CN116156429A - 一种智能反射面辅助的uav-noma***资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能反射面辅助的UAV‑NOMA***资源分配方法，属于无线通信技术领域，包括S1：设置关于UAV轨迹、发射功率和反射系数的初始值，优化用户调度，在用户服务质量的约束下构建线性规划问题；S2：把用户调度结果和反射系数作为输入，得到UAV轨迹和用户功率分配值；S3：把用户调度值，UAV轨迹和用户间功率分配值和反射系数的初始值当作输入，求解反射系数；把信道增益写成矩阵相乘求迹的形式，采用半正定松弛SDR方法去掉秩一约束，计算用户速率的优化结果；S4：把通信速率结果和上一次比较，若差值大于精度阈值，则回到步骤S1，继续把上一次优化出的值当作下一次的输入进行迭代，否则输出优化的结果。

Description

一种智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配方法。
背景技术
随着移动通信业务需求的不断增长，***容量的增加和频谱效率的提升成为亟待研究解决的核心目标。非正交多址技术(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)通过在相同的时频资源叠加多个用户发送的信息来提升多用户***的频谱利用率。智能反射面(Intelligent Reflecting Surface，IRS)是由多个低成本、无源反射单元构成的表面，通过每个反射单元对反射信号的幅度和相位的调整来动态调整无线信道，因此IRS辅助的NOMA***能够进一步改善信号传输质量，提升***的性能。无人机(Unmanned AerialVehicle，UAV)可以通过挂载小型基站等通信设备升空提供通信服务，相对地面服务提供设施具有移动性高，灵活易部署，不受地面地形限制等优势。在某些场景没有无线信号覆盖或者覆盖质量不高而有紧急通信需求的情况下，通过无人机可有效拓展无线信号的覆盖范围，提升服务质量。考虑到无人机具有能量受限的缺点，在一定功率限制的条件下对UAV的运动轨迹，IRS的反射系数以及NOMA功率分配进行联合优化，对更好地满足***和用户的传输速率需求，提高***整体性能至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配优化方案，用来提升通信***总速率，而且相较于传统不使用智能反射面的方案，能实现更高的***速率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配方法，包括以下步骤：
S1：设置关于UAV轨迹、发射功率和智能反射面反射系数的初始值，优化用户调度，在用户服务质量的约束下，构建线性规划问题；
S2：把步骤S1得到的关于用户调度的结果和智能反射面反射系数作为输入，优化关于UAV轨迹设计和用户间功率分配，将非凸的优化问题变为凸优化问题求解，得到UAV轨迹和用户功率分配值；
S3：把步骤S1中求得的用户调度值，步骤S2中得到的UAV轨迹和用户间功率分配值和反射系数的初始值当作输入，求解智能反射面的反射系数；把信道增益写成矩阵相乘求迹的形式，采用半正定松弛SDR方法去掉秩一约束，把非凸问题转化为凸问题求解，得出用户速率的优化结果；
S4：把步骤S3得到的通信速率结果和上一次比较，若差值大于精度阈值，则回到步骤S1，继续把上一次优化出的值当作下一次的输入进行迭代，如果差值小于精度阈值，则输出优化的结果。
进一步，步骤S1具体包括：UAV在一段时间内从A点飞到B点，A的位置为q0，B的位置为qFinal，再把总的时间分为N个离散的时间间隔，用户共分为K组，每组I个用户，所有用户功率的总和不超过UAV的最大通信发射功率，而且每个用户的平均通信速率都要大于最小的通信速率要求；当某一个时隙第k组用户和UAV通信，则用户调度系数为sk[n]＝1，否则为sk[n]＝0；当给定UAV轨迹、发射功率和智能反射面反射系数，求解用户调度系数时，优化问题为：
Figure BDA0004094156870000021
Figure BDA0004094156870000022
Figure BDA0004094156870000023
Figure BDA0004094156870000024
其中Rk,i[n]是每个时隙各用户速率，Rmin为QoS约束。
进一步，步骤S2中，当给定用户调度和智能反射面的反射系数后，优化UAV的轨迹和功率分配，优化问题变为：
Figure BDA0004094156870000025
s.t.q[0]＝q0,q[N]＝qFinal
