[发明专利]智能反射面辅助的高能效无人机通信系统的设计方法

说明书

本发明提供智能反射面辅助的高能效无人机通信系统的设计方法，属于无人机通信网络的能量效率优化领域。通信过程包含两部分传输链路，一部分为信源直接发送给信宿，另一部分通过附着在无人机上的智能反射面反射传输，两部分同时存在。基于分块迭代的思想，将原问题分解为三个子问题求解，并利用连续凸近似技术将非凸的优化问题转化为可求解的凹凸分数规划问题。本发明提供了一种联合优化智能反射面无源波束赋形、基站有源波束赋形和无人机飞行轨迹的设计方法，该方法能够根据模型参数生成最优的网络设计以最大化系统能量效率。

技术领域

本发明属于无人机通信网络的能量效率优化领域，涉及一种无人机与智能反射面结合以实现高能效通信的设计方案，具体是指在实现发送端和接收端通信时，采用联合优化发送端天线的波束赋形，智能反射面的相移矩阵以及无人机的飞行轨迹的方法，从而最大化系统的能量效率。

背景技术

随着第五代移动通信网络的部署和智能移动终端的发展，人们对提高无线通信性能的需求越来越迫切。然而，现有的地面通信在某些场景下不能满足全区域的覆盖或者提供可靠的传输，人们开始利用无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)等构建新的通信链路来辅助地面通信。由于无人机具有低成本、易操作和高灵活性等优势，在军事和民用领域得到了广泛应用。与地面通信相比，无人机灵活性更好，可以快速部署，还可以利用其高度更容易地建立短程视距链路。此外，由其移动性，可以通过无人机轨迹优化适应不同的信道条件，保障信息高效传输。

另一方面，智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)成为实现第六代移动通信(6G)的研究热点。智能反射面(IRS)是一个由大量无源反射元件组成的超表面，通过一个控制器调整这些反射元件的电阻、电容、电感等实现对入射信号幅值和相位的调整，主动改善无线传播环境。此外，智能反射面是无源的，在信号处理过程中不会产生功耗，也没有自干扰。由于其轻量级的特点，智能反射面便于部署，在实际实现中有高度的灵活性。

无人机在通信系统中可以作为中继扩大传输范围，但是无人机中继通信一方面会增加信息传输的时延，另一方面无人机作为中继进行信息处理时会消耗一定的能量，无人机自身的移动也会消耗大量推进能量，考虑到无人机的载能和续航能力有限，如何提高系统的能量效率进而实现绿色通信是一个关键问题。结合智能反射面的诸多优点，将无人机与无源的智能反射面结合辅助通信，不仅可以节约能源，还可以使得空间通信质量和速度大大提高。本发明以最大化能量效率为目标，对系统中的参数进行了合适的设计。

发明内容

本发明的目的是为了解决智能反射面辅助的无人机空地无线网络的能量效率问题。在网络模型中，智能反射面附着在无人机上，构建一条反射链路辅助基站和地面用户之间的通信，具体方案如示意图1所示。基于此模型本发明提供一种联合优化基站的有源波束赋形、智能反射面的无源波束赋形和无人机轨迹的设计方法，以实现系统能量效率的最大化。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种智能反射面辅助的高能效无人机通信系统的设计方法，包括以下步骤：

第一步，构建系统模型：

(1)实现基站和地面用户之间的信息传输，基站为多天线，用户为单天线，在三维坐标系内，固定基站和用户的水平坐标分别为q_B＝[x_B,y_B]和q_G＝[x_G,y_G]，基站的天线高度设为z_B。

(2)假设无人机以固定高度h飞行，飞行时间为T，将其离散化为N个时隙，时隙长度δ_t＝T/N，则无人机在第n个时隙的水平坐标为q[n]＝[x[n],y[n]]^T,由初始位置q₀飞行至终点位置q_F,即q[0]＝q₀,q[N]＝q_F。