[发明专利]基于智能反射面的空地非正交多址接入上行传输方法

说明书

本发明公开了一种基于智能反射面的空地非正交多址接入上行传输方法，属于无线通信领域；首先搭建包括地面用户、无人机、IRS和基站的空地通信场景，在当前时隙分别建模地面用户和无人机到基站的有效链路，计算接收信号的信噪比；然后，计算基站接收到无人机与地面用户的传输速率；以上行传输总速率最大化为优化目标，建立关于无人机航迹、IRS相位偏移、无人机用户发射功率、地面用户发射功率的联合优化问题；并将该问题建模为马尔可夫决策过程。最后，采用基于Actor‑Critic框架的分布式鲁棒强化学习算法对模型进行训练，输出参数应用于空地通信场景的中心控制Actor网络，实现IRS辅助空地通信的实时联合优化。本发明保证了系统在动态复杂环境下的鲁棒性。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，针对空地通信频谱资源优化配置的应用需求，具体涉及一种基于智能反射面的空地非正交多址接入上行传输方法。

背景技术

在过去几年中，使用无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)作为通信网络的空中平台，以提高现有无线网络的容量和覆盖范围，引起了学术界和工业界的广泛关注。现阶段实现高质量空地通信的一种方法是利用地面蜂窝网络，其引入了蜂窝连接无人机通信的运行概念。蜂窝连接无人机通信能够在可靠性、吞吐量和覆盖范围等方面，显著提高频谱资源受限条件下现有空地通信系统的性能。

与此同时，为了更有效地利用频谱资源，引入功率域非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Ac1cess，NOMA)技术，该技术能够允许多个用户在同一个资源块中同时传输数据，提高了频谱效率。

除了频谱资源受限外，空地通信系统发展的另一项挑战则是空地通信信道环境的复杂性，由于无人机和用户与基站之间存在着高层建筑等障碍物，使得空地数据链路不稳定，大大降低了通信的性能。对于该问题，应用智能反射面(Intelligent ReflectingSurfaces，IRS)技术引起了人们的广泛关注，该项技术可以以极低的功耗和硬件成本以被动波束赋形的方式对无线信道进行重新配置，从而提高通信质量。

虽然现有工作已经研究了NOMA和IRS在无人机通信中应用的益处，但NOMA和IRS相结合的方案能否在蜂窝连接无人机上行通信链路中提供性能增益，仍有待进一步研究。相关技术研究的主要问题体现在以下三个方面：

(1)NOMA协议的引入带来了更加复杂的干扰环境和基于信道条件的译码顺序设计，这导致了无人机航迹、IRS相位偏移和上行功率控制等需求之间存在高度耦合的情况，难以高效快速地获得最优的决策方案，实现上行链路中地面基站(Ground Base Station，GBS)接收端性能的提升。

(2)由于IRS的反射系数对无人机和地面用户(Ground User，GU)均会产生作用，所以反射信号的最佳波束赋形不只是与直射信号对齐，同时由于同信道干扰的存在，IRS的反射单元的配置变得更加复杂。

(3)由于运行环境中障碍物的位置无法预先知悉，需要在不确定环境下做出无人机轨迹、IRS相位偏移和上行链路传输功率控制的实时决策。

此外，由于环境不确定性难以精确建模，如何提高决策过程在面对动态不确定性时的鲁棒性是又一重要挑战。

发明内容

本发明针对空地通信上行NOMA蜂窝网络的应用场景，提供了一种基于智能反射面的空地非正交多址接入上行传输方法，实现对空地通信数据传输的联合优化，最终保证在无人机安全飞行的前提下，满足无人机和地面用户最低传输速率要求，维持通信系统在动态复杂环境下的鲁棒性，通过实现通信系统上行链路总和速率的最大化来提高系统频谱利用率，进一步提升通信系统性能。

所述的基于智能反射面的空地非正交多址接入上行传输方法，具体步骤如下：

步骤一、搭建包括地面用户、无人机、高层建筑物、IRS和地面基站的空地通信场景；