基于共道干扰的多无人机中继通信系统研究

黄海燕，张鸿生，梁琳琳，李亚红，王春丽

(1.兰州交通大学 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070；2.西安电子科技大学 网络与信息安全学院，陕西 西安 710071)

0 引言

协作通信是一种扩大网络覆盖范围的重要手段,是近年通信领域研究的主流方向之一。协作通信可以提高能量和频谱利用率,增强通信服务的稳定性。然而,随着通信的发展,大量新型通信场景不断涌现,对通信覆盖范围和通信质量等性能的需求不断增大,传统的固定协作通信技术已经不能满足广覆盖、高质量的通信需求[1-2]。学者们在传统固定协作中继技术的基础上提出无人机协作通信技术,通过在基站与用户之间设置无人机搭载的中继,提高网络覆盖范围,改善网络服务质量,降低通信系统的中断概率[3-4]。无人机作为协作中继具备很好的机动性能,通过对无人机的飞行轨迹进行合理规划,促使无人机搭载的中继能够飞抵最佳位置,进一步提升系统性能,以适应不同的通信场景[5-7]。无人机搭载中继能实现高效、灵活和低功耗的协作通信,目前基于无人机辅助的协作通信研究主要涉及资源分配、无人机轨迹规划和系统性能等方面。

文献[5]研究了同步无线信息和功率传输的无人机协作通信系统,其中无人机作为中继,传输所需能量由源节点的无线电信号通过时间分割机制提供。Do等[8]固定了无人机中继的飞行轨迹,研究处于不同高度时无人机中继传输信号的性能,结果显示随着无人机中继高度的增加,系统中断性能降低。文献[9]研究了无人机辅助的认知非正交多址通信系统,设定无人机中继定点悬停,在有窃听者的情况下计算保密中断概率来分析保密性能。文献[6]针对全双工无人机中继通信网络,提出了一种基于发射功率及无人机轨迹的联合优化方案,提高系统的保密速率,提出的联合优化方案具有更好的物理层安全性能。为了更好地满足实际通信场景的需求,文献[7]研究了多无人机通信,联合优化无人机中继的飞行轨迹和功率,以减少链路干扰,提高系统的吞吐量。文献[10]研究了双跳无人机中继通信系统,第1个无人机先接收源节点用户广播的信号,再解码转发给第2个无人机,分析了双跳无人机通信系统的中断性能。文献[11]研究了多跳中继通信传输网络,提出的双向中继选择算法的中断性能接近最优选择。

尽管以上研究对单无人机/多无人机协作通信系统的性能进行了具体分析,然而,并未考虑共道干扰对无人机协作通信系统的影响。共道干扰是指相同频率的无用信号造成的干扰,共道干扰的主要来源是频率复用。由于目前通信设备迅速增多,通信环境复杂,共道干扰在无人机协作通信过程中必然存在。

本文以无人机协作通信关键技术作为研究点,在考虑共道干扰和无人机运动的情况下,推导了精确和渐近中断概率表达式以及系统容量表达式,分析了共道干扰对通信系统中断性能和信道容量的影响。

1 系统模型

图1所示的无人机协作通信系统模型包含单个源节点S,N个无人机搭载的协作中继Ri(1≤i≤N)以及单个目的节点D。由于受到源节点与目的节点间阴影衰落以及建筑障碍物的干扰,源节点与目的节点之间无直接链路[12]。在一次多中继协作传输中,选择一个最佳无人机中继协助源节点传输信息给目的节点。网络中无人机中继和目的节点接收信号的背景噪声是均值为0、方差为N0的加性高斯白噪声。由于目前密集的网络部署,用户数量迅速增加,假设无人机中继Ri处存在K路共道干扰,目的节点D处存在L路共道干扰[13]。任意两节点之间的信道服从瑞利衰落[14]。

