1.基于智能反射面辅助的无人机几何模型建立方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、根据无人机UAV、智能反射面IRS和接收端三者之间的位置关系,建立基于智能反射面IRS辅助的无人机几何模型,并得到信道的复信道增益;
复信道增益表示如下:
其中,
其中,t表示时间变量,hpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间多径分量的复信道增益, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间直射分量的复信道增益, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间散射分量的复信道增益, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的直射分量经智能反射面IRS反射后的复信道增益, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的散射分量经智能反射面IRS和散射体散射后的复信道增益,θmn(t)表示智能反射面IRS在t时刻的反射相位,Gt表示发端天线增益,Gr表示收端天线增益, 表示无人机UAV到用户端的路径损耗,K表示莱斯因子, 表示无人机UAV到智能反射面IRS的路径损耗,π表示圆周率,λ表示载波波长,ξpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的时变距离,fpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间直射分量的时变多普勒频移,N1表示散射体 的数目, 表示无人机UAV天线单元p和散射体 之间的时变距离,表示散射体 和用户端天线单元q之间的时变距离, 表示经散射体 的散射分量的时变多普勒频移,ξpmn(t)表示无人机UAV天线单元p和(m,n)‑th智能反射单元之间的时变距离,ξmnq(t)表示(m,n)‑th智能反射单元和用户端天线单元q之间的时变距离,fpqmn(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间多径分量经(m,n)‑th智能反射单元后的时变多普勒频移,N2表示散射体 的数目,ξmnn2(t)表示(m,n)‑th智能反射单元和散射体之间的时变距离, 表示散射体 和用户端天线单元q之间的时变距离,表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间多径分量经智能反射面IRS和散射体后的时变多普勒频移;
S2、根据基于智能反射面IRS辅助的无人机几何模型,以接收信号功率最大化原则设计优化问题;
S3、根据接收信号的功率主要集中在经智能反射面IRS反射的直射分量上,化简优化问题;
S4、根据化简的优化问题,求解最优的智能反射面IRS反射相位;
S5、确定无人机、用户端和智能反射面IRS之间的时变参数;
S6、通过步骤S4和步骤S5中得到时变反射相位、时变距离和时变多普勒频移,求解基于智能反射面IRS辅助的空时相关性函数,通过相关性分析来确定智能反射面IRS对无人机信道特性的影响。
2.根据权利要求1所述的基于智能反射面辅助的无人机几何模型建立方法,其特征在于,步骤S2中优化问题表示如下:其中,t表示时间变量,θmn(t)表示智能反射面IRS在t时刻的反射相位, 表示统计性均值运算,hpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间多径分量的复信道增益。
3.根据权利要求1所述的基于智能反射面辅助的无人机几何模型建立方法,其特征在于,步骤S3包括以下步骤:S31、考虑比较集中的接收信号功率,化简步骤S1的优化问题,简化公式如下:
其中,
其中, 表示统计均值运算,t表示时间变量, 和 表示辅
助变量,cos(·)表示余弦函数, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间直射分量的时变相位, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的多径分量经(m,n)‑th智能反射单元后的时变相位,N1表示散射体 的数目, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的多径分量经散射体 后的时变相位,表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的多径分量经(m’,n’)‑th智能反射单元后的时变相位,M表示智能反射面IRS行反射单元的数目,N表示智能反射面IRS列反射单元的数目,π表示圆周率,λ表示载波波长,ξpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的时变距离,fpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间直射分量的时变多普勒频移, 