[发明专利]一种基于全双工无人机中继用户调度、轨迹优化和资源分配的设计方法

权利要求书

1.一种基于全双工无人机中继用户调度、轨迹优化和资源分配的设计方法，其特征在于：

Step1：建立全双工无人机中继系统的系统模型，所述系统在每个时隙将无人机从基站接收到的数据转发给一个地面用户；

Step2：建立上述系统的最小用户传输速率最大化问题，并通过块坐标下降法将问题分解成用户调度子问题、无人机轨迹优化子问题、波束成形优化子问题和发射功率优化子问题；

Step3：通过引入松弛变量、连续凸近似和交替干扰抑制，将非凸子问题转换为凸问题；

Step4：设计联合优化算法，联合优化用户调度、无人机轨迹和资源分配，使最小用户速率最大化。

2.根据权利要求1所述的基于全双工无人机中继用户调度、轨迹优化和资源分配的设计方法，其特征在于Step1具体为：

Step1.1：构建一个全双工无人机中继系统，包含1个地面基站、M个随机分布的地面用户和1个无人机中继，基站和用户通过无人机中继进行全双工通信；

设无人机在固定高度H水平飞行，飞行周期为T，时间段T划分为K个相等的时隙，定义无人机在第k个时刻的水平坐标为q[k]＝[x(k),y(k)]^T,k∈{1,...K}，基站的水平坐标为q_B＝[x_B,y_B]^T，第m个地面用户的水平坐标为q_m＝[x_m,y_m]^T；

无人机的移动约束为：

q[1]＝q_I

q[K]＝q_F

||q[k]-q[k-1]||≤D_max,k＝2,...,K

Step1.2：设无人机和基站、用户之间的信道建模为莱斯衰落信道，基站与地面用户之间的信道建模为瑞利信道：

基站到无人机、无人机到用户和基站到用户的信道增益分别表示为：

其中，β₀表示参考距离d₀＝1m处的信道增益，表示在时隙k时无人机到基站的距离，表示在时隙k时无人机到地面用户m的距离，表示在时隙k时基站到用户m的距离，κ是莱斯指数，和分别表示为基站到无人机、无人机到用户和基站到用户信道的散射分量，其中每一个元素都是服从均值为0、方差为1的高斯随机变量，其中，

其中，i＝{B,r,t,m}，0≤l≤M_i,0≤j≤N_i，表示基站到无人机的可视距分量，表示无人机到用户m的可视距分量，θ_B,φ_B,θ_r,φ_r分别表示基站和无人机链路之间的仰角离开角，方位角离开角，仰角到达角，方位角到达角，θ_m,φ_m,θ_t,φ_t分别表示无人机到用户m链路中的仰角离开角，方位角离开角，仰角到达角，方位角到达角，d为载波波长，λ为天线之间的距离；

Step1.3：用二进制变量α_m[k]来表示用户调度，无人机每个时隙服务1个用户，当α_m[k]＝1时，表示无人机在时隙k时，基站和用户m之间进行通信，否则，α_m[k]＝0；

所以用户调度约束为：

Step1.4：令P_max1表示基站最大发射功率，P_max2表示无人机最大发射功率，P_B[k]表示基站在时隙k发送给无人机的传输功率，P_m[k]表示无人机在时隙k发送给用户m的传输功率，P_all表示在时隙k时的总功率；

功率约束为：

0≤P_m[k]≤P_max2

P_B[k]+P_m[k]＝P_all

波束成形约束为：

Step1.5：在第k个时隙基站到无人机的传输速率为：

在第k个时隙无人机到第m个用户的传输速率为：

其中，h_SI表示全双工无人机接收天线阵列和发射天线阵列之间的自干扰信道，w_B,w_r,w_t,w_m分别表示基站处的波束成形矢量、无人机接收天线处的波束成形矢量、无人机发射天线处的波束成形矢量和用户接收处的波束成形矢量；

这个模型在第k个时隙可实现速率如下：

R_m[k]＝min(R_BU[k],R_Um[k])                      (7)

因此，用户m在整个通信周期内的总传输速率表示为：