1.基于智能反射面辅助无人机认知网络的资源分配和轨迹优化方法,所述网络包括一个具有L个天线的认知基站,一个次要无人机用户和K个地面主要用户,其中地面主要用户集合表示为 ;其特征在于:所述方法包括如下步骤:步骤1:对认知基站到次要无人机用户、认知基站到第k个地面主要用户、智能反射面到次要无人机用户、智能反射面到第k个地面主要用户之间的信道进行建模,构成空对地通信模型,求解信道增益;
步骤2:通过步骤1中信道增益,得到在第n个时隙时次要无人机用户的信噪比表达式,以及认知基站在第K个地面主要用户处造成的干扰表达式;
步骤3:根据步骤2中次要无人机用户的信噪比表达式,得出次要无人机用户在N个时隙内通信系统的平均可达速率表达式;
步骤4:在满足地面主要用户的干扰温度、智能反射面的反射系数、无人机机动性和认知基站功率限制的约束下,联合优化认知基站的波束成形矢量、无人机的飞行轨迹和智能反射面的相移矩阵,建立次要无人机用户平均可达速率最大化问题框架;
步骤5:采取基于交替优化方法解决步骤4中建立的优化问题,优化基站的发送波束成形、智能反射面的反射相移以及无人机的飞行轨迹;
步骤1中,智能反射面和K个地面主要用户分布以及无人机次要用户状态进行如下定义:所有通信节点都放置在三维笛卡尔坐标系中,部署了一个具有M个反射单元的智能反射面,将其放置在建筑物表面上;地面认知基站坐标为 ,第k个地面主要用户坐标为 ;T分成N个时隙,每个时隙长度为 ,次要无人机用户在第 𝑛 个时隙的水平坐标为 ;设采用具有M个反射单元的 RIS 作为均匀线性阵列,在第n个时隙,智能反射面的相位偏移矩阵表示为对角矩阵为:其中, ;
认知基站到次要无人机用户建模为瑞利信道模型,信道增益为:其中,C0表示参考距离d0= 1 m 处的信道增益,α为路径损耗指数; 为第n个时隙中认知基站到次要无人机用户之间的距离; 是零均值和单位方差复高斯随机变量;
认知基站到第k个地面主要用户的信道增益为:其中, 是路径损耗系数, 为认知基站和第k个地面主要用户之间的距离; 是零均值和单位方差复高斯随机变量;
智能反射面和次要无人机用户之间的信道增益为:其中, 为第 𝑛 个时隙中次要无人机用户和智能反射面的距离, 分别表示天线间距和载波波长, 表示每个时隙中 RIS 到达角的余弦值;zu是次要无人机用户的高度,wr是智能反射面的水平位置;
RIS 到第k个地面主要用户信道增益表示为:认知基站到 RIS 的信道增益表示为:其中, 为路径损耗指数, 为莱斯因子; 为 RIS 到第k个地面主要用户之间的距离, 为认知基站到 RIS 之间的距离;
, 表示 RIS
到第k个地面主要用户的偏离角的余弦值, 表示认知基站到RIS的到达角的余弦值;
均为均值为零和单位方差的独立复高斯分布。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤2中,在第n个时隙时次要无人机用户的信噪比计算公式如下:其中,f[n]是认知基站在第n个时隙时的发射波束成形矢量, 是在次要无人机用户处加性高斯噪声的功率;
认知基站在第k个地面主要用户处造成的干扰表示为:。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于:步骤3中,次要无人机用户在N个时隙内通信系统的平均可达速率表达式为:。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于:步骤4中,联合优化次要无人机用户的飞行轨迹 ,智能反射面的相移矩阵 和认知基站的波束成形矢量 ,建立次要无人机用户平均可达速率最大化问题P0为:其中,Vmax是无人机的最大飞行速度,q0和qf分别为无人机起始点和终点;Pmax为认知基站的发射功率最大功率限制; 是地面主要用户的干扰阈值即受到干扰的最大限度。
5.如权利要求1‑4任一项所述的方法,其特征在于:步骤5具体如下:固定智能反射面的反射相移和无人机飞行轨迹,优化基站的发送波束成形;固定基站的发送波束成形和无人机飞行轨迹,优化智能反射面的反射相移;固定智能反射面的反射相移和基站的发送波束成形,优化无人机的飞行轨迹。
6.如权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤5采取基于交替优化方法解决建立的优化问题,具体包括以下步骤:步骤5‑1:次要无人机用户的飞行轨迹Q和智能反射面的相移矩阵 视为常量,对认知基站的波束成形矢量f进行优化,因此优化问题P0重新表述为如下形式:步骤5‑2:定义如下矩阵:
从而优化问题P1重写为:
步骤5‑3:利用半正定松弛技术,对秩一约束进行松弛,问题变为:优化问题P3是凸的;
步骤5‑4:固定次要无人机用户的飞行轨迹Q和认知基站的波束赋形f,对 RIS 的相移矩阵 进行优化,则优化问题表示如下:步骤5‑5:引入 , ,并且定义:
P4目标函数中的Rs[n]写为:
P4中C2的不等式左边重新表述为:
引入 写为:
同时利用半正定松弛后,优化问题重新表述为:步骤5‑6:固定智能反射面的相移矩阵 和认知基站的波束赋形f,对次要无人机用户的飞行轨迹Q进行优化,优化问题重新表述为:将非凹目标函数中𝑅 𝑠[𝑛 ]改写为:其中 ;
引入辅助变量 ,P5的目标函数改写为:问题P5重新表示为:
步骤5‑7:在给定点 进行一阶泰勒展开,得到其下界,即
其中
对 进行一阶泰勒展开,得到如下不等式:优化问题P7转化为凸问题,重新表述为:。