无人机辅助的非正交多址反向散射通信系统max-min速率优化算法.pdf
《无人机辅助的非正交多址反向散射通信系统max-min速率优化算法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《无人机辅助的非正交多址反向散射通信系统max-min速率优化算法.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、无人机(UAV)、非正交多址(NOMA)和反向散射通信(BC)相结合,可以满足热点地区高容量需求,提高通信质量。该文提出一种无人机辅助的NOMA反向散射通信系统最小速率最大化资源分配算法。考虑无人机发射功率、能量收集、反射系数、传输速率以及连续干扰消除(SIC)解码顺序约束,建立基于系统最小速率最大化的资源分配模型。首先利用块坐标下降将原问题分解为无人机发射功率优化、反射系数优化和无人机位置与SIC解码顺序联合优化3个子问题,然后使用反证法给出无人机最优发射功率,再用变量替换法和连续凸逼近将剩余子问题进一步转化为凸优化问题进行求解。仿真结果表明,所提算法在系统和速率与用户公平性之间具有较好折中
2、。关键词:反向散射通信;无人机;非正交多址;资源分配中图分类号:TN929.5文献标识码:A文章编号:1009-5896(2023)07-2358-08DOI:10.11999/JEIT221210Max-min Rate Optimization Algorithm for Non-OrthogonalMultiple Access Backscatter Communication SystemAssisted by Unmanned Aerial VehiclesWANGZhengqiangHUYangFANZifuWANXiaoyuXUYongjunDUObin(School of C
3、ommunication and Information Engineering,Chongqing University of Posts andTelecommunications,Chongqing 400065,China)(College of Computer Science and Cyber Security,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)Abstract:ThecombinationofUnmannedAerialVehicle(UAV),Non-OrthogonalMultipleAccess(N
4、OMA),andBackscatterCommunication(BC)canmeetthehighcapacitydemandandimprovethecommunicationqualityinhotspots.Amax-minrateoptimizationalgorithmisproposedforUAV-assistedNOMA-basedbackscattercommunicationsystems.Specifically,aresourceallocationmodelisdevelopedtomaximizesystemsminimumrateundertheUAVtrans
5、mitpower,energyharvesting,reflectioncoefficient,transmissionrate,andSuccessiveInterferenceCancellation(SIC)decodingorderconstraints.Theoriginalproblemisdividedintothreesubproblems:UAVtransmitpoweroptimization,reflectioncoefficientoptimization,andjointoptimizationofUAVpositionandSICdecodingorderoptim
6、ization,whicharehandledbyblockcoordinateddecentmethod.Then,theUAVsoptimaltransmitpoweroptimizationsubproblemissolvedbycontradiction.Furthermore,theremainingsubproblemsaresolvedbyconvexoptimizationwithvariablesubstitutionandsuccessiveconvexapproximationmethods.Finally,thesimulationresultsshowthatthep
7、roposedalgorithmhasobtainedagoodtradeoffbetweenthesystemssumrateandusersfairness.Key words:BackscatterCommunication(BC);UnmannedAerialVehicle(UAV);Non-OrthogonalMultipleAccess(NOMA);Resourceallocation收稿日期:2022-09-16;改回日期:2023-02-09;网络出版:2023-02-11*通信作者:王正强基金项目:国家自然科学基金(61701064,62271094),四川省区域创新合作项目
8、(2022YFQ0017),重庆市教委科学技术研究项目(KJZD-K202200501),重庆市博士后研究项目(2021XM3082),中国博士后科学基金(2022MD723725)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61701064,62271094),TheSichuanRegionalInnovationCoopera-tionProject(2022YFQ0017),TheScientificandTechnologicalResearchProgramofChongqingMunicipalEducat
