一种毫米波全双工无人机通信系统的联合优化方法

技术领域

本发明涉及无人机基站毫米波通信技术领域，具体涉及一种毫米波全双工无人机通信系统的联合优化方法。

背景技术

毫米波技术依靠其丰富的频带资源，可以解决现今频带不足的瓶颈问题，是满足5G通信大带宽、高速率传输需求的一种潜在的技术，但是毫米波的波长较短，导致了其存在绕射能力弱，传播损耗大并且传输距离有限的问题，现有对毫米波无人机基站的研究大多考虑无人机基站作为中继去服务一对通信被阻塞的地面用户的场景，或是考虑无人机基站作为基站去服务下行用户的场景。在无人机基站中继的场景中，无人机基站服务的用户数量受到了限制，不能合理利用毫米波大带宽的特点；在无人机基站的场景中，许多研究并没有考虑上行链路，亦或采用TDMA等方法简化问题，降低了信息传输速率。

而无人机基站与毫米波的结合具有先天的优势，一方面无人机基站飞行高度高，可以绕开障碍物，保证毫米波直射路径的存在；另一方面毫米波波长短，天线阵列面积小，适合无人机基站飞行平台，此外，相较于单双工模式，全双工模式可以提升接近一倍的频谱效率，增大了毫米波频段的利用率，因此在同时同频传输的前提下，设计毫米波全双工无人机基站通信系统中位置、波束和功率分配的联合优化方法十分重要。

发明内容

为了实现上行链路和下行链路信息的同时同频传输，提高信息的传输速率，提升频段的利用率，提供一种毫米波全双工无人机通信系统的联合优化方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种毫米波全双工无人机通信系统的联合优化方法，其特征在于，包括：步骤一：建立一个无人机基站通信系统模型，包括无人机基站，天线阵列、多个地面用户，无人机作为基站与多个地面用户进行通信；步骤二：在步骤一建立的模型基础上考虑多个地面用户同时同频传输的策略，构建空对地，地对地以及自干扰信道的模型；步骤三：采用混合波束成形技术减少全双工带来的自干扰以及信道间干扰，优化变量包括无人机基站位置，波束成形向量以及功率分配，并以频谱效率最大化为准则建立优化模型；步骤四：利用分块的思想将步骤三的优化模型转换为三个子问题，确定无人机基站悬停的最优位置，联合求解波束成形向量以及功率分配；步骤五：运用奇异值分解的方法弥补波束成形向量的秩1和恒模约束。

优选的，所述天线阵列采用M×N的天线阵列，天线之间的间隔为d，d＝λ/2，所述无人机基站的坐标为(x

式中：λ表示毫米波波长，x

优选的，下行链路建模的第i个下行用户的接收信号表示为：

式中：h

优选的，所述无人机基站的第i个下行用户的导向矢量建模表示为：

式中：M表示天线阵列每行元素个数，N表示天线阵列每列元素个数，θ

优选的，所述无人机基站采用的毫米波信道h

式中，L

优选的，所述毫米波信道的第l条路径的信道系数建模如下：

式中：c为光速，f

当地面上行用户和下行用户之间由于环境的散射，不存在直射路径，那么h

式中：d

优选的，所述下行链路的频谱效率建模如下：

式中：w

11.根据权利要求1所述的一种毫米波全双工无人机通信系统的联合优化方法，其特征在于，所述上行链路建模的第i个上行用户的接收信号表示为：

式中：h

优选的，由于所述无人机基站的两块天线阵列距离较近，建模为近场传播，自干扰矩阵H

式中：

在接收方采用迫零接收波束成形，接收波束成形向量计算如下：

式中：u

优选的，所述上行链路的频谱效率建模如下：

式中：h

本发明的有益效果包括：

1、通过将无人机基站通信系统与毫米波技术相结合实现两者的优势互补，实现上行链路和下行链路信息的同时同频传输，提高信息的传输速率，提升频段的利用率。

2、将毫米波与无人机基站结合，用无人机基站的飞行高度来保证直射路径的存在，提升通信传播距离与覆盖范围。

3、通过三个子问题成功解决了非凸的原问题，得到了近似解。

4、采用混合波束成形技术，减少全双工带来的自干扰与信道间干扰，与数字波束成形技术相比，减少了硬件成本，并成功处理了混合波束成形带来的恒模条件。

附图说明

图1为本发明考虑的通信场景示意图。

图2为本发明无人机基站部署示意图。

图3为本发明提出的算法与其他情况下对比示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

如图1所示，本实施例，一种毫米波全双工无人机通信系统的联合优化方法，本发明考虑1架毫米波全双工无人机基站，K

一、系统建模

1.下行链路建模

第i个下行用户的接收信号可以表示为：

其中h

无人机基站到第i个下行用户的导向矢量可以建模如下：

其中θ

于是，毫米波信道h

其中L

其中c为光速，f

假设地面上行用户和下行用户之间由于环境的散射，不存在直射路径，那么h

其中d

下行链路的频谱效率可以表示为：

2.上行链路建模

上行链路信号在无人机基站处的接收信号可以表示为：

其中，h

由于两块天线阵列距离较近，所以建模为近场传播，自干扰矩阵H

其中

在接收方采用迫零接收波束成形，接收波束成形向量计算如下：

其中u

于是上行链路的频谱效率可以表示为：

二、优化问题提出

s.t.q

其中

三、优化问题求解

1.无人机基站位置部署

给定波束成形向量以及功率分配策略，优化问题(P1)变为：

(P2)依旧是非凸的，本发明提出理想波束成形假设。

假设1：在理想波束成形的条件下，只有一条直射路径存在，上行和下行链路都获得了完整的天线增益，并且同链路用户间干扰被完全消除，可以用数学公式表示如下：

于是第i个下行用户和第j个上行用户的频谱效率变为：

为了便于描述，令：

于是(P2)变为(P3)：

(P3)的目标函数关于q

其中：

同理，对

其中：

于是问题(P3)变为(P4)：

(P4)问题是凸的，所以可以用CVX工具箱求解，得到无人机基站的最优位置(

2.波束成形和功率分配联合优化

给定无人机基站的最优位置之后，忽略恒模条件(P1c)，并将原目标函数写成矩阵形式，得到：

其中

约束(P5a)(P5c)是为了保证能从W

其中

于是问题(P5)转换为：

(P6)是一个凸优化问题，可以用CVX工具箱求解，可以得到最优解{W

3.秩1和恒模约束弥补

在之前的求解过程中，本发明忽略了秩1约束和恒模约束，因此得到的最优解W

U

σ

至此，通过以上三个部分，本发明得到了最优可行解

本发明的仿真考虑了1架无人机基站、4个上行用户以及4个下行用户的通信网络。无人机基站飞行高度为100m，发送天线阵列以及接收天线阵列的尺寸都为4×4，载波频率为38G Hz，多径数目为4，无人机基站最大发送功率为20dBm，上行用户最大传输功率为20dBm，噪声功率为-110dBm。

图2给出了无人机基站位置和目标函数增长随迭代次数的变化，可以看到无人机基站越接近最优位置，目标函数增长越小，最终小于收敛阈值∈＝10

图3是不同情况下频谱效率随着无人机基站最大发送功率变化的曲线。全数字曲线代表无人机基站采用数字波束成形技术，增加频谱效率的同时也增加了硬件成本；优化方法曲线代表本发明提出的通信方法，可以看到与全数字情况仅有微小的差距；随机位置曲线代表无人机基站部署在随机位置；半双工曲线代表无人机基站采用半双工模式收发信息；上行用户平均功率曲线代表所有上行用户用最大平均功率传输信息。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。