||q[n+1]-q[n]||≤δnVmax
Figure BDA0004094156870000026
Figure BDA0004094156870000027
通过引入辅助变量代替UAV到用户，UAV到智能反射面的距离：
(dk,i[n])2≥||q[n]-uk,i||2
(ddk,i[n])2≥||q[n]-r||2
把上述两个辅助变量代替信道增益中计算距离的部分，则信道增益写为：
Figure BDA0004094156870000031
其中ρ，Bk,i，Ck,i是和辅助变量无关的常数项；
则弱用户的干扰和噪声项为：
Figure BDA0004094156870000032
强用户的干扰和噪声项为：
Figure BDA0004094156870000033
经过上述变换，则原问题变为凸问题，可以求解，如下式：
Figure BDA0004094156870000034
s.t.q[0]＝q0,q[N]＝qFinal
||q[n+1]-q[n]||≤δnVmax
Figure BDA0004094156870000035
ηk,i≤(fk,i[n]+Ck,i[n]gk,i[n])lb
Figure BDA0004094156870000036
Figure BDA0004094156870000037
Figure BDA0004094156870000038
进一步，步骤S3的具体过程如下：
把步骤S1和步骤S2的优化结果当作S3的输入，优化智能反射面的反射系数，把信道增益写成矩阵相乘求迹的如下形式：
Figure BDA0004094156870000039
其中ck,i和v分别是不包含智能反射面的信道增益和反射面反射系数矩阵，采用SDR的方法把秩一约束去掉，得到如下可以求解的公式：
Figure BDA0004094156870000041
Figure BDA0004094156870000042
[V]m,m＝1,
V＞0
最后得到优化后的用户调度系数、UAV轨迹、发射功率、反射系数和***总速率。
进一步，步骤S4具体包括：把得到的***总速率和上一次迭代的结果进行相减，第一次的结果设置为0，根据差值结果和精度阈值比较，决定是否回到步骤S1或直接输出结果。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的联合优化UAV轨迹设计，发射功率，IRS反射系数和用户调度方法，在有效资源下实现了更高的***速率。
2、本发明提出的智能反射面辅助通信方案，比没有反射面的情况能提供更高的***通信速率，这说明了智能反射面可以改变反射信号的相位实现相干增强效果，能提供更好的信道增益。
3、采用NOMA多址接入方式，比以往的OMA方式能更好地利用时域、频域资源，在相同的通信资源下，能实现更高的***速率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配方法流程图；
图2为智能反射面辅助的UAV-NOMA***示意图；
图3为不同发射功率下，功率-***总速率对比图；
图4为不同IRS反射单元数量下，IRS单元数量-***总速率对比图；
图5为不同UAV高度下，UAV高度-***总速率对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
一种智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配算法，包括以下步骤：
S1：先设置关于UAV轨迹，功率，智能反射面反射系数的初始值，优化用户调度，即每个时隙UAV和哪组用户进行通信。在用户服务质量(Quality of Service，QoS)的约束下，这是一个线性规划问题。
当结果出现小数时，可以将时隙分得更加小，或者采用四舍五入的方式选取哪一组用户和UAV通信。
S2：把步骤S1得到的关于用户调度的结果和智能反射面反射系数当作此步骤的输入，优化关于UAV轨迹设计和用户间功率分配。通过不断地用辅助变量代替复杂的公式部分，将非凸的优化问题变为凸优化问题求解，得到UAV轨迹和用户功率分配值。
S3：把步骤S1中求得的用户调度值，步骤2中得到的UAV轨迹和用户间功率分配值和反射系数的初始值当作输入，求解智能反射面的反射系数。把信道增益函数写成矩阵相乘求迹的形式，由于反射系数矩阵受到秩一约束，所以采用半正定松弛(SemidefiniteRelaxation，SDR)方法去掉秩一约束，最终把非凸问题转化为凸问题求解。最后得出用户速率的优化结果。
