[发明专利]RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法

说明书

本发明公开了一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，通信系统考虑了莱斯信道模型及无人机飞行高度对莱斯因子的影响，设计了无人机的最优飞行高度和RIS的最佳相移矩阵。方法包括：根据无人机、RIS和地面用户的位置信息计算各自之间的距离及仰角；基于距离信息，计算RIS相移矩阵；根据相移矩阵和距离仰角得到接收速率的上界表达式，并设计最优的无人机飞行高度；将最优无人机飞行高度代入到相移表达式重新计算，得到最优的相移矩阵。本发明无需获取完美的信道状态信息，仅在获得距离及仰角信息下就可计算出最优的飞行高度及相移，可有效降低飞行计算复杂度并提高通信用户的可达速率，实用性强。

技术领域

本发明属于无人机作为空中移动基站的无线通信技术领域，具体涉及一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法。

背景技术

近年来，随着无人机制造技术的进步和成本的大幅降低，进一步促进了无人机与无线通信系统融合的广泛研究热潮。相比传统的卫星通信，无人机部署和维护的费用更低，而且自由度更高，可以通过灵活移动来与地面用户之间建立视距(Line of Sight，LoS)连接，不管是针对偏远地区还是人口密集的城市区域，无人机作为空中基站都可以成为传统地面移动通信系统的重要补充。但是，无人机在应对复杂的随机时变信道时还具有一定的局限性，而可重构智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)作为一项新兴的技术，具有定义新的无线传输模式和控制无线信道的能力，因此，将具体灵活机动性的无人机和具有改变无线信道能力的RIS结合起来，利用二者互补的优势，有望进一步解决无线信道日益复杂以及更高频率带来的信道衰落问题。

在RIS辅助的无人机通信系统中，无人机的飞行位置会同时影响无人机到用户以及无人机到RIS之间的信道，信道中视距链路成分的变化也需要根据无人机的飞行高度来进行综合考虑，同时RIS的相移矩阵也需要设计，这就会使得实际情况下飞行高度和相移矩阵的设计变得更为困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种RIS辅助的无人机通信系统中飞行高度和相移的设计方法，在考虑较为一般的通信场景下，充分利用RIS和无人机的优点，设计无人机的最优飞行高度和RIS的最佳相移矩阵，该方法可以有效降低飞行高度和相移的计算复杂度，提高通信用户的可达速率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种RIS辅助的无人机通信系统中的飞行高度和相移设计方法，首先构建RIS辅助的无人机通信系统，包括无人机、RIS以及地面用户，其中无人机作为空中基站向地面用户传输数据，RIS部署在高楼表面且配备N个反射单元，无人机与地面用户之间存在直接链路，RIS反射无人机的发射信号给地面用户以增强地面用户处的接收信号强度；各通信节点坐标分别设为：无人机坐标(x_q,y_q,H_q)，RIS坐标(x_r,y_r,z_r)，地面用户坐标(x_g,y_g,0)；各通信节点之间的信道均建模为莱斯信道，无人机到RIS之间的信道RIS到地面用户之间的信道以及无人机到地面用户之间h₃的信道分别表示为：

其中，ρ₀表示参考距离1米处的路径损耗，d₁、d₂、d₃分别表示无人机和地面用户之间、无人机和RIS之间以及RIS和地面用户之间的距离，α表示路径损耗的指数因子，κ₁、κ₂、κ₃表示莱斯因子；分别表示对应信道的LoS分量，而NLoS分量为独立同分布且服从零均值单位方差的循环对称复高斯分布；假设RIS上N个反射单元采用均匀线性阵列排布，则就可以表示为：