表示无人机UAV天线单元p和散射体 之间的时变距离, 表示散射体 和用户端天线单元q之间的时变距离, 表示经散射体 的散射分量的时变多普勒频移,ξpmn(t)表示无人机UAV天线单元p和(m,n)‑th智能反射单元之间的时变距离,ξmnq(t)表示(m,n)‑th智能反射单元和用户端天线单元q之间的时变距离,fpqmn(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间多径分量经(m,n)‑th智能反射单元后的时变多普勒频移,θmn(t)表示(m,n)‑th智能反射单元的时变反射相位,Gt表示发端天线增益,Gr表示收端天线增益, 表示无人机UAV到用户端的路径损耗,K表示莱斯因子, 表示无人机UAV到智能反射面IRS的路径损耗,δM表示行反射单元相邻的天线间距,δN表示列反射单元相邻的天线间距;
S32、假定辅助变量为 和 其中 并
假定智能反射面的时变反射相位为 优化问题进一步化简如下:
其中, 和 均表示辅助变量。
4.根据权利要求1所述的基于智能反射面辅助的无人机几何模型建立方法,其特征在于,步骤S4中得到的最优的智能反射面IRS反射相位θmn(t)由以下公式表示:其中,
其中,π表示圆周率,λ表示载波波长,t表示时间变量,ξpmn(t)表示无人机UAV天线单元p和(m,n)‑th智能反射单元之间的时变距离,ξmnq(t)表示(m,n)‑th智能反射单元和用户端天线单元q之间的时变距离,fpqmn(t)表示经(m,n)‑th智能反射单元反射分量的时变多普勒频移, 表示辅助变量,sgn(·)表示符号函数,arctan(·)表示反正切函数,χA表示辅助变量,χB表示辅助变量, 表示辅助变量,cos(·)表示余弦函数, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的时变相位,sin(·)表示正弦函数, 表示辅助变量,表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的多径分量经散射体 后的时变相位, 表示散射体 的方位角, 表示散射体 的仰角, 表示方位角概率密度函数, 表示仰角概率密度函数。
5.根据权利要求1所述的基于智能反射面辅助的无人机几何模型建立方法,其特征在于,步骤S5包括以下步骤:S51、求解无人机UAV天线单元p到用户端天线单元q的时变距离ξpq(t),计算公式如下:ξpq(t)=||dpq(t)|| (6);
其中
vR=vR[cosγR,sinγR,0];
其中,||·||表示范数运算,t表示时间变量,ξpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间时变距离,dpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的时变距离向量, 表示无人机UAV天线单元p的位置向量,NT表示无人机UAV天线单元数目,p表示无人机UAV天线单元位置索引,δT表示无人机UAV相邻天线单元间距,θT表示无人机UAV天线单元方向,sin(·)表示正弦函数,cos(·)表示余弦函数,tan(·)表示正切函数,ξTR表示无人机UAV和用户端的水平距离,θTR表示无人机UAV天线单元相对于用户端的方向,βTR表示无人机UAV天线单元相对于用户端的仰角, 表示用户端天线单元q的位置向量,NR表示用户端天线单元数目,q表示用户端天线单元位置索引,δR表示用户端相邻天线单元间距,θR表示用户端天线单元方向,vT表示无人机UAV速度向量,vR表示用户端速度向量,vT表示无人机UAV速度大小, 表示无人机UAV运动方向仰角,γT表示无人机UAV运动方向方位角,vR表示用户端速度大小,γR表示用户端运动方向方位角;
求解无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间直射分量的时变多普勒频移fpq(t),计算公式如下:其中,λ表示载波波长;
S52、求解无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q分别到散射体 的时变距离和 计算公式如下:其中,
其中, 表示无人机UAV天线单元p和散射体 之间的时变距离, 表示散射
体 和用户端天线单元q之间的时变距离, 表示无人机UAV天线单元p和散射体之间的时变距离向量, 表示散射体 和用户端天线单元q之间的时变距离向量,表示用户端到散射体 的水平距离, 表示散射体 的方位角, 表示散射体的仰角;
经散射体 散射分量的时变多普勒频移 计算公式如下:
其中,λ表示载波波长;
S53、求解无人机UAV天线单元p、用户端天线单元q分别和(m,n)‑th智能反射单元的时变距离ξpmn(t)和ξmnq(t),计算公式如下:ξpmn(t)=||dpmn(t)|| (11);
ξmnq(t)=||dmnq(t)|| (12);
其中,
