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基于傳輸公平性的多無人機(jī)通感一體化空間部署與波束成形設(shè)計

時統(tǒng)志 李博 楊洪娟 張桐 王鋼

時統(tǒng)志, 李博, 楊洪娟, 張桐, 王鋼. 基于傳輸公平性的多無人機(jī)通感一體化空間部署與波束成形設(shè)計[J]. 電子與信息學(xué)報, 2025, 47(1): 57-65. doi: 10.11999/JEIT240590
引用本文: 時統(tǒng)志, 李博, 楊洪娟, 張桐, 王鋼. 基于傳輸公平性的多無人機(jī)通感一體化空間部署與波束成形設(shè)計[J]. 電子與信息學(xué)報, 2025, 47(1): 57-65. doi: 10.11999/JEIT240590
SHI Tongzhi, LI Bo, YANG Hongjuan, ZHANG Tong, WANG Gang. Spatial Deployment and Beamforming for Design Multi-Unmanned Aerial Vehicle-integrated Sensing and Communication Based on Transmission Fairness[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(1): 57-65. doi: 10.11999/JEIT240590
Citation: SHI Tongzhi, LI Bo, YANG Hongjuan, ZHANG Tong, WANG Gang. Spatial Deployment and Beamforming for Design Multi-Unmanned Aerial Vehicle-integrated Sensing and Communication Based on Transmission Fairness[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(1): 57-65. doi: 10.11999/JEIT240590

基于傳輸公平性的多無人機(jī)通感一體化空間部署與波束成形設(shè)計

doi: 10.11999/JEIT240590
基金項目: 國家自然科學(xué)基金(62171154, 62171163),中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(HIT.OCEF.2023030)
詳細(xì)信息
    作者簡介:

    時統(tǒng)志:男,博士生,研究方向為通信感知一體化、無人機(jī)通信

    李博:男,副教授/博導(dǎo),博士,研究方向為無線通信、空天地網(wǎng)絡(luò)、海洋信息傳感網(wǎng)、飛行自組織網(wǎng)絡(luò)等

    楊洪娟:女,副教授/碩導(dǎo),博士,研究方向為無線通信、協(xié)作網(wǎng)絡(luò)編碼、水聲通信等

    張桐:女,博士生,研究方向為無人機(jī)輔助通信系統(tǒng)、智能反射面

    王鋼:男,教授/博導(dǎo),博士,研究方向為數(shù)據(jù)通信、物理層網(wǎng)絡(luò)編碼、通信網(wǎng)理論與技術(shù)等

    通訊作者:

    楊洪娟 hjyang@hit.edu.cn

  • 中圖分類號: TN911

Spatial Deployment and Beamforming for Design Multi-Unmanned Aerial Vehicle-integrated Sensing and Communication Based on Transmission Fairness

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62171154, 62171163), The Fundamental Research Funds for the Central Universities (HIT.OCEF.2023030)
  • 摘要: 針對農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)通信不暢的臨時突發(fā)性問題,該文提出一種自適應(yīng)的多無人機(jī)(UAV)輔助通感一體化(ISAC)機(jī)制,在地面用戶和感測目標(biāo)呈簇狀隨機(jī)分布的情況下,通過合理調(diào)度多無人機(jī)實現(xiàn)覆蓋式通信保障,為無人機(jī)使能的通感一體系統(tǒng)提供了一種新的解決思路和方案。該文主要研究了無人機(jī)空間部署及其對地面設(shè)備的波束成形等問題,在空地關(guān)聯(lián)約束條件下,系統(tǒng)可通過優(yōu)化無人機(jī)的通信和感知波束成形變量組,最大限度地提高用戶傳輸可達(dá)速率的下限,同時保證基本的通感需求。為了有效解決所考慮的非凸優(yōu)化問題,該文借助基于高斯核的均值漂移算法(MS),用以處理關(guān)聯(lián)策略中的混合整型線性問題,此外,結(jié)合2次變換與連續(xù)凸逼近(SCA)的相關(guān)技巧,采用塊坐標(biāo)下降(BCD)的方式優(yōu)化波束成形,以獲取次優(yōu)解。數(shù)值結(jié)果驗證了自適應(yīng)機(jī)制的有效性。
  • 圖  1  多無人機(jī)輔助通感一體化系統(tǒng)模型