S4：把步骤S3得到的通信速率结果和上一次比较，若差值大于精度阈值，则回到步骤S1，继续把上一次优化出的值当作下一次的输入进行迭代，如果差值小于精度阈值，则输出优化出的通信速率的结果。
整个算法流程如图1所示。
场景为UAV和多个地面用户均采用全向单天线，一块智能反射面附着在墙壁上反射信号，如图2所示。信道状态信息(Channel State Information，CSI)是已知的，信道模型为莱斯衰落模型。由于信道增益包含随机分布的白噪声，所以对信道取均值。由于采用NOMA技术，UAV在发射端将多个信号进行叠加编码，用户接收端采用串行干扰相消技术去除干扰，具体为：弱用户分配了更多的功率，直接把强用户的信号当作干扰；强用户先解码弱用户的信号，然后减去弱用户信号，再解码自身信号。由于每个时隙如果进行信道估计，那么***开销太大，所以近似地将距离UAV较近地用户当作强用户，距离较远的用户当作弱用户。
步骤S1具体为：
第k组第i个用户(k,i)的接收信号为：
Figure BDA0004094156870000061
Figure BDA0004094156870000062
Figure BDA0004094156870000063
Figure BDA0004094156870000064
其中
Figure BDA0004094156870000065
为用户(k,i)的信道增益，hk,i为UAV到用户的信道，||q[n]-uk,i||为UAV到用户求距离的公式，后面会用辅助变量代替；/>
Figure BDA0004094156870000066
为智能反射面到用户的信道，gk,i为UAV到智能反射面的信道，||q[n]-r||是UAV到反射面的距离，后面会用辅助变量代替；Θ是一个M×M对角矩阵,代表智能反射面的反射系数，pk,i为发射功率；xi为发射信号，均值为1；nk,i为加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)。则整个问题如下所示：
Figure BDA0004094156870000071
s.t.q[0]＝q0,q[N]＝qFinal
||q[n+1]-q[n]||≤δnVmax
Figure BDA0004094156870000072
Figure BDA0004094156870000073
0≤θm＜2
Figure BDA0004094156870000074
Figure BDA0004094156870000075
其中
Figure BDA0004094156870000076
Wk,i[n]为用户的干扰和噪声项；
Figure BDA0004094156870000077
为用户调度集合/>
Figure BDA0004094156870000078
为发射功率集合，/>
Figure BDA0004094156870000079
为UAV轨迹集合，Θ＝diag(θ),
Figure BDA00040941568700000710
m∈[0,2π)为反射系数。
当给定用户的发射功率，UAV飞行轨迹，和智能反射面反射系数后，就知道了各用户的通信速率。选择每个离散时隙某一组用户和UAV通信，受到{0,1}二进制约束，在QoS要求的约束下，要求通信速率最大，这就变成了一个线性规划问题，如公式(6)所示，可以采用MATLAB中的CVX工具箱求解。
Figure BDA00040941568700000711
Figure BDA00040941568700000712
Figure BDA00040941568700000713
Figure BDA00040941568700000714
步骤S2的具体过程如下：
由于UAV是从A点飞到B点，且实际中UAV的速度是一个有限值，UAV用于通信的发射功率也不能无限大，所以受到无人机的位置和速度以及发射功率约束。关于UAV到用户的距离是对UAV的位置和用户位置相减再用勾股定理求得，这在优化问题中涉及到变量耦合，无法求解，因此用一个辅助变量代替上述求勾股定理的公式，然后用一节泰勒展开即可。信道增益也是和距离有关的，用上述变量代替信道增益中求距离的部分，可以得到一个信道增益的下界。当用户是弱用户时，直接把强用户的信号当作干扰，因此信干噪比(Signal toInterference plus Noise Ratio，SINR)中的干扰和噪声项中包含强用户的功率；而强用户的SINR中只有噪声项，再用一个变量代替干扰和噪声项。
根据步骤S1，已知每个时隙UAV和哪组用户进行通信，就可以优化UAV的飞行轨迹和发射功率，使UAV更靠近用户，使用户有更好的信道增益。问题如下：
Figure BDA0004094156870000081
