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1 引言
面对重大自然灾害和紧急突发事件,有效的应急通信对于提高救援效率和
保障人民生命安全具有重要的意义。当发生事故或灾难时,当地的固定基站通
常 不 能 正 常 使 用 , 而 下 一 代 通 信 系 统 中 的 无 人 机 (
)具有更好的灵活性
,特别是对于偏远地区或缺乏基站设施的地区,应
快速构建无人机空中基站。因此,无人机为有序应对突发事件,尽可能地降低
其危害程度做出了重要的贡献
。针对应急通信场景下频谱资源稀缺及基站毁坏
的问题,提升无人机系统的频谱效率具有重要意义。
非正交多址接入()技术具有较高
的频谱效率与较好的公平性,被视为 乃至下一代无线通信系统的关键技术
!
"
。在功率域 系统中,信道条件好的用户被分配较低的功率分配因子 ,
而信道条件差的用户被分配较高的功率分配因子。在接收端,利用串行干扰消
除(#$%&)技术来消除部分用户的干扰,
实现更多用户在同一时频域复用,从而提升频谱效率
'
。
将 引入无人机通信系统,能够充分利用功率域资源,从而保证空中
基站为地面用户更好地传输信号(下行链路)或者保证空中无人机为地面用户
更好地传输信号(上行链路)。无人机系统主要受到视线((#&)
链路的影响,所以传统的瑞利衰落不适合表示其信道特性
)
。
关 于 系 统 的 研 究 , 按 照 信 道 特 性 分 类 , 主 要 有 空 对 地
( )信道、*衰落信道、路径损耗信道和莱斯信
道。针对考虑 信道的 系统,文献+
研究了不同城市环境下的
和速率最大化问题,同时对比了固定与动态 高度的影响,从而减少能耗。
在相同的模型下,文献,
考虑了多用户服务质量约束,将能效最大化问题等效
为非线性分式规划问题,其中基于信道条件的用户分组方案被考虑。针对考虑
* 衰落信道的 系统,文献-
提出了以 为中心的
卸载操作策略和以用户为中心的应急通信策略,分别适用于密集网络与需要同
时服务所有用户的场景,从而提升系统覆盖概率。文献
则考虑了 (# 链路
与非视线((#&)链路的影响,利用随机几何模型来模拟用
户与 的位置,并且推导了系统中断概率与遍历速率的闭式表达式。针对
(# 链路与 (# 链路场景,文献
首先根据访问优先级确定用户分组方案,
再利用消息传递算法进行子信道分配,最后联合优化 系统的发射功
率。文献!
则研究了相同模型下的多个旋转无人机辅助的上行 系统,
并提出了基于 . 均值的 部署方案和基于坐标的用户分组方案。同时,考虑
了最小服务质量约束,联合优化基于总功率最小化的资源分配问题。结果表明,
系统的频谱效率和能量效率得到有效提升
!
