本發明專利技術屬于無線通信技術領域，尤其為一種IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化方法，包括以下步驟：步驟1：構建一個IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化模型；步驟2：初始化無人機位置Q、SIC解碼順序A、IRS反射矩陣Θ、無人機發射功率P及判決閾值ε。本發明專利技術本發明專利技術在SIC解碼順序、UAV的二維位置、IRS反射矩陣、無人機發射功率約束條件下，聯合優化四個變量，優化了IRS輔助的無人機通信系統的和速率；引入二元變量參與信道狀態排序，與傳統信道條件排序方法不同，本發明專利技術采用塊坐標下降法、連續凸逼近(Successive?Convex?Approximation,SCA)和基于懲罰的方法逼近全局最優解，本發明專利技術所提供的方法，相比其他沒有IRS輔助的網絡的資源分配方案提高了系統速率，具有更好的實用性和可行性。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及無線通信，具體為一種irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化方法。
技術介紹
1、如今，iot的普及引發了5g和b5g移動數據流量激增，在面對用戶接入數量激增造成的地面基站(base?station，bs)過載，或緊急救災區基站嚴重不足等問題時，短時間內增加地面通信基礎設施并不可行且代價過高。無人機(unmanned?aerial?vehicle，uav)被認為是解決這一問題的可行前景方案，將基站搭載到可移動的無人機上協助地面基站通信，可快速恢復癱瘓的通信服務并有效提高網絡覆蓋。
2、非正交多址接入(non-orthogonal?multiple?access，noma)技術被認為是可以解決網絡接入有限、延遲高、可靠性差和吞吐量低等問題的有效方法，被認為是b5g以及6g中最有前景的無線接入技術之一。noma支持超高密度的用戶和設備接入到網絡，保持高速的網絡流量和提高頻譜利用率，實現大規模的用戶和設備連接，其應用前景深遠，是目前諸多學者開展科學研究的焦點。
3、智能反射面(intelligent?reflecting?surface，irs)是一種全新的革命性技術，它可以通過在平面上集成大量低成本的無源反射元件，智能地重新配置無線傳播環境，從而顯著提高無線通信網絡的性能。
4、目前，通過研究irs輔助通信的無人機網絡資源分配方法發現，很多方案考慮場景較為簡單、用戶數量較少、sic的用戶信道狀態排序方法較為單一，聯合優化的變量較少，導致方法實用性較小，很難應用到實際場景。
5、因此，針對于地面用戶較多，且信道狀態排序不定的情況，我們提出一種聯合優化多個變量的優化方法，并引入二元變量參與用戶信道狀態的排序，由于整個優化問題是一個混合整數非凸優化問題，對這個問題優化是一個技術難題。
技術實現思路
1、(一)解決的技術問題
2、針對現有技術的不足，本專利技術提供了一種irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化方法，解決了上述
技術介紹
中所提出的問題。
3、(二)技術方案
4、本專利技術為了實現上述目的具體采用以下技術方案：
5、一種irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化方法，包括以下步驟：
6、步驟1：構建一個irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化模型；
7、步驟2：初始化無人機位置q、sic解碼順序a、irs反射矩陣θ、無人機發射功率p及判決閾值ε；
8、步驟3：給定irs反射矩陣θ和無人機發射功率p，求解無人機位置q和sic解碼順序a；
9、步驟4：給定無人機位置q、無人機發射功率p、sic解碼順序a，求解irs反射矩陣θ，此時給定的無人機位置和sic解碼順序是由步驟3求解而來的；
10、步驟5：給定給定無人機位置q、sic解碼順序a、irs反射矩陣θ，求解無人機發射功率p，此時給定的無人機位置、sic解碼順序、irs反射矩陣θ是由步驟3和4求解而來的；
11、步驟6：迭代算法直到兩次目標函數值的差值小于等于判決閾值ε，并給出系統最大和速率。
12、進一步地，所述步驟1中，建立一個irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化模型為，優化問題為問題一，可描述為：
13、
14、其中表示系統期望速率，θ為irs反射矩陣，θm表示第m個反射元件的反射相移，表示無人機到用戶的鏈路與經過irs的反射鏈路疊加的期望功率增益，是關于無人機位置q和反射矩陣θ的函數，pk,i表示為第k個無人機發送信息給第k組中第i個用戶的發射功率，pmax是無人機的最大發射功率，表示為用戶的sic的解碼順序，時表示用戶t解碼用戶i，無人機與用戶組具有對應關系，即為第k個無人機服務第k組用戶，用戶的數量為mk，每組用戶的集合索引為m?k，n表示n個反射元件，qk表示第k個無人機的位置，和表示第k組的第t個用戶和第i個用戶，σ2表示系統噪聲，服從高斯分布，問題一的優化變量為無人機的二維位置q、sic的解碼順序a、irs反射矩陣θ、無人機的發射功率p,問題一的目標函數表示用戶的和速率，第一個約束表示無人機的安全距離約束，第二個約束表示irs反射相移約束，第三個約束到第五個約束表示無人機的發射功率約束，第六個約束表示sic解碼順序的約束，第七個約束表示避免出現兩個用戶與無人機的距離相同而無法區分強弱用戶的情況，利用塊坐標下降法，將問題一分解為三個子問題，交替優化進行求解。
