[发明专利]搭载于无人机上的智能反射面位置和波束联合优化方法

权利要求书

1.一种搭载于无人机上的智能反射面位置和波束联合优化方法，其特征在于，包括：

(1)构建无人机搭载的智能反射面IRS辅助的毫米波MIMO通信系统模型，该模型包括：一个设有N_e根天线的窃听者，一个设有N_r根天线的地面通信基站，一个无人机搭载的具有M＝M_x×M_y个反射元素的智能反射面IRS和N个合法用户U₁,U₂,…,U_k，每个用户设有N_k根天线；

(2)根据(1)构建的通信系统模型，选择信道模型：

选择莱斯信道模型H分别作为合法用户U_k到智能反射面IRS的信道H_k和智能反射面IRS到地面通信基站的信道H_B；

选用多径簇信道模型G和有界信道状态信息CSI误差模型作为智能反射面IRS到窃听者的信道G_E；

(3)根据(2)选择的信道模型，计算通信系统模型中第k个合法用户的可达速率R_I,k和窃听者窃听第k个合法用户的速率C_E,k，并根据这两个速率得出该通信系统的安全速率：其中，[·]⁺＝max{0,·}，N是合法用户的总数目，ΔG_E是窃听信道有界信道状态信息CSI误差模型中的估计误差；

(4)最大化通信系统的安全速率R_s，得到搭载于无人机上的智能反射面IRS位置和波束的联合优化结果：

(4a)考虑建筑物的遮蔽效应，基于统计信道状态信息，构建无人机位置的优化问题P1，通过基于模拟退火的粒子群算法，最大化系统的可达速率得到无人机的位置优化结果q，以保证合法用户到智能反射面IRS以及智能反射面IRS到地面通信基站构成间接视距链路；

(4b)基于(4a)得到的无人机的位置优化结果q，在窃听信道状态信息CSI不完全已知的情况下，构建鲁棒安全波束优化问题P2，通过交替迭代算法，联合优化合法用户发射端波束成形和智能反射面IRS的相移矩阵，以使智能反射面IRS辅助的毫米波MIMO安全通信系统的安全速率R_s最大化，得到优化后的合法用户发射端波束成形f_k以及智能反射面IRS的相移矩阵Θ。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(1)中合法用户、窃听者和地面通信基站的天线均采用均匀线性阵列ULA，智能反射面IRS采用均匀平面阵列UPA。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(2)中的莱斯信道模型H、多径簇信道模型和有界信道状态信息CSI误差模型分别表示如下：

其中，β是路径损耗，H^LOS是信道的视距部分，H^NLOS是信道的非视距部分，κ是莱斯因子，M是发射天线数目，N是接收天线数目，L是多径数目，ω^l是第l条路径的衰落系数，是第l条路径的到达角，θ^l和φ^l是第l条路径的出发俯仰角和水平角，是第l条路径接收端的方向矢量，是第l条路径发射端的方向矢量，ΔG是估计误差，||·||_F是F-范数，ε是阈值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(3)中计算第k个合法用户的可达速率R_I,k和窃听者窃听第k个合法用户的速率C_E,k，公式如下：

其中，q_k是合法用户U_k的传输功率，f_k是第k个用户的模拟预编码向量，Θ是智能反射面IRS的相移矩阵，q_i是合法用户U_i的传输功率，f_i是第i个用户的模拟预编码向量，σ²是噪声功率，I是单位矩阵。