图1 通信系统模型Fig.1 Model of communication system

该无人机协作通信系统考虑了无人机的运动对系统性能的影响,假设无人机沿y轴从初始位置d0以速度v0向目的节点D匀速飞行。为体现无人机中继在远距离通信中的优越性能,由二维坐标系给出基站S的坐标(0,-2 500,0),最佳无人机中继R的坐标(0,y,H),目的节点D的坐标(0,2 500,0)。

整个通信过程分为2个时隙。在第1时隙,源节点S广播信息给所有的无人机Ri(1≤i≤N)。当存在多个共道干扰时,无人机Ri接收到的信号表示为:

(1)

式中:xS表示由源节点S发送的信号,xk表示K个共道干扰发送的干扰信号,PS表示源节点S的发射功率,PIk表示第k个共道干扰源的发射功率,nSRi表示第一时隙在无人机中继Ri的背景噪声。由此,无人机中继Ri接收到的信干噪比(Signal to Interfe-rence plus Noise Ratio,SINR)可以表示为:

(2)

(3)

根据选择协作解码转发中继传输,所有瞬时接收SINR超过阈值γth的中继节点组成解码集合Q。

在第2时隙,首先判断解码集合Q是否为空集。若解码集合Q不是空集,从集合中选择一个无人机中继与目的节点之间SINR最大的无人机中继,采用解码转发协议[15-16]转发重新编码后的源节点信息。此时目的节点接收到的信号可以表示为:

(4)

式中:PR表示被选择的最佳无人机中继Rr的发射功率,xl表示L个共道干扰发送的干扰信号,PIl表示第l个共道干扰源的发射功率,nRrD表示协作通信的第二时隙在目的节点的背景噪声。由此,目的节点的接收SINR可以表示为:

(5)

(6)

为了方便分析系统中断性能,给出Z和Y的概率分布函数分别为[17]:

(7)

(8)

此外,多无人机中继选择最佳无人机中继可以按照下式选择:

(9)

若信息传输的第2时隙解码集合为空集,则表明所有无人机中继均未能解码源节点信息,不能转发源节点信息至目的节点,此时通信链路中断。

2 中断概率

中断概率是在衰落信道上运行的通信系统的重要性能准则,取决于通信链路的平均信噪比及其信道衰落分布模型。

2.1 精确中断概率

在本节中,将分析存在共道干扰条件下多无人机辅助通信系统的精确中断概率,基于计算得出的SINR值以及多无人机中继选择的过程,选择协作解码转发无人机中继传输的中断概率由全概率公式表示为:

(10)

式中:|Q|表示集合Q中的中继节点数目,Pr(|Q|=n)表示在信息传输的第1时隙无人机中继处存在多个共道干扰的情况下,n个无人机中继节点可以正确解码源节点信息的概率。Pr(|Q|=n)通过下式表示:

Pr(|Q|=n)=

(11)

(12)

类似的Pr(γSRj<γth)可表示为:

(13)

将式(12)、式(13)代入式(11)可计算得到Pr(|Q|=n)。计算方式如下:

Pr(|Q|=n)=

(14)

式(10)中Pr(γRrD<γth)表示在信息传输的第2时隙被选择的最佳无人机中继节点Rr向目的节点传送信息时,目的节点不能正确解码源节点信息的概率,由下式表示:

Pr(γRrD<γth)=

(15)

(16)

将式(16)带入式(15),采用二项式展开最终可得到:

(17)

对于单源-多无人机中继-单目的节点通信网络,经过以上计算得到其在多无人机中继和目的节点中均存在多路共道干扰且无人机中继处于移动状态时该网络中断概率的精确闭式表达式。

环腐棒杆菌在种薯中越冬，成为翌年初侵染源。病薯播下后，一部分芽眼腐烂不发芽，一部分是出土的病芽，病菌沿维管束上升至茎中部或沿茎进入新结薯块而致病。适合环腐棒杆菌生长温度20～23℃，最高31～33℃，最低1～2℃。致死温度为干燥情况下50℃。

