面向携能通信的无人机通信系统资源优化策略研究

• 作 者: 苏智杰
• 出 处: 苏智杰
• 发表日期: 2020年01期

在无线通信技术极速变革与发展的背景下,物联网（Internet of things,Io T）技术的推广应用伴随着设备接入数量的爆炸性增长,对无线通信网络的性能提出了更高的要求。一方面,由于物联网设备自身能量受限,因此,如何在保证高服务质量的同时提高物联网系统的续航能力是一个至关重要的问题。另一方面,持续发展的通信产业带来了巨大的资源消耗,而随着物联网设备的海量接入,其引发的能耗问题也将日益严峻,因此,如何提升物联网通信系统的能量效率亟待解决。无线携能通信技术（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT）能够实现无线信息传输和无线能量传输的有机结合,为物联网设备续航问题提供了有效的解决方案,然而传统SWIPT系统存在覆盖面积受限以及远近效应问题,导致物联网设备的公平性不能得到保障。无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）由于具有机动性强、覆盖面积广和操作灵活性高等特点,能够根据地面设备的实际需求快速调整,能快速服务传统基站难以覆盖的设备,并在提升信道质量方面展现出巨大优势。因此,利用无人机通信技术,可以弥补上述传统SWIPT系统的不足,为物联网设备提供信道条件良好的携能通信服务。综上,结合无人机通信和无线携能通信技术具有良好的应用前景,本文首先对面向携能通信的无人机通信系统展开了研究,随后在此基础上研究基于携能通信的无人机辅助终端直通（Device-to-Device,D2D）通信系统,并对系统能量效率的指标展开讨论。主要工作内容和研究成果概述如下:1、研究多无人机辅助的SWIPT系统中资源分配问题,以实现设备最小平均传输速率的最大化。首先,构建多无人机辅助SWIPT通信场景,并在考虑各无人机发射功率限制、设备能量采集需求等约束条件下,提出了基于最小平均传输速率最大化的资源分配优化问题。由于优化问题涉及多个高度耦合的优化变量,并含有0-1整数变量和存在无人机间的通信干扰,因此所提优化问题为混合整数非凸优化问题,难以在有限的多项式时间内进行求解。针对所考虑的非凸平均传输速率最大化问题,提出了一种基于迭代的联合资源优化算法,并对于非凸的子问题应用逐次凸逼近技术进行转化与求解。仿真结果证明了算法的收敛性和有效性,并验证了无人机辅助通信对于提升物联网系统传输速率有一定优势。2、基于上述无人机辅助SWIPT系统的研究,研究基于携能通信的无人机辅助D2D通信系统中联合资源优化问题,以最大化系统能量效率。为了进一步提升频谱利用率和信道增益,结合了波束赋形技术和非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）技术以提高传输性能。具体而言,首先构建了基于携能通信的无人机辅助D2D下行通信链路模型,在考虑到无人机最大传输功率限制、物联网设备对传输速率和能量采集需求的约束条件下,提出了通过对无人机部署、波束向量设计、功率分配、功率分割系数优化以及时隙切换系数联合优化,以实现系统能效最大化的优化问题。针对所提多变量耦合且非凸的系统能量效率最大化问题,提出了一种基于迭代的无人机部署与资源分配的联合优化算法,并基于分式规划理论、多目标规划技术和逐次凸逼近技术对原优化问题进行转化与求解。仿真结果验证了所提联合无人机部署位置与资源分配的迭代算法的可行性,并证明了结合波束赋形、NOMA技术及D2D通信技术在提升系统能量效率方面,对于无人机辅助的SWIPT系统较传统解决方案具有一定的优势。