s.t.q[0]＝q0,q[N]＝qFinal
||q[n+1]-q[n]||≤δnVmax
Figure BDA0004094156870000082
Figure BDA0004094156870000083
通过引入辅助变量，代替UAV到用户和UAV到智能反射面的距离公式：
(ek,i[n])2≥||q[n]-uk,i||2 (8)
(fk,i[n])2≥||q[n]-r||2 (9)
信道增益可以写为：
Figure BDA0004094156870000084
其中ρ，Bk,i，Ck,i是和辅助变量无关的常数项。则弱用户的干扰和噪声项为：
Figure BDA0004094156870000085
强用户的干扰和噪声项为：/>
Figure BDA0004094156870000086
经过上述变换，则原问题变为凸问题，可以求解，如下式：
Figure BDA0004094156870000091
s.t.q[0]＝q0,q[N]＝qFinal
||q[n+1]-q[n]||≤δnVmax
Figure BDA0004094156870000092
ηk,i≤(fk,i[n]+Ck,i[n]gk,i[n])lb
Figure BDA0004094156870000093
Figure BDA0004094156870000094
Figure BDA0004094156870000095
步骤S3的具体过程如下：
把步骤S1和步骤S2的优化结果当作S3的输入，优化智能反射面的反射系数。由于用户速率公式的分子分母都含有信道，信道增益函数包含反射面的反射系数，所以根据泰勒公式将速率公式一阶展开。把信道增益写成矩阵相乘求迹的如式(12)所示形式。
Figure BDA0004094156870000096
其中
Figure BDA0004094156870000097
和V＝vvH分别是不包含智能反射面反射系数的信道增益和反射面反射系数矩阵，由于反射系数矩阵V受到了秩一约束，采用SDR的方法把秩一约束去掉即可，则可以得到如式(13)可以求解的问题。
Figure BDA0004094156870000098
Figure BDA0004094156870000099
[V]m,m＝1,
V＞0 (13)
最后得到优化后的用户调度系数，UAV轨迹，发射功率，反射系数和***总速率。把***速率和上一次结果比较，大于精度阈值则回到步骤S1继续迭代计算，小于阈值则输出优化的结果。
在本示例中，得到了在联合资源分配方法下，有智能反射面辅助和采用NOMA技术的方案通信速率比不用反射面和OMA方式更高。在相同条件下比较了NOMA-IRS，NOMA(无IRS)，OMA-IRS，OMA(无IRS)四种方案，实验结果显示NOMA-IRS方案效果最好。
通过比较不同发射功率(图3)，反射面单元数量为M＝60，UAV高度h＝100m，可以看出当UAV发射功率逐渐增大时，每种对比方案的***总速率也都逐渐增大，但NOMA-IRS方案一直是效果最好的。这说明了在相同的功率，频率，时间的条件下，提出的联合优化方法带来了较高的***速率。
不同IRS反射单元数量对比(图4)，此时发射功率为p＝30dBm，UAV高度h＝100m。随着IRS反射单元数量的增加，没有IRS的方案速率没有变化，但有IRS辅助通信的方案中，通信速率一直在变大，这也证明了智能反射面辅助通信提高了频谱利用率，通过调整反射单元的反射系数，改变无线信道传输环境，改善信道质量，提升了***速率。
不同飞行高度对比(图5)，发射功率为p＝30dBm，IRS反射单元数量为M＝60，此时随着UAV飞行高度的变化，高度越高，信号受到大尺度衰落越严重，各种方案速率都在下降，但NOMA-IRS方案比其他几种方案效果都好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：设置关于UAV轨迹、发射功率和智能反射面反射系数的初始值，优化用户调度，在用户服务质量的约束下，构建线性规划问题；
S2：把步骤S1得到的关于用户调度的结果和智能反射面反射系数作为输入，优化关于UAV轨迹设计和用户间功率分配，将非凸的优化问题变为凸优化问题求解，得到UAV轨迹和用户功率分配值；
S3：把步骤S1中求得的用户调度值，步骤S2中得到的UAV轨迹和用户间功率分配值和反射系数的初始值当作输入，求解智能反射面的反射系数；把信道增益写成矩阵相乘求迹的形式，采用半正定松弛SDR方法去掉秩一约束，把非凸问题转化为凸问题求解，得出用户速率的优化结果；
S4：把步骤S3得到的通信速率结果和上一次比较，若差值大于精度阈值，则回到步骤S1，继续把上一次优化出的值当作下一次的输入进行迭代，如果差值小于精度阈值，则输出优化的结果。
