[发明专利]一种面向阵列天线无人机基站的航迹规划和功率分配方法

说明书

本发明公开了一种面向阵列天线无人机基站的航迹规划和功率分配方法，适用于无人机应急通信等场景。方法包括以下步骤：根据无人机和用户的地理位置，利用阵列天线的空地无线信道模型，建立信道衰落模型；基于阵列天线发射端采用的预编码技术，建立阵列天线无人机基站通信系统的用户可达速率模型；基于用户可达速率模型，在无人机飞行状态和发射功率受限条件下，以最大化系统传输速率为目标，建立航迹规划和用户功率分配的联合优化问题；利用块坐标轮换下降和连续凸近似方法对上述优化问题进行转化和求解，得到基于所述预编码技术的无人机路径规划和功率分配方案。本发明对阵列天线无人机基站通信系统的部署具有重要指导意义。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种面向阵列天线无人机基站的航迹规划和功率分配方法。

背景技术

无人机技术在近年来发展迅速。由于无人机具有高灵活性和高可控性等特征，无人机辅助的无线通信系统具有广泛的应用前景，尤其是面向各类应急通信需求。例如，在大型突发灾害，或大型活动中，地面通信设施可能无法提供通信保障。此时，利用无人机作为空中基站，可以快速灵活的建立无线通信网络，从而保障信息传输。

目前，国内外针对无人机辅助无线通信这一课题有大量研究，但是现有研究主要考虑单天线无人机，鲜有涉及阵列天线技术。极少量针对阵列天线无人机的研究，仅涉及无人机的位置部署，而没有考虑其航迹规划。考虑到无人机是在飞行的过程中提供通信服务，所以对无人机航迹规划的研究是有必要的。作为一个高空基站，由于无人机携带的总能量是固定的，对功率资源的优化同样尤为重要。因此，对此类无人机航迹和通信资源的规划具有重要的意义。

发明内容

发明目的：针对现有技术的空白，本发明提出一类面向阵列天线无人机基站的航迹规划和功率分配方法，为阵列天线无人机基站通信系统的部署提供高可靠的技术指导。

技术方案：一种面向阵列天线无人机基站的航迹规划和功率分配方法，其中无人机基站装载有一组阵列天线以实现空间分集复用，并分别采用最大比发送(Maximum RatioTransmission,MRT)和迫零(Zero Forcing,ZF)预编码技术对发送符号进行预编码，所述航迹规划和功率分配方法在无人机飞行状态和飞行时间受限的条件下，通过调整其航迹和功率分配来最大化系统传输速率，从而获得最优的航迹和功率分配方案，具体包括以下步骤：

(1)根据无人机和地面用户的地理位置，利用阵列天线的空地无线信道模型，建立信道衰落模型；

(2)基于阵列天线发射端采用的预编码技术，建立阵列天线无人机基站通信系统的用户可达速率模型；

(3)基于用户可达速率模型，在无人机飞行状态和发射功率受限条件下，以最大化系统传输速率为目标，建立航迹规划和用户功率分配的联合优化问题；

(4)利用块坐标轮换下降和连续凸近似方法对上述优化问题进行转化和求解，得到基于所述预编码技术的无人机路径规划和功率分配方案。

其中，当阵列天线发射端采用的预编码技术为MRT预编码技术时，所述步骤2建立基于MRT预编码技术的阵列天线无人机基站通信系统的用户可达速率模型，所述步骤3中建立基于MRT预编码技术的航迹规划和功率分配联合优化问题(1)；当阵列天线发射端采用的预编码技术为ZF预编码技术时，所述步骤2建立基于ZF预编码技术的阵列天线无人机基站通信系统的用户可达速率模型，所述步骤3中建立基于ZF预编码技术的航迹规划和功率分配联合优化问题(2)。

假定无人机飞行高度足够大，其与用户间信道为视线(Line of Sight,LOS)信道；则在时隙m，无人机与用户i之间的信道衰落模型为：