[发明专利]无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法

说明书

无人机通信中一种基于空间调制的非正交多址接入能效优化方法，涉及信息与通信技术领域，是一种基于非正交多址接入技术的用户功率优化分配方法对发射功率进行优化分配，以提升系统能量的效率。本发明针对无人机通信场景的能量受限问题以及通信场景中普遍面临的频谱资源紧缺问题，研究了基于空间调制的非正交多址接入技术中的一种能效优化方法，系统架构可以描述为将一部分待传输比特信息映射至天线选择序列，剩余多用户比特信息经由功率域叠加发送。在该方案下通过对NOMA技术中的功率进行优化分配，可以实现系统能量效率的提升。

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及通信网络中的一种无人机通信场景下基于空间调制的非正交多址接入能效优化技术

背景技术

随着无线通信技术的发展，近年来通信终端数目爆炸式增长，传统的地面通信网络难以满足大量并发通信数据需求，因此，近年来，科学界将目光转向无人机通信网络，无人机具有网络机动性高、通信成本低、易于控制部署、组网方式灵活和通信设备更新方便等独特优势，此外，无人机可为终端提供有直视路径的信道，并且能够针对不同任务需求快速搭建起通信链路，进而实现增强接收信号功率、增大系统容量和通信覆盖范围。考虑无人机通信的独特优势，目前无人机已在森林防火、军事侦察、交通监控及数据搜索等领域展现出了广阔的应用前景，同时，由于无人机部署简单，可集群或单独完成任务，无人机也可作为辅助手段缓解地面通信网络压力。无人机辅助无线通信的主要场景可以分为如下三类：(1)无人机承担部分或全部基站功能：由于自然灾害导致部分或全部基础设施损坏之后的服务快速恢复或在非常拥挤的区域(例如，体育赛事期间的体育场)中的基站卸载；(2)无人机辅助中继通信：利用无人机为没有可靠直接通信链路的远程用户、用户组之间提供无线连接；(3)无人机辅助信息传播和数据收集。然而无人机重量轻，公里处有限，导致无人机续航时间及信息传输效率受限。因此，在无人机通信技术中，考虑通信系统的能效优化问题，实现低能耗信息传输，是一项具有重要意义的研究课题。

爆炸式增长的通信终端，不仅会给传统地面蜂窝网络带来前所未有的巨大压力，同时也将导致频谱资源紧缺问题。因此，如何高效利用不可再生的频谱资源，是一项亟待解决的课题。为高效利用频谱资源，学术界提出了多种技术手段，其中功率域非正交多址接入技术(power domain non-orthogonal multiple access,NOMA)近年来被视为一种具有极大应用前景的接入技术，多用户共享频谱、码字、时隙资源，仅在发送功率上对多用户信息加以区分，即发送端根据多用户的信道状态信息为多用户分配不同的发射功率，并依据发射功率将多用户的信息叠加在一起，在接收端通过串行干扰消除技术逐个解调多用户信息，实现正确解码。通过多用户之间频率资源的共享，NOMA技术相比于正交接入技术，可以在相同带宽条件下实现更高的信息传输速率，即更高的频谱利用效率。同时，NOMA技术原理简单，实现难度低，不需对现有的硬件通信设施进行大规模改造，上述优势进一步加大了NOMA技术的实际应用价值。然而，传统的NOMA技术对于频谱效率的提升存在瓶颈，同一频带内的用户数目不能无限增加，一方面是由于随着用户数目的增加，终端解调难度逐渐增大，复杂度提升，另一方面是多用户间的同频干扰随着用户数目的增加而加大，当达到一定阈值后，用户数目的提升将不会为系统频谱效率带来任何增益。考虑率NOMA技术与其他技术的结合，可在NOMA高频谱效率的基础上，进一步提升网络频谱效率，实现资源的高效利用。作为一种特殊的多天线技术，空间调制技术将天线序列视为可调制资源，通过对发送天线序列的选择，实现一部分信息比特的传输。技术细节可以描述为：将用户的待传输比特信息分为两部分，一部分比特信息用于在所有发射天线中选择某一根/多根发射天线作为活跃天线；而另一部分比特信息则通过前一部分比特信息所选的天线发送出去。值得注意的是，用于天线选择的比特信息与选择的天线序列之间应当是单一映射关系，即某一中比特信息只能对应一种活跃天线序列；同时，仅有被选择的活跃天线可以用来传输信息，而其余天线则保持静默，不发送任何信息。在接收端通过信息解调恢复出天线的活跃情况，根据活跃情况直接解调出部分比特信息。空间调制技术的核心在于天线选择，即在某一时隙内仅有部分天线用于传输信息，这种方案使得传输信息具有一定的稀疏性，同时可以抑制天线间干扰，此外，由于一部分比特信息通过空间调制发送，可以提升信息传输速率，进而提升系统的频谱效率。