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毫米波无人机通信网络中的节能优化设计

已有 1026 次阅读 2020-8-25 16:21 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

无人机通信由于其灵活性高、可操纵和成本逐渐降低,在无线通信领域发挥着愈来愈重要的作用;非正交多址(NOMA)和毫米波技术是满足5G爆炸式数据流量需求的两种关键技术。因此,最近一项研究将NOMA和毫米波同时应用于无人机对地通信网络在满足用户服务质量需求的同时提高网络可容纳用户数。

研究相关的论文题为:“Energy-Efficient Design for mmWave-Enabled NOMA -UAV Networks”,由大连理工大学赵楠教授担任通讯作者与其团队撰写。研究者旨在通过联合优化无人机位置、混合预编码向量以及功率分配从而最大化毫米波无人机通信网络的能量效率。

由于通信设备部署密集化以及物联网的蓬勃发展,无人机可以利用的频谱资源十分有限。在此背景下,采用NOMA可以实现频谱共享提高频带利用率;另一方面,毫米波技术提供了大量尚未利用的频带资源,可以缓解目前频段拥挤的情况。尽管存在许多针对无人机毫米波通信网络进行性能分析以及优化设计的研究,考虑无人机能量有限的节能设计也十分丰富,但是鲜有针对同时利用NOMA和毫米波波束成形技术的无人机网络的节能优化设计。

该项研究的毫米波无人机通信网络模型图如图1所示,多天线无人机向大量单天线地面用户发送所需信息。在毫米波网络中,相同时频资源下可支持的用户数量通常不能大于射频链的数目。为了突破这一限制,该网络将用户根据信道相关性分成多组,并在每组内采用NOMA同时为用户提供服务。另外,在传统多天线系统中,每个天线都需要对应一个专门的射频链来实现全数字信号处理,这在毫米波系统中会导致硬件成本难以承受。因此,为了降低硬件成本和能耗,同时也保障网络性能,采用了混合预编码结构。由于所建模的能源效率最大化问题十分复杂、难以求解,将其分为若干个子优化问题。首先,对无人机位置进行优化部署,以增强用户的信道质量。然后,提出了三种不同的基于用户聚类的混合预编码方案,以更好地获得多天线增益。最后,通过用户间的功率分配来实现能源效率最大化。 

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毫米波无人机非正交多址通信网络模型图

特别地,该网络中考虑了三种混合预编码方案,进行用户聚类、模拟预编码以及数字预编码设计,以用户通信性能和抑制用户间干扰。这几种方案在用户公平性、频谱效率和能量效率方面的性能不同,仿真结果也进一步证明了这一点。通过与其他无无人机位置优化和无能效要求方案进行仿真比较,验证了所提方案的有效性。此外,数值结果还揭示了无人机最大发射功率和射频链数量对能量效率的影响。

该项研究得到了国家自然科学基金项目(No. 61871065 and 61971194)资助。


更多详情请阅原文: 

PANG XiaoWei, TANG Jie , ZHAO Nan, ZHANG XiuYin&QIAN Yi, Energy-efficient design for mmWave-enabled NOMA-UAV networks, Science China Information Sciences 

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11432-020-2985-8




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