9、ionCommission(KJZD-K202200501),ChongqingPostdoctoralResearchProject(2021XM3082),ChinaPostdoctoralScienceFoundation(2022MD723725)第45卷第7期电子与信息学报Vol.45No.72023年7月JournalofElectronics&InformationTechnologyJul.20231 引言5 1010近年来,基于物联网在智能家居、智能城市等广泛应用前景,连接到网络的无线设备数量呈爆炸性增长,预计到2025年将有台设备接入网络1。由于电池容量的限制,无线
10、设备的能量有限,传统更换电池的方式会给大规模无线设备的维护带来极高的制造成本和环境压力。在此背景下,研究人员提出了反向散射通信技术2(BackscatterCommunication,BC)。在BC中,反向散射器(BackscatterDevice,BD)是一种无源器件,它可以反射入射的射频(RadioFrequency,RF)信号来传输信息,而不使用复杂和耗电的有源射频元件,还可以从入射的RF信号中获取能量进行工作,从而大大降低电路的功耗3。另外,在无线通信中,无人机辅助通信由于易于部署、移动性强以及与地面用户具有良好的视距(LineofSight,LoS)吸引了许多研究人员4。同时,非正交
11、多址(Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA)技术在基站处复用多个用户传输信号进行传输,接收端使用连续干扰消除(SuccessiveInter-ferenceCancellation,SIC)技术对信息进行解码,可同时服务大量用户5。为提高通信质量,研究人员对BC,NOMA和无人机做了大量研究。目前,对BC的研究已取得了许多成果。文献6研究了多载波无线供电BC系统的总速率最大化问题,通过联合优化功率分配、时间分配、反射系数、能量分配系数来最大化信息传输阶段的反向散射数据速率和传输速率的总和速率。文献7提出在不完美SIC的情况下对NOMA辅助的BC系统进行资源分配,通
12、过联合优化基站的发射功率和BD的反射系数,提高系统的总速率。文献8研究了考虑用户服务质量的基于NOMA的BC系统的资源分配,提出了一种基于丁克巴赫(Dinkelbach)和2次变换方法的迭代算法,通过联合优化基站的发射功率和反射系数,最大化用户的能效。文献9研究了一个地面上的多个BD由其相关的地面载波发射器激活,并以时分多址的方式向无人机传输信息的BC系统。通过联合优化BD调度、反射系数、载波发射器的发射功率和无人机轨迹来最大化能效,并提出了一种基于块坐标下降(BlockCoordinatedDecent,BCD)和连续凸逼近(SuccessiveConvexApproximation,SCA
13、)方法的迭代算法来解决问题。文献10研究了全双工无人机辅助的BC系统,上行链路采用NOMA协议,通过优化无人机的高度最大限度地增加上行链路中成功解码的比特数,同时最小化无人机的飞行时间。文献68研究均考虑地面固定基站且只有单个BD的情况,没有考虑无人机作为基站和多个BD的情况。文献9考虑了无人机辅助的BC系统能效优化问题,但用户间公平性没有考虑。文献10研究了全双工无人机辅助的BC系统的成功解码的比特数最大化问题,没有考虑对SIC解码顺序优化和BD之间速率公平性问题。在无人机作为基站情况下,基于NOMA的BC系统的解码顺序将依赖无人机的位置,因此需要联合考虑优化无人机位置以提高系统性能。为了解
14、决上述问题,本文针对无人机辅助的NOMA反向散射系统,研究系统最小速率最大化问题,主要贡献如下:(1)建立了无人机辅助的NOMA反向散射通信系统模型。在无人机发射功率、能量收集、反射系数、传输速率以及SIC解码顺序约束下,提出了多变量耦合的非凸最小速率最大化资源分配问题。(2)为求解上述非凸问题,利用BCD方法将原问题分解为无人机发射功率优化、反射系数优化和无人机位置与SIC解码顺序联合优化3个子问题;然后使用反证法求解无人机发射功率优化子问题,再用变量替换法和SCA将剩余子问题进一步转化为凸优化问题;最后,通过凸优化求解工具CVX11求解剩余子问题并迭代更新得到原问题的解。(3)仿真结果表明
15、,与现有算法比较,所提算法具有较好的最小速率。2 系统模型n N=1,2,.,NHq=xu,yuTwn=xn,ynTnhn=0/d2ndn=H2+q wn20如图1所示,本文考虑由1个全双工无人机、N个BD组成的BC系统。其中无人机配备双天线,BD配备单天线,BD集合定义为。无人机飞行高度为,无人机的水平位置为,第n个BD的位置为。本文假设无人机完全了解信道状态信息,并考虑BD和无人机之间的链路以LoS链路为主,基于自由空间路径损耗模型9,无人机到第 个BD的信道功率增益为,其中是BD和无人机之间的距离,为参考距离1m处的信道功率增益。xE|x|2=1nhnPuxPrBDn=PuhnPu(1
16、rn)hnPuxEn=n(1 rn)Puhnn 0,1nrn 0,1n假设无人机发送的RF信号为 满足,则第 个BD从无人机接收的信号为,BD的接收功率为,其中是无人机的发射功率。BD将接收到的信号分为两部分,一部分反射到无人机,另一部分用于自身的供能。用于自身供能部分信号为,BD采集的能量为,其 中是 第个BD的能量效率转换系数,为第 个BD的第7期王正强等:无人机辅助的非正交多址反向散射通信系统max-min速率优化算法2359PtBDn=rnPrBDnxn=rnPuhnanannE|an|2=1y=Nn=1PtBDnhnan+n0+xuun0CN(0,2)2xuu反射系数。BD的反射功率
