無人機(jī)通信由于其靈活性高、可操縱和成本逐漸降低，在無線通信領(lǐng)域發(fā)揮著愈來愈重要的作用；非正交多址(NOMA)和毫米波技術(shù)是滿足5G爆炸式數(shù)據(jù)流量需求的兩種關(guān)鍵技術(shù)。因此，最近一項(xiàng)研究將NOMA和毫米波同時應(yīng)用于無人機(jī)對地通信網(wǎng)絡(luò)在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量需求的同時提高網(wǎng)絡(luò)可容納用戶數(shù)。

研究相關(guān)的論文題為：“Energy-Efficient Design for mmWave-Enabled NOMA -UAV Networks”，由大連理工大學(xué)趙楠教授擔(dān)任通訊作者與其團(tuán)隊(duì)撰寫。研究者旨在通過聯(lián)合優(yōu)化無人機(jī)位置、混合預(yù)編碼向量以及功率分配從而最大化毫米波無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的能量效率。

由于通信設(shè)備部署密集化以及物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，無人機(jī)可以利用的頻譜資源十分有限。在此背景下，采用NOMA可以實(shí)現(xiàn)頻譜共享提高頻帶利用率；另一方面，毫米波技術(shù)提供了大量尚未利用的頻帶資源，可以緩解目前頻段擁擠的情況。盡管存在許多針對無人機(jī)毫米波通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，考慮無人機(jī)能量有限的節(jié)能設(shè)計(jì)也十分豐富，但是鮮有針對同時利用NOMA和毫米波波束成形技術(shù)的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)研究的毫米波無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)模型圖如圖1所示，多天線無人機(jī)向大量單天線地面用戶發(fā)送所需信息。在毫米波網(wǎng)絡(luò)中，相同時頻資源下可支持的用戶數(shù)量通常不能大于射頻鏈的數(shù)目。為了突破這一限制，該網(wǎng)絡(luò)將用戶根據(jù)信道相關(guān)性分成多組，并在每組內(nèi)采用NOMA同時為用戶提供服務(wù)。另外，在傳統(tǒng)多天線系統(tǒng)中，每個天線都需要對應(yīng)一個專門的射頻鏈來實(shí)現(xiàn)全數(shù)字信號處理，這在毫米波系統(tǒng)中會導(dǎo)致硬件成本難以承受。因此，為了降低硬件成本和能耗，同時也保障網(wǎng)絡(luò)性能，采用了混合預(yù)編碼結(jié)構(gòu)。由于所建模的能源效率最大化問題十分復(fù)雜、難以求解，將其分為若干個子優(yōu)化問題。首先，對無人機(jī)位置進(jìn)行優(yōu)化部署，以增強(qiáng)用戶的信道質(zhì)量。然后，提出了三種不同的基于用戶聚類的混合預(yù)編碼方案，以更好地獲得多天線增益。最后，通過用戶間的功率分配來實(shí)現(xiàn)能源效率最大化。 
 

毫米波無人機(jī)非正交多址通信網(wǎng)絡(luò)模型圖
 

特別地，該網(wǎng)絡(luò)中考慮了三種混合預(yù)編碼方案，進(jìn)行用戶聚類、模擬預(yù)編碼以及數(shù)字預(yù)編碼設(shè)計(jì)，以用戶通信性能和抑制用戶間干擾。這幾種方案在用戶公平性、頻譜效率和能量效率方面的性能不同，仿真結(jié)果也進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)。通過與其他無無人機(jī)位置優(yōu)化和無能效要求方案進(jìn)行仿真比較，驗(yàn)證了所提方案的有效性。此外，數(shù)值結(jié)果還揭示了無人機(jī)最大發(fā)射功率和射頻鏈數(shù)量對能量效率的影響。

該項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 61871065 and 61971194）資助。