[發明專利]一種基于無人機集群部署的大規模MIMO容量提升方法

有效

• 申請號: 202011492087.0
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112672361B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 高寧;金石;李瀟
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W16/22;H04B7/0413;H04B7/185;H04L25/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

本發明公開了一種基于無人機集群部署的大規模MIMO容量提升方法，首先各單天線無人機隨機部署在多天線地面基站上方區域，各無人機通過地理位置系統輔助估計信道狀態信息；然后隨機選擇一架無人機與鄰居無人機進行通信，構建局部信息并計算當前收益；根據收益學習部署行為，其它無人機保持位置不變；最后，若干輪交互后各無人機確定最優部署位置。本發明通過調整各無人機的部署位置，提升信道容量；僅利用局部信息完成部署，無優化控制中心，降低了通信能耗并縮短了通信控制時延，提高了無人機集群的續航和實時控制能力。可應用的無線通信場景包括但不限于：高密度場所通信、戰場通信、賑災和救援通信。

技術領域

本發明屬于無人機集群通信領域，尤其涉及一種基于無人機集群部署的大規模MIMO(multiple input multiple output,MIMO)容量提升方法對上行通信鏈路的信道容量提升。

背景技術

在移動通信發展過程中，MIMO技術是移動通信中提高數據速率和對抗干擾的關鍵技術，近些年隨著頻段的不斷攀升和用戶數量的暴增，收發端的天線數量急劇增加，基于大規模MIMO的移動通信技術成為學術界和工業界的熱點話題。無人機通信具有高速移動性、部署靈活性、強視距通信等特點，可充分在空-地三維空間中發展大規模MIMO技術，將成為未來6G通信網絡中極具發展潛力的通信技術。特別地，無人機部署技術可通過調整無人機的部署位置最大化大規模MIMO網絡通信性能、優化網絡資源配置，逐漸引起了廣泛關注。

研究之初，以最大化大規模MIMO無線覆蓋范圍為優化目標，研究了海拔高度方向的一維低空飛行平臺的最優部署情況。隨后研究者開始關注二維空間的無人機優化部署情況，同時優化目標也逐漸趨于多樣化，考慮無人機位置部署和網絡資源分配的聯合優化策略成為較火熱的研究方向。近期，面向三維空間的無人機部署優化問題也逐漸開展起來。值得指出的是，由于多無人機通信場景的性能優勢，無人機集群組成的大規模MIMO在二維、三維空間的優化部署問題非常值得密切關注。當前無人機、無人機集群優化部署方法大多采用中心優化控制的方法，在通信基礎設施受限、無人機航載能量有限的條件下面臨諸多問題和挑戰。

基于中心優化控制的無人機集群部署方法需要無人機實時的與優化控制中心通信，這將消耗大量的通信能耗，另一方面，無線信道衰落等物理現象造成的無線通信不確定性將嚴重降低通信質量，不符合無人機通信控制對于高可靠低時延通信的性能要求。此外，在實際情況中無人機很難獲取網絡的全局信息，因此利用全局信息進行無人機集群的中心式部署方法存在一些缺陷。

發明內容

發明目的：為了解決上述背景技術存在的不足，本發明提供了一種基于無人機集群部署的大規模MIMO容量提升方法，旨在解決當空-地無線信道視距鏈路存在較強相關性時，利用局部信息分布式調整集群各無人機的部署位置增大信道矩陣的秩，提高無人機集群與地面基站組成的大規模MIMO上行通信鏈路的信道容量。

技術方案：為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一種基于無人機集群部署的大規模MIMO容量提升方法，包括以下步驟：

步驟1.集群各無人機部署在地面基站上方區域,隨機的選擇空中位置作為初始位置；初始化無人機的交互次數t＝0,設置最大交互次數為T；

步驟2.集群各無人機通過自身搭載的地理位置系統輔助估計信道狀態；

步驟3.若t＝0，1，…,tT且算法未收斂,則等概率的隨機選擇集群中一架無人機m；否則方法終止，無人機集群完成部署到最優位置，實現信道容量提升；

步驟4.被選擇的無人機m與其鄰居無人機進行通信，構建局部信息并計算當前收益R_m；

步驟5.被選擇的無人機m依據約定的行為探索概率從限制行為集中選擇一個探索行為；