2.2 渐近中断概率

为了进一步研究系统的各项参数对通信性能的影响,分析系统的分集阶数,计算在高SINR值的情况下,通信系统的渐近中断概率。

在接下来的分析中,定义γ=1/N0。当γ趋于无穷,可以计算得到n个中继能够正确解码源节点信息概率的近似表达式为:

(18)

Pr(γRrD<γth)≈

(19)

由于多个共道干扰导致源节点-目的节点间的多条通信链路不再独立,所以从上述结果可以得到渐近中断概率表达式中的γ为零阶,此时通信系统的分集阶数为0。

3 信道容量

信道容量是描述信道无错误传输信息的最大传输速率,是衡量信道质量好坏的重要参数。在有干扰的情况下,多无人机协作通信系统的信道容量可表示为:

(20)

式中:fγtot(γ)表示端到端SINR的概率密度函数。由于式(20)计算困难,可令φ=ln(1+γ),δ=eφ-1,则上式表示为:

(21)

当φ=0时,φ(1-Fγtot(eφ-1))=0;当φ→∞时,代入Fγtot(·)可得到φ(1-Fγtot(eφ-1))=0。具体计算过程如式(22)所示:

(22)

令a=1,μ=1,最终得到该通信系统的信道容量表达式:

Φ2(a,b1;μ;x1,λ1)+

Φ2(a,b2,L;μ;x2,x3,λ2,λ3),

(23)

(24)

4 性能分析

图2描述了无人机中继数量不同的情况下系统中断概率与γ的关系。从图2可以看出,系统中断概率随γ变化的理论值与仿真值完全重合,验证了理论分析的正确性。仿真中K=4,L=4,αT=0.5,分别取Pr=5、10 dB。系统的中断概率随γ的增大而减小。当SINR值较高时,中断概率趋于常数,即中断概率曲线的斜率为0,结果验证了通信系统的分集阶数为0。尽管通信系统的分集阶数为0,但无人机中继数量增加时,该通信系统仍然获得分集增益,系统中断性能会明显提高。

图3 Ri处多路共道干扰下系统的中断概率Fig.3 Outage probability of the system with multiple co-channel interferences at Ri

在图4中,设置dSD=5 000 m,d0=100 m,H=400 m,αT=0.5,N=3,K=4,L=4。无人机在源节点和目的节点间飞行时,源节点与无人机中继间的信道增益gSR减小,无人机中继的接收SINR减小,并且无人机飞行速度越快,SINR减小幅度越大,同时中继与目的节点间信道增益gRD增大,尽管目的节点的接收SINR会增大,但在飞至中点之前,系统中断概率主要受gSR影响,所以系统中断概率在无人机中继飞至中点前先增大,在源节点与目的节点中心处时中断概率达到顶峰值;随后gRD持续增大,在中点之后系统中断概率逐渐减小至最小值;之后无人机抵达目的节点正上方向往远处再飞行,系统中断概率急剧攀升直至通信彻底中断。在上述过程,中断概率最小的点对应的无人机位置即为无人机的最佳飞行位置,如图4所示,当无人机中继以19 m/s的速度飞行252 s,中断概率减小至6.261×10-4,为最小值,此时无人机中继处于距目的节点水平位置112 m处。

图4 Ri运动时系统的中断概率Fig.4 Outage probability of the system when Ri is moving

5 结束语

在众多研究工作中,缺乏对无人机协作通信系统中存在共道干扰时系统中断性能的研究,并且大部分研究工作基于无人机中继悬浮在空中为定点。本文在通信系统中考虑多路共道干扰,并设定无人机沿指定路径飞行且速度可变。根据性能分析的结果可以看出,无人机中继的数量、高度对无人机协作中继通信系统的通信性能影响较大。共道干扰对通信系统性能也有一定影响,但可以通过增加无人机中继数量来增大系统分集增益,从而补偿共道干扰的影响并进一步提高系统中断性能。同时,通过合理地规划路径,可以使得无人机协作通信系统的通信性能达到最优。