[发明专利]一种毫米波全双工无人机通信中继传输方法

权利要求书

1.一种毫米波全双工无人机通信中继传输方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、建立基站、无人机和用户的空间位置模型；

空间位置模型包括基站到无人机的距离，发射角和到达角；以及无人机到用户的距离、发射角和到达角；

步骤二、利用空间位置模型，建立以无人机为中继的地面基站到用户的下行通信系统的信道模型；

信道模型包括基站到无人机链路的信道矩阵，以及无人机到用户链路的信道矩阵；

基站到无人机链路的信道矩阵H_B2V为：

其中，为基站发射天线的数量；是无人机中继配备的接收天线数量；基站发射天线和无人机接收天线都采用均匀平面阵列；d_B2V为基站到无人机的距离；α是大尺度衰减系数，β是信道矩阵功率归一化常数；a(·)为均匀平面阵列天线的指向向量：

其中，d是相邻天线之间的距离，λ是毫米波波长，对半波间距天线阵列来说d＝λ/2；

θ_B代表基站处的发射俯仰角；φ_B代表基站处的发射方位角；θ_r代表无人机处的到达俯仰角；φ_r代表无人机处的到达方位角；

无人机到用户链路的信道矩阵H_V2U为：

其中，为用户接收天线的数量；为无人机中继配备的发射天线数量；用户接收天线和无人机发射天线都采用均匀平面阵列；d_V2U为无人机到用户的距离；

θ_t代表无人机处的发射俯仰角，φ_t代表无人机处的发射方位角，θ_U代表用户处的到达俯仰角，φ_U代表用户处的到达方位角；

步骤三、利用信道模型在同时同频全双工模式下，地面基站向无人机发射信号，无人机向用户设备发射信号；

无人机接收到的信号y₁为：

代表无人机接收端波束赋形向量，代表基站波束赋形向量，P_B为基站发射信号功率；s₁为基站发射信号，是无人机中继收发天线之间的自干扰信道矩阵，代表无人机发送端波束赋形向量，P_V为无人机发射信号功率；s₂为无人机发射信号，n₁是无人机处功率为的零均值高斯白噪声；

用户设备接收的信号y₂为：

其中是用户设备的波束赋形向量，n₂是用户设备处功率为的零均值高斯白噪声；

步骤四、根据无人机接收信号以及用户设备的接收信号，计算基站到无人机链路的可达率R_B2V，无人机到用户链路的可达率R_V2U和基站到用户的可达率R_B2U；

基站到无人机链路的可达率R_B2V表示为：

无人机到用户链路的可达率R_V2U表示为：

基站到用户的可达率R_B2U为：R_B2U＝min{R_B2V,R_V2U}；

步骤五、构建基站到用户的可达率R_B2U达到最大时的目标函数，设计无人机位置、波束赋形以及信号功率分配的约束条件；

目标函数如下：

(x_V,y_V,h_V)为无人机坐标；

无人机位置范围的约束条件为：

(x_V,y_V)∈[0,x_U]×[0,y_U]

(x_U,y_U,0)为用户坐标；

波束赋形的约束条件为：

发射信号功率分配的约束条件为：

其中为基站的最大发射功率，为全双工无人机中继的最大发射功率；

步骤六、在理想波束赋形的约束条件下计算无人机的最优位置；

具体如下：

首先，定义理想波束赋形下，基站到无人机链路和无人机到用户链路获得全部阵列增益，并且全双工无人机中继的自干扰为0，即：

然后，将理想波束赋形下的阵列增益代入基站到无人机链路及无人机到用户链路的可达率表达式中，得到理想波束赋形下基站到无人机可达率的上界和无人机到用户的可达率的上界

计算公式如下：

最后，根据理想波束赋形下的可达率上界，得到无人机最优位置的闭式解：

参数a，b，c由如下公式计算：

步骤七、按照最优位置固定无人机，分别计算基站的波束赋形向量、用户的波束赋形向量、以及无人机的发送端和接收端的波束赋形向量；

具体如下：

步骤701、将基站和用户的最优波束赋形向量设定为指向无人机中继的指向向量；

公式如下：

步骤702、将无人机中继的接收端波束赋形向量和发送端波束赋形向量，分别初始化为指向基站和用户的指向向量：

公式如下：

步骤703、计数器k＝1开始迭代，利用基站和用户的最优波束赋形向量，交替优化无人机发送端波束赋形向量和接收端波束赋形向量；

步骤704、分别对无人机中继的发射端波束赋形向量优化结果和接收端波束赋形向量优化结果进行恒模归一化：

步骤八、将无人机最优位置和收发两端的最优波束赋形向量代入目标函数中，计算基站和无人机的最优发射功率，以最大化系统可达率，并减小功率浪费；

首先，在无人机收发两端所得的最优波束赋形向量的条件下，分别计算基站到无人机链路和无人机到用户链路的可达率：

其中

然后，对最大化基站到用户的可达率这个目标函数进行求解，得到无人机最优位置和收发两端最优波束赋形向量下的最优功率设置，保证在相同的可达率下，基站和无人机的总发射功率最小；

此时，基站和无人机的最优发射功率为：

其中a′＝G_SIG_V2U，