17、为且反射到无人机的信号表示为,其中为第 个BD的符号信号满足。由NOMA原理12,无人机收到来自BD的信号为,其中是加性高斯白噪声,是噪声方差,为无人机的自干扰。nm 0,1,n,m Nnm=1mnnmnm=0nm无人机使用SIC对来自不同BD的消息进行解码,本文假设来自信道增益较差的BD的消息被视为对信道增益较强的BD的干扰,在解码来自信道增益较差BD的消息时,从接收到的消息中减去来自信道增益较强BD的消息13。具体地,本文引入变量来表示SIC解码顺序,其中表示第个BD比第 个BD到无人机的信道增益小,在无人机解码第 个BD的消息时,第个BD的消息被视为干扰;否则。因此,的定义如式(1)nm
18、=0,dn dm1,dn dm0 或 1,dn=dm(1)式(1)可以等价写为式(2)nm 0,1,n=m,(2a)nn=0,n,(2b)nm+mn=1,n=m,(2c)nm(H2+q wn2)H2+q wm2,n=m(2d)nRn=log21+Purnhn2Nm=1,m=nnmPurmhm2+2,n假设无人机接收来自BD的信号时可以通过自干扰消除技术完全消除自身发射信号的干扰,且可用带宽是归一化的,因此第 个BD到无人机的速率可以表示为。考虑在无人机发射功率、反射系数、能量采集、传输速率以及SIC解码顺序约束下,建立最小速率最大化资源分配问题为maxPu,q,R,Amin1nNlog21+P
19、urnhn2Nm=1,m=nnmPurmhm2+2,s.t.C1:0 Pu Pmax,C2:0 rn 1,n,C3:Pc n(1 rn)Puhn,n,C4:log21+Purnhn2Nm=1,m=nnmPurmhm2+2 Rmin,n式(2a)式(2d)(3)R=rn,nA=nm,n,mPcRmin其中,为反射系数,为SIC解码顺序,是BD维持自身电路工作需要消耗的功率,为最小速率门限。问题式(4)是多变量耦合的非凸问题,不能直接采用凸优化求解。3 资源分配算法首先利用BCD方法将问题式(4)分解为无人机发射功率优化、反射系数优化和无人机位置与SIC解码顺序联合优化3个子问题。Pu3.1 求解
20、最优无人机发射功率qRA固定无人机位置、反射系数和SIC解码顺序,可得优化问题maxPumin1nNlog21+Purnhn2Nm=1,m=nnmPurmhm2+2,s.t.C1,C3,C4(4)对于问题式(4),通过反证法证明无人机的最优发射功率为最大发射功率,即定理1。PuPu=Pmax定理1假设为优化问题式(4)的最优解,则。PuPuPmaxL=Pmax=Pmax/PuPu 1LC3C4证明假设为问题式(4)的最优解且成立。接下来,构造一个新的可行解,令,因为,得到。接下来,分别证明 也满足和约束。PuC3Pc n(1 rn)Puhn=Pmax/PuPu对于满足约束有,通过将替代得到图1
21、系统模型2360电子与信息学报第45卷Pc Pc n(1 rn)Lhn(5)PuC4log21+Purnhn2Nm=1,m=nnmPurmhm2+2 RminPu对于满足约束有,类似地,将替代得到log21+Lrnhn2Nm=1,m=nnmLrmhm2+2 log21+Lrnhn2Nm=1,m=nnmLrmhm2+2 Rmin(6)LC3C4LPuL由式(5)和式(6)可看出满足和约束且得到系统最小速率大于。这表明 是优化问题式(4)的最优解,与假设相互矛盾,因此定理1成立。R3.2 求解最优反射系数qAt固定无人机位置 和SIC解码顺序,引入辅助变量 并根据定理1,可得优化问题maxR,tt
22、,s.t.C2,C3,C4:log21+Pmaxrnhn2Nm=1,m=nnmPmaxrmhm2+2t,nC5:t Rmin(7)rn=exnC4etln21=ek使用变量替换令,对于,再令可写为k+lnNm=1,m=nnmPmaxexmhm2+2Pmaxexnhn2 0,n(8)lnNm=1,m=nnmPmaxexmhm2+2Pmaxexnhn2其中,是一个log-sum-exp函数所以是凸函数,因此式(8)是凸函数的下水平集为凸集。因此问题式(7)可以等价为maxx,kk,s.t.C1:exn 1,n,C2:exn 1 PcnPmaxhn,nC3:k+lnNm=1,m=nnmPmaxexm
23、hm2+2Pmaxexnhn20,nC4:k ln(2Rmin 1)(9)问题式(9)是凸问题,因此可以使用凸优化内点算法,通过CVX工具箱求解最优解。qA3.3 求解最优无人机位置和SIC解码顺序对于约束式(2a),这是一个非凸约束,它等价于式(10)0 nm 1,n,m(10a)nm 2nm 0,n,m(10b)式(10a)是凸的,式(10b)仍然是非凸的。若对式(10b)使用SCA,由于式(10a)和式(10b)的联合存在,会产生一些不可行的迭代问题14,15,因此在目标函数中引入惩罚函数来松弛约束式(10b)并得到约束式(11)nm 2nm nm(11)PuRs代入3.1节和3.2节求
24、得的无人机发射功率和反射系数,并引入辅助变量 可得优化问题maxY,q,A,ss Nn=1Nm=1nms.t.C1:log21+Pmaxrnhn2Nm=1,m=nnmPmaxrmhm2+2 s,nC2:s RminC3:H2+q wn2n(1 rn)Pmax0Pc,n式(2b)式(2d),式(10a),式(11)nm 0,n,m(12)Y=nm 0,n,m 0nm=0,n,m nm其中,是扩展约束式(10b)可行域的松弛变量集,是惩罚参数。问题式(12)在收敛时有14,所以它和原问题是等价的,对约束式(11)在1阶泰勒展开有凸约束 2nm+2 nm(nm nm)+nm nm,n,m(13)此时
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 无人机 辅助 正交 反向 散射 通信 系统 max min 速率 优化 算法
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。