    圖  2  部分關(guān)鍵參數(shù)對區(qū)域傳輸速率的影響

    圖  3  部分關(guān)鍵參數(shù)對區(qū)域傳輸速率的影響

    圖  4  不同目標(biāo)方案下的系統(tǒng)輸出速率對比

    圖  5  不同算法下系統(tǒng)可達(dá)速率對比

    1  空地關(guān)聯(lián)與空中基站二維笛卡爾坐標(biāo)部署的解決策略

     步驟1 初始化地面用戶(目標(biāo))集合,設(shè)定初始迭代次數(shù)為${l_1} = 1$,任選一用戶或目標(biāo)點作為中心點,位置為$ {\boldsymbol{q}}_i^1,i \in \{ 1,2,\cdots,K + J\} $;
     步驟2 計算均值漂移向量${\boldsymbol{M}}\left( {{\boldsymbol{q}}_i^{{l_1}}} \right)$,其中半徑$r$設(shè)為${d_{{\text{min}}}}$,注意:同一水平面無人機(jī)滿足防撞約束,則3維環(huán)境下同樣適用;
     步驟3 移動密度估計窗口${\boldsymbol{q}}_i^{{l_1} + 1} = {\boldsymbol{q}}_i^{{l_1}} + {\boldsymbol{M}}\left( {{\boldsymbol{q}}_i^{{l_1}}} \right)$;
     步驟4 迭代更新${l_1} = {l_1} + 1$;
     步驟5 當(dāng)均值漂移向量的模值小于閾值$ \varepsilon _{{\mathrm{th}}}^{\boldsymbol{q}} $或移動窗口內(nèi)用戶(目標(biāo))數(shù)不再增加時,迭代停止,否則重復(fù)步驟2~4;
     步驟6 重新選定未被覆蓋的隨機(jī)點作為中心點,繼續(xù)執(zhí)行步驟2~5,直至所有用戶(目標(biāo))點都被分配到對應(yīng)聚類中心;
     步驟7 構(gòu)建Voronoi圖和相應(yīng)的凸包區(qū)域;
     步驟8 計算凸包區(qū)域范圍內(nèi)的所有用戶(目標(biāo))的位置均值;
     步驟9 輸出所有聚類中心坐標(biāo)和對應(yīng)坐標(biāo)下的聚類用戶(目標(biāo))。
    下載: 導(dǎo)出CSV

    2  無人機(jī)通信波束成形子算法

     步驟1 初始化通信波束成形${\boldsymbol{W}}_{b,k}^{\left( 0 \right)}$,設(shè)定初始迭代次數(shù)為
         ${l_2} = 1$, $b = 1$;
     步驟2 給定${\boldsymbol{W}}_{b,k}^{\left( {{l_2} - 1} \right)}$,利用式 (18) 更新輔助變量$\delta _{b,k}^{\left( {{l_2}} \right)}$;
     步驟3 給定${\boldsymbol{W}}_{b,k}^{\left( {{l_2} - 1} \right)}$和$\delta _{b,k}^{\left( {{l_2}} \right)}$,求解問題P3.1.1,獲得${\boldsymbol{W}}_{b,k}^{\left( {{l_2}} \right)}$,
        迭代更新${l_2} = {l_2} + 1$;
     步驟4 當(dāng)信息傳輸速率增量小于閾值$\varepsilon _{{\text{th}}}^{\boldsymbol{V}}$時,迭代停止,否則重
        復(fù)步驟2~3;
     步驟5 無人機(jī)選擇切換$b = b + 1$,繼續(xù)執(zhí)行步驟2~4,直至所
        有無人機(jī)的通信波束成形均已優(yōu)化;
     步驟6 輸出所有無人機(jī)通信波束成形矩陣${{\boldsymbol{W}}_{b,k}}$。
    下載: 導(dǎo)出CSV