其中,ξpmn(t)表示无人机UAV天线单元p和(m,n)‑th智能反射单元之间的时变距离,ξmnq(t)表示(m,n)‑th智能反射单元和用户端天线单元q之间的时变距离,dpmn(t)表示无人机UAV天线单元p和(m,n)‑th智能反射单元之间的时变距离向量,dmnq(t)表示(m,n)‑th智能反射单元反射和用户端天线单元q之间的时变距离向量, 表示(m,n)‑th智能反射单元的位置向量,M表示智能反射面的行反射单元数目,m表示智能反射单元的行位置索引,δM表示智能反射面IRS相邻的行反射单元间距,θIRS表示智能反射面IRS的排列方向,N表示智能反射面的列反射单元数目,n表示智能反射单元的列位置索引,δN表示智能反射面相邻的列反射单元间距,ξIRSR表示智能反射面和用户端的水平距离;
求解经(m,n)‑th智能反射单元反射分量的时变多普勒频移fpqmn(t),计算公式如下:S54、求解散射体 和用户端天线单元q的时变距离 计算公式如下:
其中,
其中, 表示散射体 和用户端天线单元q之间的时变距离, 表示经散射
体 和用户端天线单元q之间的时变距离向量, 表示用户端到散射体 的水平距离, 表示散射体 的方位角, 表示散射体 的仰角;
求解经智能反射面和散射体 散射分量的多普勒频移 计算公式如下:
6.根据权利要求1所述的基于智能反射面辅助的无人机几何模型建立方法,其特征在于,步骤S6包括以下步骤:S61、利用步骤S3和步骤S4中得到的时变参数,求解智能反射面IRS辅助的无人机几何信道空时相关性函数,计算公式如下:其中:
其中, 表示无人机UAV天线单元和用户端天线单元之间直射分量的空
时相关性, 表示无人机UAV天线单元和用户端天线单元之间散射分量的空
时相关性, 表示无人机UAV天线单元和用户端天线单元之间经智能反射面
IRS反射的直射分量的空时相关性, 表示无人机UAV天线单元和用户端天
线单元之间经智能反射面IRS和散射体 反射的散射分量的空时相关性,t表示时间变量,δT表示无人机UAV天线单元之间的天线间距,δR表示用户端天线单元之间的天线间距,τ表示传播时延,K表示莱斯因子,λ表示载波波长,π表示圆周率,ξpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间的时变距离,ξp′q′(t+τ)表示无人机UAV天线单元p′和用户端天线单元q′之间的时变距离,fpq(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间直射分量的时变多普勒频移,fp′q′(t+τ)表示无人机UAV天线单元p′和用户端天线单元q′之间直射分量直射链路的时变多普勒频移, 表示无人机UAV天线单元p和散射体 之间的时变距离, 表示散射体 和用户端天线单元q之间的时变距离, 表示无人机UAV天线单元p′和散射体 之间的时变距离, 表示散射体 和用户端天线单元q′之间的时变距离, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间散射分量的时变多普勒频移, 表示无人机UAV天线单元p′和用户端天线单元q′之间散射分量的时变多普勒频移, 表示散射体 的方位角, 表示散射体 的仰角, 表示散射体 方位角的概率密度函数, 表示散射体 的仰角的概率密度函数,
ξpmn(t)表示无人机UAV天线单元p和(m,n)‑th智能反射单元之间链路的时变距离,ξmnq(t)表示(m,n)‑th智能反射单元和用户端天线单元q之间链路的时变距离,ξp′mn(t+τ)表示无人机UAV天线单元p′和(m,n)‑th智能反射单元之间链路的时变传播距离,ξmnq′(t+τ)表示(m,n)‑th智能反射单元和用户端天线单元q′之间链路的时变传播距离,fpqmn(t)表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间多径分量经(m,n)‑th智能反射单元后的时变多普勒频移,fp′q′mn(t+τ)表示无人机UAV天线单元p′和用户端天线单元q′之间多径分量经(m,n)‑th智能反射单元后的时变多普勒频移,N表示智能反射面IRS的列反射单元数目,n表示智能反射单元的列位置索引,M表示智能反射面IRS的行反射单元数目,m表示智能反射单元的行位置索引, 表示散射体 和用户端天线单元q之间链路的时变传播距离, 表示散射体 和用户端天线单元q′之间链路的时变传播距离, 表示无人机UAV天线单元p和用户端天线单元q之间多径分量经智能反射面IRS和散射体 后的时变多普勒频移, 表示无人机UAV天线单元p′和用户端天线单元q′之间多径分量经智能反射面IRS和散射体 反射分量的时变多普勒频移, 表示散射体 的方位角, 表示散射体 的仰角, 表示散射体 方位角的概率密度函数, 表示散射体 的仰角的概率密度函数,exp(·)表示指数函数,κ表示散射环境因子,μ表示散射分量的平均到达角,I0表示零阶贝塞尔函数,|·|表示绝对值函数,βmax表示散射体的最大仰角;
S62、利用得到的空时相关性函数,确定智能反射面IRS、智能反射单元数目和智能反射单元尺寸对无人机UAV信道统计特性的影响。