2.根据权利要求1所述的智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配方法，其特征在于：步骤S1具体包括：UAV在一段时间内从A点飞到B点，A的位置为q0，B的位置为qFinal，再把总的时间分为N个离散的时间间隔，用户共分为K组，每组I个用户，所有用户功率的总和不超过UAV的最大通信发射功率，而且每个用户的平均通信速率都要大于最小的通信速率要求；当某一个时隙第k组用户和UAV通信，则用户调度系数为sk[n]＝1，否则为sk[n]＝0；当给定UAV轨迹、发射功率和智能反射面反射系数，求解用户调度系数时，优化问题为：
Figure FDA0004094156860000011
Figure FDA0004094156860000012
Figure FDA0004094156860000013
Figure FDA0004094156860000014
其中Rk,i[n]是每个时隙各用户速率，Rmin为QoS约束。
3.根据权利要求1所述的智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配方法，其特征在于：步骤S2中，当给定用户调度和智能反射面的反射系数后，优化UAV的轨迹和功率分配，优化问题变为：
Figure FDA0004094156860000021
s.t.q[0]＝q0,q[N]＝qFinal
||q[n+1]-q[n]||≤δnVmax
Figure FDA0004094156860000022
Figure FDA0004094156860000023
/>
通过引入辅助变量代替UAV到用户，UAV到智能反射面的距离：
(dk,i[n])2≥||q[n]-uk,i||2
(ddk,i[n])2≥||q[n]-r||2
把上述两个辅助变量代替信道增益中计算距离的部分，则信道增益写为：
Figure FDA0004094156860000024
其中，Bk,i，Ck,i是和辅助变量无关的常数项；
则弱用户的干扰和噪声项为：
Figure FDA0004094156860000025
强用户的干扰和噪声项为：
Figure FDA0004094156860000026
经过上述变换，则原问题变为凸问题，可以求解，如下式：
Figure FDA0004094156860000031
s.t.q[0]＝q0,q[N]＝qFinal
||q[n+1]-q[n]||≤δnVmax
Figure FDA0004094156860000032
ηk,i≤(fk,i[n]+Ck,i[n]gk,i[n])lb
Figure FDA0004094156860000033
Figure FDA0004094156860000034
Figure FDA0004094156860000035
4.根据权利要求1所述的智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配方法，其特征在于：步骤S3的具体过程如下：
把步骤S1和步骤S2的优化结果当作S3的输入，优化智能反射面的反射系数，把信道增益写成矩阵相乘求迹的如下形式：
Figure FDA0004094156860000036
其中ck,i和v分别是不包含智能反射面的信道增益和反射面反射系数矩阵，采用SDR的方法把秩一约束去掉，得到如下可以求解的公式：
Figure FDA0004094156860000037
/>
Figure FDA0004094156860000038
[V]m,m＝1,
V＞0
最后得到优化后的用户调度系数、UAV轨迹、发射功率、反射系数和***总速率。
5.根据权利要求1所述的智能反射面辅助的UAV-NOMA***资源分配方法，其特征在于：步骤S4具体包括：把得到的***总速率和上一次迭代的结果进行相减，第一次的结果设置为0，根据差值结果和精度阈值比较，决定是否回到步骤S1或直接输出结果。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116600396A (zh) * 2023-06-15 2023-08-15 北京天坦智能科技有限责任公司 一种可重构智能表面辅助的非正交多址网络资源分配方法
CN116744256A (zh) * 2023-05-30 2023-09-12 重庆邮电大学 Ris辅助的无人机noma网络的最大化最小安全速率的方法

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