无人机辅助多用户毫米波MIMO系统的透镜波束预编码技术研究.docx资源-CSDN文库

版权申诉

5 浏览量 2023-02-23 20:09:47 上传评论收藏 565KB DOCX 举报

资源推荐

资源详情

资源评论

1. 引言

无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)在军事和民用领域具有巨大潜能，将其与多输

入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)无线通信网络结合的相关研究引起了广泛关

注。UAV 可提供按需部署作为空中基站平台，有效支持紧急事件，并增强地面终端

(Ground Terminal, GT)的无线容量

[1]

。此外，毫米波(millimeter Wave, mmWave)频率的波长

较短，大量天线阵列可在 UAV 上部署形成定向波束，有效提高数据速率并扩大覆盖

[2]

。因

此，无人机被认为是未来 mmWave 通信系统的主要候选技术之一

[3]

。然而，传统 UAV 辅

助通信系统的波束赋形增益依赖全数字预编码结构，导致了极高的硬件成本，阻碍 UAV

辅助通信的商业部署

[4]

。面对该问题，基于负载控制寄生天线阵列

[5]

、波束选择

[6]

和模拟/数

字预编码混合设计

[7]

等大量低成本的波束赋形技术被提出。近期，一种新兴的波束空间

MIMO 方案将离散透镜阵列(Discrete Lens Array, DLA)用于模拟空间波束形成，有效降低了

射频链硬件成本

[8]

。该技术利用透镜天线阵列(Lens Antenna Array, LAA)，根据毫米波信道

的稀疏性，设计波束选择器，通过镜像阵列聚焦波束能量，从而减少所需射频链

[9]

。但传

统的最大幅值、改进的干扰感知预编码等波束选择策略，仅限于地面通信。此外，现实的

无线通信环境存在众多不可预见影响，导致当前技术难以应对各种复杂的无线通信场景。

因此，研究基于 UAV 的波束空间预编码方案以快速应对突发事件具有重要意义。

为应对上述问题，部分相关学者提出混合波束赋形方案。但混合模拟/数字预编码所

需射频链和移相器众多，导致了额外功耗及硬件成本

[10]

；并且混合预编码/组合矩阵优化问

题比传统的全数字矩阵优化问题

[11]

更加复杂。一种有效的方法是利用透镜的聚焦能力，开

发 DLA 并用于 mmWave MIMO 通信系统，这种模拟/数字混合收发器结构如图 1 所示。文

献[8]在基于 DLA 的 mmWave MIMO 系统中引入了径分多路模式。文献[12]进一步采用径

分多路接入策略以提升传输效率，然而该策略有可能导致用户干扰问题。为此，文献[13]

研究了一种干涉感知波束选择方案以降低用户间干扰。后续，文献[14]利用 LAA 的结构研

究了 mmWave 波束空间 MIMO 系统的压缩信道估计问题。值得注意的是，波束空间

MIMO 系统本质上类似于动态混合预编码系统中的相移和选择，但波束空间 MIMO 采用了

模数转换器，大大降低了硬件成本，缓解了多用户干扰带来的性能瓶颈。因此，将 DLA

应用于 UAV 无线通信具有巨大的潜力。然而，在 UAV 辅助的 MIMO 通信系统中，由于

UAV 的高度与 LAA 的波束选择器高度耦合，导致了该优化问题为非凸优化问题难以直接

求解。因此，寻求高效的优化和求解方式是值得关注的关键技术之一。

图 1 基于 LAA 结构的毫米波 MIMO 通信示意图

下载: 全尺寸图片幻灯片

本文研究了一种无人机搭载离散透镜阵列的毫米波无线通信技术，通过联合优化无人

机高度、混合波束空间预编码矩阵及离散镜像阵列，从而实现最大化频谱效率。首先，针

对无人机的高度、波束选择和波束空间预编码、数字预编码器/组合器变量、无人机的位置

规划和高度等多变量，提出一种有效的联合优化问题。该优化问题涉及非凸的多个变量耦

合约束，导致求解困难。为解决该 NP-hard 问题，本文提出惩罚对偶分解(Penalty Dual

Decomposition, PDD)方法，引入带有辅助变量和惩罚参数的目标函数以处理耦合的数字预

编码/组合矩阵和波束选择器约束，并将优化问题重构为等效增广拉格朗日函数(Augmented

Lagrangian, AL)求其最小值，其中每个子问题采用块坐标下降(Block Coordinate Descent,

BCD)算法独立求解。数值仿真结果验证了所提出的无人机高度、波束选择和波束空间预编

码联合优化策略的有效性，能够实现接近全数字预编码方案的频谱效率性能。

2. 问题描述及其公式化

图 2 显示基于镜像阵列的毫米波通信系统示意图。UAV 被部署为飞行基站，服务于

KK 个 GT。UAV 搭载了 LAA。假设 UVA 的水平和垂直位置分别为

\boldsymbolx=\boldsymbolx=(x(1), x(2))(x(1), x(2))并悬停于距地面 h 的高度。每个 GT 的

高度与 UAV 的高度相比为零，用

\boldsymbolzk=(zk(1), zk(2))\boldsymbolzk=(zk(1), zk(2))表示第 kk 个 GT 的位置。UAV

的地面覆盖面积依赖天线的主瓣，其半径为

∥\boldsymbolz−\boldsymbolxk∥=htanΘ‖\boldsymbolz−\boldsymbolxk‖=htan⁡Θ。UAV 配

备 NtNt 个发射天线和 NRFtNtRF 个射频链，实现对 KK 个 GT 同时通信，其中每个 GT 都

配备 NrNr 个接收天线。假设 NsNs 为数据流，接收端天线约束为

KNs≤NRFtKNs≤NtRF≤Nt≤Nt 和 Ns≤NrNs≤Nr。

剩余14页未读，继续阅读

内容反馈

版权申诉

罗伯特之技术屋

粉丝: 3675
资源: 1万+

最新资源

资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议，欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理！点击此处反馈

feedback-tip