束成形和模拟波束成形，对于混合波束成形器，所需射频链的最小数量恰好等于数据流的数量。在模拟波束成形器中，信号处理由移相器完成，移相器只能修改输入信号的相位，而不能调整其幅度。采用了交替最小化方法依次优化模拟波束成形器和数字波束成形器。于是，问题可以迭代求解，每一步只需要计算一个矩阵。

为了保证通信的可靠性，需要部署多台无人机基站，如图5。因此，无人机基站和最终用户组成了一个多小区单用户(MCSU)系统。在该系统中，将每个基站和目标用户视为一个单小区单用户(SCSU)系统，并通过通用的混合波束成形算法获得相应的波束成形器。此外，MCSU通信的设计将通过适当的修改扩展到多小区多用户(MCMU)场景。

S2、整合信道，并得到发射端最优波束成形矩阵；

如图2所示，在系统中，用基站1、基站2、……、基站K表示。全部无人机和用户都配备了毫米波混合波束成形结构。该系统包括N

W

基站k和用户之间的信道由H

上式中，若信噪比(SNR)为

波束成形的优化目标是最大化频谱效率，在发射端(无人机端)，波束成形矩阵和信道矩阵之积也可以表示为

将多个无人机视作一个整体，也就是一个“大”基站，此时，将信道矩阵和波束成形矩阵表示为

H

于是，频谱效率也可以写作

S3、如图3所示，基于最优波束成形矩阵，构建发射端波束成形优化矩阵；可先对发射端优化，再对接收端进行优化。对发射端，可先对H

其中，

对各无人机，波束成形优化问题可以构建为

S4、基于发射端的波束成形优化矩阵，实现接收端混合波束成形矩阵的优化。

在完成发射端的优化后，继续对接收端的波束成形矩阵进行优化。将信道矩阵与发射端波束成形矩阵视为整体，构建等效信道矩阵，形如

通过奇异值分解获得最优的接收端波束成形矩阵，记为W

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。