[发明专利]一种D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖的设计方法

权利要求书

1.一种D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖的设计方法，其特征在于：

该方法包括以下步骤：

S1：构建无人机作为空中基站UAV-BS服务于多个地面用户的一个下行通信系统，初始化无人机的部署高度和波束张角，根据无人机部署信息将目标覆盖区域划分为无人机直接覆盖区域和间接覆盖区域；

S2：在无人机网络的基础上，对于无人机的间接覆盖区域的用户，增设D2D通信以进一步扩大覆盖范围，将通信服务从直接覆盖区延伸至间接覆盖区；

S3：基于蜂窝通信系统已有的地面用户的分布信息，以及地面用户接入通信网络的公平性，通过积分求解的方式确定直接覆盖区域和间接覆盖区域的用户功率开销；

S4：无人机的部署高度和波束张角决定无人机的直接覆盖区域范围，将D2D通信辅助的无人机基站覆盖问题构建成一个二重变量优化问题，将S1步骤中初始化的无人机的部署高度和波束张角作为迭代起点，在保证用户QoS的前提下，求解优化目标为最小化系统总功率开销时的无人机部署高度和无人机波束张角；

其中，将D2D通信辅助无人机基站UAV-BS的网络覆盖问题构建成目标函数和约束条件；所述目标函数为：最小化系统总功率开销；其中，功率开销分为三部分：无人机直接服务内层用户的功率开销，无人机服务内层D2D发送者的功率开销以及地面D2D通信对之间的功率开销；因此优化问题可以进行如下的公式化表述：

约束条件一是无人机直接覆盖区域的用户的通信速率需要大于阈值，表示如下：

R_UAV＞R0；

约束条件二是D2D通信对进行信息转发的通信速率需要大于阈值，表示如下：

R_D2D＞R0；

所述优化问题通过迭代优化方法求解，包括以下具体步骤：

S41：首先确定迭代变量，迭代变量是优化目标求解算法中直接或间接不断由旧值推导得出新值的变量，两个迭代变量为无人机部署高度H和无人机波束张角θ；

S42：建立迭代关系式，迭代关系式的建立是解决迭代问题的关键，在S1步骤中，初始化了无人机的部署高度H和无人机波束张角θ；

S43：对迭代过程进行控制，迭代过程的控制是为了防止迭代程序无休止地重复执行下去，设置迭代终结的条件为迭代前后的数值之差小于阈值。

2.根据权利要求1所述的一种D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖的设计方法，其特征在于：

在S1步骤中，建立本方法的系统模型，有：

假设一个D2D通信辅助无人机基站的下行通信系统，无人机配备有一个固定波束宽度为2θ∈[0,π]的定向天线，充当基站的角色服务于K个地面用户，目标覆盖区域是半径为R的一个圆形区域，用户均匀分布在该区域，用户密度表示为

建立三维笛卡尔坐标系，根据无人机的机动性，考虑无人机具有动态可调的部署高度H，即无人机部署在(0,0,H)的空间位置上，第K个地面用户的位置为(x_k,y_k,0)，无人机与第k个地面用户的通信距离为对于均匀分布的地面用户，这些用户与无人机的通信仰角用集合表示为当无人机高度及波束宽度固定时，其覆盖范围是有限的，无人机的直接覆盖区域面积为S_cover＝π(Htanθ)²；因此该系统下存在两类用户，即无人机直接服务的用户CUE和通过D2D接入通信网络的用户DUE，其中无人机服务用户数为λπ(Htanθ)²，D2D接入通信网络的用户数量为λ(πR²-π(Htanθ)²)。