。针对考虑路径损耗
模型 的 系统,文献 "
考 虑了最 小可达速率 需求 ,研究 了联合
位置与功率分配优化问题来减小发射功率。文献
研究了联合 位置、
接纳控制与功率分配优化问题,利用惩罚函数法与连续凸逼近法来求解卡罗需
库恩塔克(../../)收敛点,从而提高 系统
的用户接入数。此外,文献'
将无人机引入车联网,利用对偶分解法,通过联
合优化链路切换次数与链路传输速率来提高 系统吞吐量。针对考
虑莱斯信道的 系统,文献)
考虑了上行干扰消除约束,研究了联
合 位置、地面基站位置、预编码优化问题,从而提升地面用户的和速率。
在相同的信道模型下,文献+
研究了上行 系统的预编码优化问题,
考虑了 #$% 约束和速率需求约束,利用一阶泰勒展开将上述优化问题转化为二
阶圆锥规划问题,从而提升系统和速率。文献,
研究了总发射功率约束、总带
宽约束、高度约束、天线波束宽度约束条件下的最大最小速率优化问题,
利用路径追踪算法求解,得到有效的 系统和速率提升。此外,文献
-
研究了 旋转轨迹的优化问题,从而降低了下行 系统的中
断概率。
上述关于 系统的工作大多只考虑 高度、位置、轨迹的影
响,而缺乏对地面用户分组与功率分配联合优化问题的研究。因此,本文主要
研究 系统中的动态用户分组与功率分配算法,利用图论中的最大割
定理与辅助变量法,使 系统的和速率性能得到较好的提升。本文
主要贡献如下。
0在下行单小区多组场景下,建立了一个基于无人机辅助的 通信网
络模型,其中一个无人机作为空中基站,服务多个地面用户,而这些地面用户
被均分到多个组。传统的 系统通常假设每组用户数为 ,即每组只
包含一个近用户和一个远用户。为了更符合实际,本文所提的 系
统将考虑组内用户数更多的情形。
0为了进一步提升 系统的频谱效率,考虑了基站最大发射功
率约束与用户分组约束,构建了基于多用户和速率最大化的用户分组与功率分
配联合优化问题。该问题是混合整数非线性规划问题,故难以求其闭式解。
!0为了解决上述问题,提出了两步策略。首先,基于图论中的最大割定理
进行用户分组,保证用户与无人机的相对距离较小。然后,对每组用户分别执
行基于多用户和速率最大化的功率分配子问题,通过辅助变量法将其转换为凸
优化问题,从而得到每组用户的功率分配因子。
"0仿真结果表明,本文算法在不同的覆盖半径、无人机高度、发射功率和
信噪比下具有较好的和速率性能。
2 系统模型及问题描述
考虑一个下行 系统,如图
所示。该系统包括一个含
根发
射天线的 作为空中基站,工作在固定高度,且地面覆盖范围是半径为 1 的
圆。此外,该系统具有 个单天线地面用户。假设 个用户被分为 / 组,每组
有 . 个用户,并记第 组的第 *个用户为 utk*,定义组号集合为 t∈{1,2,
⋯,T}∈2⋯/3,用户序号集合为 n∈{1,2,⋯,N}∈2⋯3,组内用户
序号集合为 k∈{1,2,⋯,K}*∈2⋯.3。所有组的用户 均匀分布在半径为
1
的小圆内,而所有组的用户 均匀分布在半径为 Ri−114 和 1
的同心圆环内。
其 中 , Ri−1
<
Ri14 < 1 , 且 1
.
561 , 同 时 定 义 用 户 覆 盖 半 径 集 合 为
R=[R1,R2,⋯,RK]ℜ611⋯1.。此外,组内用户利用 技术共享相
同的时频域资源,而各组之间保持正交多址接入(
),即忽略组间干扰
。
图 1
图 1基于无人机的非正交多址接入系统模型
考虑一种由小尺度衰落和大尺度衰落构成的复合信道模型
,
-
,R=[R1,R2,
⋯,RK]ℜ611⋯1.表示用户 uti 的信道矩阵。其中, Dti7 和 Hti8 分
别表示 用户 uti 的大尺度衰落和小尺度衰 落。大尺度衰落 可进一步表示为
Dti=(dti) −α7690:4;。其中,; 为路径损耗系数,dti 为 与用户 uti
之 间 的 距 离 。 小 尺 度 衰 落 Hti∈CNr×Nt8∈ℂ< 表 示 用 户 uti 的
* 衰 落 信 道 矩 阵 , 并 且 每 个 元 素 的 密 度 函 数 为
f(x)=mmxm−1Γ(m)e−mx&9=06=4>904= 。 其 中 , 为 衰 落 参 数
-
,>90 为卡方 函数。 当 为整 数时, >90690? 。 此外, 与用 户
uti 之 间 的 距 离 可 表 示 为 dti=H2+∥zu−zti∥2−−−−−−−−−−−−
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- m0_670610502023-11-07果断支持这个资源,资源解决了当前遇到的问题,给了新的灵感,感谢分享~
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