[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

说明书

本发明涉及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方法，属于无线通信技术领域。本发明通过联合优化用户调度、无人机中继的飞行轨迹、波束成形和各发射端的发射功率，以实现用户的最小速率最大化的一种方法。该方法通过引入辅助变量和块坐标下降法将多维的复杂联合优化问题分解为低维的相对简单的子问题，即用户调度、无人机轨迹、波束成形和发射功率子问题，并利用引入松弛变量、连续凸近似、交替干扰抑制等方法，对子问题进行转换求解，得到最终结果。从而最大化最小用户速率。

技术领域

本发明涉及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，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着第五代无线系统的部署，移动的流量数据的爆炸式增长。无人机作为辅助通信手段，也开始广泛应用于通信网络之中。由于无人机的灵活性和多变性，使得其在应急救援、监视等领域有着广泛的应用。目前，无人机作为空中基站主要有以下三种典型的辅助和增强通信的场景，即无人机空中基站、无人机辅助信息传播和数据收集和无人机作为空中中继。特别地，将无人机用作空中中继可以改善现有无线通信能力。与传统的地面中继相比，无人机中继可以在更高的高度运行，可以显著提高系统的覆盖范围，并且无人机中继具有很高的概率能够与基站和地面用户设备之间建立可视通信链，有效抑制信息传递的无线信道丢失，增强无线通信的可靠性。

同时，随着通信技术的飞速发展，有限的频谱资源已经难以满足通信的业务需求。最近几年，通过研究发现全双工(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)中继是一种很有前途的技术，与传统的半双工通信(Orthogonal Multiple Access，OMA)相比，它可以支持同时同频的信息传输并实现更高的频谱效率。在全双工中继网络中，基站和用户之间可以通过中继在同一时间来传输同一频谱上的数据。在无人机中继通信系统中，加入全双工技术来辅助基站于用户之间的通信是当今研究的热点之一。由全双工无人机辅助通信，根据用户位置和基站位置，对用户调度和无人机轨迹进行优化，同时对波束成形和发射功率进行优化，可以使通信系统的用户最小传输速率达到最大，从而提升整个通信系统的性能。现有研究中，对于半双工无人机中继通信系统研究较多，但涉及全双工无人机作为中继辅助通信的研究相对较少，特别是对于联合优化用户调度、无人机轨迹、波束成形和发射功率的研究更少，因此本文开发一种联合优化全双工无人机中继的用户调度、无人机轨迹、波束成形和发射功率的设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供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，用以解决现有技术中无人机中继通信对频谱资源的浪费和辅助用户通信效果不佳的问题问题。

本发明的技术方案是：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，具体步骤为：

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。

所述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。