15、進一步地，所述步驟2中，初始化無人機的位置為q＝(x,y,h)，sic解碼順序為a,irs反射矩陣為θ，無人機發射功率為p，判決閾值為ε，其中無人機的高度h為固定數值。
16、進一步地，所述步驟3中，利用給定的irs反射矩陣θ和無人機發射功率p，求解出無人機位置q和noma解碼順序a，子問題一(問題二)可描述為：
17、
18、
19、其中，是輔助變量的集合，表示無人機與服務用戶的距離的上界，表示無人機與未服務用戶的距離的下界，表示無人機與irs距離的上界，表示無人機與irs的下界，
20、，其中ρ0為單位距離的路徑損耗指數，β1為無人機與用戶之間的路徑衰落指數，
21、β2為irs與用戶之間的路徑衰落指數，表示irs與無人機之間的los分量，其中為無人機到irs的到達角余弦，k1和k2表示萊斯因子，
22、問題二是非凸優化問題，需要將目標函數和約束進行變換，將約束(11)做為懲罰項寫入，將問題二等價為問題三，問題三可描述為：
23、
24、其中，ζ＞0為懲罰系數，懲罰優化變量時，此時問題依然為非凸，采用連續凸逼近的方法，用來表示問題三的目標函數，假設經過第n次sca后給出的點為利用一階泰勒公式在這個點進行展開得到一個上界：
25、
26、其中和一階泰勒展開式如下：
27、
28、約束(1)、距離上下界的約束以及約束(9)都可以使用一階泰勒展開公式替換得到全局下界，約束(10)(11)由于涉及無人機的位置導致到達角有變化，假設每次sca的迭代中無人機的位置變化是較小的，第n次迭代的到達角是近似不變的，這樣也是近似不變的,在此基礎上，約束(10)(11)的右式可以看作是兩個凸函數的加和：
29、原式為對于經過n次的sca的距離約束給出的點為一階泰勒展開得到全局下界，如下式：
30、
31、其中：
32、
33、
34、同理和也使用相同的方法處理，經過問題轉換與約束轉換，將問題三轉換成了凸優化問題，其最優解可通過cvx等凸優化工具進行求解。
35、進一步地，所述步驟4中，給定q、a、p，優化irs反射矩陣θ，子問題二(問題四)可描述為：
36、
37、上述問題是非凸問題，因此改寫第一項為：
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【技術保護點】
1.一種IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化方法，其特征在于：所述步驟1中，建立一個IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化模型為，優化問題為問題一，可描述為：
3.根據權利要求2所述的一種IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化方法，其特征在于：所述步驟2中，初始化無人機的位置為q＝(x,y,H)，SIC解碼順序為A,IRS反射矩陣為Θ，無人機發射功率為P，判決閾值為ε，其中無人機的高度H為固定數值。
4.根據權利要求3所述的一種IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化方法，其特征在于：所述步驟3中，利用給定的IRS反射矩陣Θ和無人機發射功率P，求解出無人機位置Q和NOMA解碼順序A，子問題一(問題二)可描述為：
5.根據權利要求4所述的一種IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化方法，其特征在于：所述步驟4中，給定Q、A、P，優化IRS反射矩陣Θ，子問題二(問題四)可描述為：
6.根據權利要求5所述的一種IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化方法，其特征在于：所述步驟5中，給定Q、A、Θ，優化無人機的發射功率P，子問題三(問題六)可描述為：
7.根據權利要求6所述的一種IRS輔助的多無人機NOMA通信系統速率優化方法，其特征在于：所述步驟6中，當時，算法收斂，并得到通信系統的最大和速率，如不滿足上述情況，則算法繼續迭代，直到算法收斂。
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【技術特征摘要】
1.一種irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化方法，其特征在于：包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化方法，其特征在于：所述步驟1中，建立一個irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化模型為，優化問題為問題一，可描述為：
3.根據權利要求2所述的一種irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化方法，其特征在于：所述步驟2中，初始化無人機的位置為q＝(x,y,h)，sic解碼順序為a,irs反射矩陣為θ，無人機發射功率為p，判決閾值為ε，其中無人機的高度h為固定數值。
4.根據權利要求3所述的一種irs輔助的多無人機noma通信系統速率優化方法，其特征在于：所述步驟3中，利用給定的i...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳桂芬，沈傲宸，陳廣交，吳國偉，曲梓滔，周嘉露，
申請(專利權)人：長春理工大學，
類型：發明
國別省市：
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