基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO资源优化方法

专利主权项内容

1.一种基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO资源优化方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、从卫星下行链路收集信道模型数据，对信道模型数据进行预处理，构建基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO系统的下行通信传输模型，用于由卫星发射器、卫星、UAV、CPU、AP和用户组成的通信系统；S2、针对下行通信传输模型，构建目标函数和约束条件，目标函数为最大化用户最小速率，约束条件为AP和UAV的最大发射功率、最大跨层干扰、最大通信覆盖范围和最大部署距离，构建基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO资源优化模型，基于约束条件获得非凸优化问题；S3、依序采用块坐标下降方法和连续凸优化方法，将非凸优化问题转化为预定数量的子问题，交替求得各个子问题的近似解，基于各个子问题的近似解得到最优近似解；S4、基于最优近似解和下行通信传输模型，对基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO系统的下行通信进行仿真，计算并记录性能指标；所述步骤S1具体为：S11、基于卫星发射器和卫星之间的双向通信链路，接收卫星下行链路的信道模型数据，包括信道增益、信道相位和信道延迟；S12、对信道模型数据进行预处理，包括去除噪声、补偿相位偏移和校正信道延迟，提高信道模型数据的准确性和可靠性；S13、根据预处理后的信道模型数据，构建基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO系统的下行通信传输模型，包括卫星发射器-卫星-UAV-CPU-AP-用户的通信传输模型、CPU-UAV-用户的通信传输模型、卫星发射器-卫星-UAV-用户的通信传输模型和卫星发射器-卫星-用户的通信传输模型；所述步骤S2具体为：S21、定义基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO系统中的变量和参数，其中变量包括用户关联矩阵、功率分配矩阵和资源分配矩阵，参数包括最大发射功率、最大跨层干扰、最大通信覆盖范围和最大部署距离；S22、根据变量和参数，以及下行通信传输模型，构建基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO系统的目标函数，最大化用户最小速率，定义基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO系统的约束条件，包括AP和UAV的最大发射功率约束、最大跨层干扰约束、最大通信覆盖范围约束和最大部署距离约束；S23、针对目标函数和约束条件，构建基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO资源优化模型，获取非凸优化问题；所述步骤S3具体为：S31、采用块坐标下降方法，将非凸优化问题分解为包括关于用户关联矩阵、功率分配矩阵和资源分配矩阵的凸优化子问题；S32、采用连续凸优化方法，对凸优化子问题进行线性化，将其转化为容易求解的凸优化问题，采用内点法进行求解，得到凸优化子问题的至少两个近似解，重复该过程，直到收敛；S33、将凸优化子问题的至少两个近似解进行权重组合，得到非凸优化问题的最优近似解；所述步骤S4具体为：S41、根据最优近似解，确定无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO系统中的参数，包括用户关联矩阵、功率分配矩阵、资源分配矩阵、信道增益、信道相位和信道延迟；S42、将确定的参数输入下行通信传输模型，仿真计算基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO系统中的信号，包括卫星发射器-卫星的信号、CPU-AP的信号、AP-用户的信号、CPU-UAV的信号和UAV-用户的信号；S43、根据基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO系统中的信号，计算性能指标，包括用户速率、系统吞吐量、系统覆盖率、系统干扰和系统能耗；S44、根据性能指标，绘制图表，对基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO资源优化方法进行分析；最大化用户最小速率具体为：下行链路采用共轭波束形成发送信号给用户k，第m个AP传输信号为：x=∑sqrt(p)gdikk∈Kimkmkk其中，p为AP对用户下行链路的发射功率，d为传输给用户的信号，满足E｛｜d｜｝=1，g表示AP和用户之间的信道增益，mkkk2mk结合用户调度下的用户k接收信号为：y=∑ξgx+ωkiM∪Uikikikk其中，x表示AP发出的信号, ω是满足正态分布的高斯白噪声，用二进制变量ξ=｛ξ，ξ｝分别表示用户的调度情况，定义用户调度矩阵ξ∈C，C为复数集合符号，K为地面用户数量，U为地面无人机的数量，M为地面AP点数量，若用户k由地面AP点服务则二进制变量ξ系数为1，否则为0，ikkkmkukK×(U+1)mk由地面AP提供服务的用户可达速率为 : R=log(1+ξ∑(sqrt(p)g)/(∑ξ∑(sqrt(p)g)+σ))kcf2mkm=1Mmk2mk2i=1，i≠kKmim=1Mmi2mi22其中，σ为加性高斯白噪声功率，2当无人机u悬停在固定位置时，其通信范围内的用户k可达速率为：R=log(1+ξρh/(∑∑ξρh+σ))ku2ukuku，ki=1，i≠kKu=1Uuiuiu，i2其中，ρ为无人机为用户服务的发射功率，h为用户和无人机之间的高度差，uku，k用户的整个接收速率为：R= R+ Rkkcfku-s其中，R为无人机卫星提供服务的用户k的速率；ku-s以最大发射功率为约束条件具体为 : 受去蜂窝大规模MIMO系统资源限制, AP和UAV的发射功率不能超过自身最大发射功率, AP和UAV功率分配参数需满足以下约束 : ∑ξ∑P＜Pk=1Kmkm=1Mmkmax∑ξρ＜ρk=1Kukukmax其中，P为AP提供的最大功率，ρ为无人机提供的最大功率；maxmax基于无人机-卫星协作的去蜂窝大规模MIMO非凸优化问题具体为 : maxminR=R+Rη，(x，y)Шkkkcfku-sC : ∑ξ+ξ≤11M∪UmkukC : ξ、ξ∈｛0, 1｝2mkukC : ‖q-q‖≤S, u≠j3juafs.t. C：∑ξp＜P4k=1KmkmkmaxC : ∑ξρ＜ρ5k=1KukukmaxC : ∑∑ξρg≤ζ6u=1Uk=1Kukskukt其中，ζ为由卫星服务的用户容忍的干扰阈值，q为无人机的水平位置，ρ为卫星为用户服务的发射功率，g为无人机和用户之间的信道增益，Ш表示任意。tuskuk