[發明專利]機載毫米波通信波束賦形與位置部署方法

有效

• 申請號: 202010047878.6
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111245485B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 肖振宇;董航;朱立鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04B7/0426
• 分類號: H04B7/0426;H04B7/185;H04W16/18;H04W16/22
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 冀學軍

1.機載毫米波通信波束賦形與位置部署方法，其特征在于，具體步驟如下：

步驟一、構建包括無人機基站和用戶的機載毫米波下行通信的三維場景；

UAV-BS上同時搭載一個射頻鏈、使用模擬波束賦形結構的天線陣列，以及相位轉換器；所有天線都連接在射頻鏈上，并且每一個天線支路都有一個相位轉換器和一個功率放大器，所有相位轉換器都有相同的比例因子，波束賦形向量的所有元素都有相等的模值；

天線陣列包括天線數量為N的均勻線性陣列ULA或者天線數量為M×N的均勻平面陣列UPA，服務于地面K個隨機分布的單天線用戶；

建立三維直角坐標系，第i個用戶的坐標為(x_i,y_i,0)，UAV-BS的坐標為(x,y,h_U)，其中h_U是UAV-BS的飛行高度，i＝1,2,...K；

步驟二、無人機基站給每個用戶分別通過毫米波信道發送數據，分別建立二維波束賦形結構和三維波束賦形結構下的信道模型；

對于二維波束賦形，無人機基站UAV-BS與用戶i之間的信道響應向量h_i表示為：

其中表示UAV-BS與用戶i之間第條多徑分量MPC的信道增益系數，是用戶i的第條MPC的指向角，即UAV-BS處的發射角；L_i為UAV-BS與用戶i之間的MPC數量；a(·)表示指向向量函數；

對于三維波束賦形，UAV-BS與用戶i之間的信道響應向量h_i表示為：

是用戶i的第條MPC的俯仰角，是用戶i的第條MPC的方位角；

步驟三、利用二維波束賦形和三維波束賦形下的信道模型，建立無人機位置和波束賦形的優化模型；

優化模型是指：讓場景的通信容量盡可能大，通信速率盡可能高，也就是最大化場景的通信可達率；

用戶i的可達率計算公式如下：

P是UAV-BS的總發射功率，w是二維波束賦形或三維波束賦形的波束賦形向量；δ²是用戶i處的高斯白噪聲功率；表示在二維波束賦形或三維波束賦形下UAV-BS與用戶i之間的有效信道增益；

二維波束賦形下的優化模型表達式為：

Subject to C1:R_i≥r_i,i＝1,2,...,K

C1表示二維波束賦形下每個用戶的可達率都不低于各用戶的最小速率約束；r_i表示用戶i的最小速率約束；

C2表示二維波束賦形下波束賦形向量w的恒模約束；

同理，可得三維波束賦形下的優化模型表達式為：

Subject to C1:R_i≥r_i,i＝1,2,...,K

C1表示三維波束賦形下每個用戶的可達率都不低于各用戶的最小速率約束；

C2表示三維波束賦形下波束賦形向量w的恒模約束；

步驟四、利用近似波束的增益替代實際的波束增益，降低變量維度后，再使用網格化搜索法求解出UAV-BS的最優二維位置(x*,y*)；

具體過程如下：

步驟401、利用UAV-BS與用戶i之間的有效信道增益定義近似波束的增益c_i，分別計算二維波束賦形和三維波束賦形下的各用戶的近似增益之和；

步驟402、將二維波束賦形和三維波束賦形下的優化模型分別轉化為含有近似波束增益c_i的優化模型；

二維波束賦形轉化后的優化模型如下：

c₁+c₂+...+c_K＝N

同理，三維波束賦形轉化后的優化模型為：

c₁+c₂+...+c_K＝MN

步驟403、轉化后的優化模型中優化變量為UAV-BS的投影坐標(x,y)和各用戶的近似增益c_i，且變量維度是K+2，使用網格化搜索法尋找和速率最大的UAV-BS位置；

由于UAV-BS高度固定，將用戶分布的區域劃分成一定精度的網格，每一個網格點代表UAV-BS的投影坐標，在每一個網格點都使用標準的凸優化工具求解一次轉化后的優化模型，找到最優解；

每個網格點的目標函數轉化為:

其中c_i前的系數都被替換為常量m_i，

再找到所有網格點中最優解值最大的點作為UAV-BS的最優二維坐標(x*,y*)；

步驟五、將UAV-BS固定在最優二維坐標(x*,y*)，使用蜂群算法求解波束賦形向量w的最優解；

具體為：

步驟501、將最優二維坐標(x*,y*)分別代入原始的二維波束賦形和三維波束下的優化模型中，重新建立波束賦形的問題模型；

二維波束賦形重新建立的問題模型表達式如下：

三維波束賦形重新建立的問題模型表達式如下：

步驟502、重新定義二維波束賦形向量和三維波束賦形向量；

二維波束賦形向量重新定義為：是w所有元素的相位所組成的向量；

三維波束賦形向量重新定義為：

步驟503、將重新定義的二維波束賦形向量和三維波束賦形向量分別代入各自的問題模型中，重新建立優化問題；

重新建立的二維波束賦形優化問題如下：

重新建立的三維波束賦形優化問題如下：

步驟504、將重新建立的兩個優化問題分別通過罰函數做處理，轉化為無約束優化問題；

步驟505、使用蜂群算法求解無約束優化問題，得到波束賦形相位向量的可行解。