[发明专利]一种基于NOMA的移动无人机系统的轨迹与功率联合优化方法

说明书

本发明提出了一种基于NOMA的移动无人机系统的轨迹与功率联合优化方法，该方法包括如下步骤：首先根据基于NOMA的移动无人机系统的参数构建优化问题，即在无人机的起点与终点、飞行时间、飞行速度和发送功率等约束下，通过联合优化无人机轨迹与功率分配来最大化用户的最小可达平均速率；其次对优化问题进行等价转化，获得一个满足惩罚对偶分解算法框架的等价问题；然后根据基于惩罚对偶分解的两层迭代算法对优化问题进行求解；最后输出计算结果，得到优化的无人机飞行轨迹和功率分配方案；本发明对基于NOMA的移动无人机通信系统中无人机基站的飞行轨迹和发送功率进行优化，以提高用户的最小可达平均速率。

技术领域

本发明涉及一种无人机通信系统的资源分配优化方法，对基于NOMA的移动无人机通信系统中无人机基站的飞行轨迹和发送功率进行联合优化，以提高用户的可达平均速率。

背景技术

无人机具有灵活性、可移动性和较低的价格，因此无人机通信系统成为了未来无线通信系统的重要组成部分。利用无人机的可移动性，可以通过优化无人机基站的飞行轨迹来提升用户的平均可达速率。

NOMA技术可以利用同一个资源块同时服务多个用户，并通过功率域进行非正交的复用，从而提高系统的频谱效率和可容纳的连接数，是未来无线通信系统的关键技术。在接收端，则以信道增益上升的顺序，采用串行干扰消除(SIC)的方法进行检测和译码。

在基于NOMA的移动无人机通信系统，无人机基站可移动，因而接收端的SIC顺序会随时间改变，使得资源分配问题十分复杂。本发明针对基于NOMA的移动无人机通信系统，提出了一种通过联合优化无人机轨迹与发送功率来最大化用户的最小可达平均速率的方法。优化问题的构造考虑的SIC顺序与无人机位置的相关性，能够有效处理SIC顺序随着飞行轨迹变化而变化的问题；所提出的方法在满足无人机参数约束的情况下求解以最大化用户最小可达平均速率为目标函数的优化问题，能够有效地提高基于NOMA的移动无人机通信系统的传输速率。

发明内容

本发明的目的是针对基于NOMA的移动无人机通信系统提出一种无人机轨迹与功率联合优化方法，该方法能够处理接收端SIC顺序随无人机位置变化的问题，能够有效提高用户的最小可达平均速率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种基于NOMA的移动无人机系统的轨迹与功率联合优化方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1、根据基于NOMA的移动无人机系统的参数构建优化问题，即在无人机的起点与终点、飞行时间、飞行速度和发送功率等约束下，通过联合优化无人机轨迹与功率分配来最大化用户的最小可达平均速率。在一个下行移动无人机通信网络，用1个无人机作为空中基站服务K个地面用户。该无人机花费时间T从起始位置q₀飞行到终点位置q_T，且其与地面的距离固定为d_h。无人机的最大飞行速度表示为V_max，总发送功率为P。所有的用户利用同样的频带进行信号传输，而无人机利用NOMA技术对这些用户进行功率域上的复用。将移动无人机基站的飞行时间T离散成N个时隙，每个时隙的长度为δ_t，则无人机的飞行轨迹坐标可表示为

将用户k在时隙n分配到的发送功率表示为P_k(n)，对应水平坐标为无人机在时隙n与用户k的距离为每1m的参考距离下信道功率增益表示为ρ₀，而噪声方差则表示为σ²。根据这些参数，可以构建以下优化问题：

s.t.‖q(n+1)-q(n)‖≤V_maxδ_t, (1.35)

q(1)＝q₀,q(N)＝q_T, (1.36)