    3  無人機(jī)感知波束成形子算法

     步驟1 初始化感知波束成形${\boldsymbol{V}}_{b,j}^{\left( 0 \right)}$,設(shè)定初始迭代次數(shù)為
        ${l_3} = 1$, $b = 1$;
     步驟2 給定${\boldsymbol{V}}_{b,j}^{\left( {{l_3} - 1} \right)}$,求解凸優(yōu)化問題P3.2.1,獲取${\boldsymbol{V}}_{b,j}^*$,令    ${\boldsymbol{V}}_{b,j}^{\left( {{l_3}} \right)} = {\boldsymbol{V}}_{b,j}^*$,迭代更新${l_3} = {l_3} + 1$;
     步驟3 當(dāng)信息傳輸速率增量小于閾值$\varepsilon _{{\text{th}}}^{\boldsymbol{V}}$時,迭代停止,否則重    復(fù)步驟2;
     步驟4 無人機(jī)選擇切換$b = b + 1$,繼續(xù)執(zhí)行步驟2~3,直至所    有無人機(jī)的感知波束成形均已優(yōu)化;
     步驟5 輸出所有無人機(jī)感知波束成形矩陣$ {{\boldsymbol{V}}_{b,j}} $。
    下載: 導(dǎo)出CSV

    4  無人機(jī)波束成形總體算法

     步驟1 初始化通信和感知波束成形${\boldsymbol{W}}_{b,k}^{\left( 0 \right)}$, ${\boldsymbol{V}}_{b,j}^{\left( 0 \right)}$,設(shè)定初始迭
        代次數(shù)為${l_4} = 1$, $b = 1$;
     步驟2 給定${\boldsymbol{W}}_{b,k}^{\left( {{l_4} - 1} \right)}$,${\boldsymbol{V}}_{b,j}^{\left( {{l_4} - 1} \right)}$,通過算法2求解通信波束成形子
        問題,獲得${\boldsymbol{W}}_{b,k}^{\left( {{l_4}} \right)}$;
     步驟3 給定${\boldsymbol{W}}_{b,k}^{\left( {{l_4}} \right)}$,${\boldsymbol{V}}_{b,j}^{\left( {{l_4} - 1} \right)}$,通過算法3求解感知波束成形子
        問題,獲得${\boldsymbol{V}}_{b,j}^{\left( {{l_4}} \right)}$;
     步驟4 迭代更新${l_4} = {l_4} + 1$,當(dāng)信息傳輸速率增量小于閾值
        $\varepsilon _{{\mathrm{th}}}^{{\mathrm{all}}}$時,迭代停止,否則重復(fù)步驟2~3;
     步驟5 無人機(jī)選擇切換$b = b + 1$,繼續(xù)執(zhí)行步驟2~4,直至所
        有無人機(jī)的波束成形均已優(yōu)化;
     步驟6 輸出所有無人機(jī)波束成形矩陣${{\boldsymbol{W}}_{b,k}}$, $ {{\boldsymbol{V}}_{b,j}} $。
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  1  主要仿真參數(shù)

    參數(shù)名稱 數(shù)值
    單位距離的信道功率增益${\beta _0}$ –60 dB
    噪聲功率${\sigma ^2}$ –110 dBm
    無人機(jī)防撞距離${d_{{\text{min}}}}$ 0.3 km
    單無人機(jī)發(fā)射功率上限${P_{{\text{max}}}}$ 0.5 W
    波束圖增益下限${\varGamma _{{\text{th}}}}$ –17 dBm
    迭代收斂閾值$ \varepsilon _{{\text{th}}}^{\boldsymbol{q}},\varepsilon _{{\text{th}}}^{\boldsymbol{W}},\varepsilon _{{\text{th}}}^{\boldsymbol{V}},\varepsilon _{{\text{th}}}^{{\text{all}}} $ 1 × 10–4
    下載: 導(dǎo)出CSV
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  • 加載中
圖(5) / 表(5)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2024-07-11
  • 修回日期:  2024-09-13
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2024-09-19
  • 刊出日期:  2025-01-31

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