[发明专利]机载毫米波通信波束赋形与位置部署方法

权利要求书

1.机载毫米波通信波束赋形与位置部署方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、构建包括无人机基站和用户的机载毫米波下行通信的三维场景；

UAV-BS上同时搭载一个射频链、使用模拟波束赋形结构的天线阵列，以及相位转换器；所有天线都连接在射频链上，并且每一个天线支路都有一个相位转换器和一个功率放大器，所有相位转换器都有相同的比例因子，波束赋形向量的所有元素都有相等的模值；

天线阵列包括天线数量为N的均匀线性阵列ULA或者天线数量为M×N的均匀平面阵列UPA，服务于地面K个随机分布的单天线用户；

建立三维直角坐标系，第i个用户的坐标为(x_i,y_i,0)，UAV-BS的坐标为(x,y,h_U)，其中h_U是UAV-BS的飞行高度，i＝1,2,...K；

步骤二、无人机基站给每个用户分别通过毫米波信道发送数据，分别建立二维波束赋形结构和三维波束赋形结构下的信道模型；

对于二维波束赋形，无人机基站UAV-BS与用户i之间的信道响应向量h_i表示为：

其中表示UAV-BS与用户i之间第条多径分量MPC的信道增益系数，是用户i的第条MPC的指向角，即UAV-BS处的发射角；L_i为UAV-BS与用户i之间的MPC数量；a(·)表示指向向量函数；

对于三维波束赋形，UAV-BS与用户i之间的信道响应向量h_i表示为：

是用户i的第条MPC的俯仰角，是用户i的第条MPC的方位角；

步骤三、利用二维波束赋形和三维波束赋形下的信道模型，建立无人机位置和波束赋形的优化模型；

优化模型是指：让场景的通信容量尽可能大，通信速率尽可能高，也就是最大化场景的通信可达率；

用户i的可达率计算公式如下：

P是UAV-BS的总发射功率，w是二维波束赋形或三维波束赋形的波束赋形向量；δ²是用户i处的高斯白噪声功率；表示在二维波束赋形或三维波束赋形下UAV-BS与用户i之间的有效信道增益；

二维波束赋形下的优化模型表达式为：

Subject to C1:R_i≥r_i,i＝1,2,...,K

C1表示二维波束赋形下每个用户的可达率都不低于各用户的最小速率约束；r_i表示用户i的最小速率约束；

C2表示二维波束赋形下波束赋形向量w的恒模约束；

同理，可得三维波束赋形下的优化模型表达式为：

Subject to C1:R_i≥r_i,i＝1,2,...,K

C1表示三维波束赋形下每个用户的可达率都不低于各用户的最小速率约束；

C2表示三维波束赋形下波束赋形向量w的恒模约束；

步骤四、利用近似波束的增益替代实际的波束增益，降低变量维度后，再使用网格化搜索法求解出UAV-BS的最优二维位置(x*,y*)；

具体过程如下：

步骤401、利用UAV-BS与用户i之间的有效信道增益定义近似波束的增益c_i，分别计算二维波束赋形和三维波束赋形下的各用户的近似增益之和；

步骤402、将二维波束赋形和三维波束赋形下的优化模型分别转化为含有近似波束增益c_i的优化模型；

二维波束赋形转化后的优化模型如下：

c₁+c₂+...+c_K＝N

同理，三维波束赋形转化后的优化模型为：

c₁+c₂+...+c_K＝MN

步骤403、转化后的优化模型中优化变量为UAV-BS的投影坐标(x,y)和各用户的近似增益c_i，且变量维度是K+2，使用网格化搜索法寻找和速率最大的UAV-BS位置；

由于UAV-BS高度固定，将用户分布的区域划分成一定精度的网格，每一个网格点代表UAV-BS的投影坐标，在每一个网格点都使用标准的凸优化工具求解一次转化后的优化模型，找到最优解；

每个网格点的目标函数转化为:

其中c_i前的系数都被替换为常量m_i，

再找到所有网格点中最优解值最大的点作为UAV-BS的最优二维坐标(x*,y*)；

步骤五、将UAV-BS固定在最优二维坐标(x*,y*)，使用蜂群算法求解波束赋形向量w的最优解；

具体为：

步骤501、将最优二维坐标(x*,y*)分别代入原始的二维波束赋形和三维波束下的优化模型中，重新建立波束赋形的问题模型；

二维波束赋形重新建立的问题模型表达式如下：

三维波束赋形重新建立的问题模型表达式如下：

步骤502、重新定义二维波束赋形向量和三维波束赋形向量；

二维波束赋形向量重新定义为：是w所有元素的相位所组成的向量；

三维波束赋形向量重新定义为：

步骤503、将重新定义的二维波束赋形向量和三维波束赋形向量分别代入各自的问题模型中，重新建立优化问题；

重新建立的二维波束赋形优化问题如下：

重新建立的三维波束赋形优化问题如下：

步骤504、将重新建立的两个优化问题分别通过罚函数做处理，转化为无约束优化问题；

步骤505、使用蜂群算法求解无约束优化问题，得到波束赋形相位向量的可行解。