本發(fā)明涉及機(jī)場場面通信，具體涉及全向智能超表面輔助的5gaeromacs設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的機(jī)場場面通信系統(tǒng)依賴于固定的基站和天線，但在機(jī)場環(huán)境中，諸如廊橋、航站樓等大量遮擋物會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸受阻，影響通信質(zhì)量和覆蓋范圍。面對(duì)復(fù)雜多變的機(jī)場環(huán)境，這些固定設(shè)施無法靈活應(yīng)對(duì)遮擋和干擾問題，導(dǎo)致通信質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，迫切需要一種能夠克服這些物理障礙、顯著提升通信效率的技術(shù)手段。

2、中國發(fā)明專利申請(qǐng)，公開號(hào)cn113259946a，發(fā)明名稱“基于集中式陣列天線的地空全覆蓋功率控制與協(xié)議設(shè)計(jì)方法”，公開了一種地空全覆蓋功率控制與協(xié)議設(shè)計(jì)方法，通過優(yōu)化兩種無人機(jī)的三維布局和巡航軌跡，同時(shí)調(diào)整地面機(jī)器通信設(shè)備的發(fā)射功率，將空間數(shù)據(jù)壓縮過程與能量域多天線協(xié)作傳輸過程結(jié)合起來進(jìn)行傳輸。然而其中，首先，無人機(jī)的應(yīng)用場景與常規(guī)大型機(jī)場的遮擋復(fù)雜情況相差很遠(yuǎn)，此外，該公開中沒有涉及怎樣解決機(jī)場中大量遮擋物會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸受阻的問題。

3、中國發(fā)明專利申請(qǐng)，公開號(hào)cn105722101a，發(fā)明名稱“一種節(jié)能的帶狀覆蓋中繼站部署方法”，公開了應(yīng)用于機(jī)場跑道的一種部署中繼站對(duì)帶狀區(qū)域進(jìn)行完全覆蓋的方式，其中將長帶狀區(qū)域劃分成一些子長帶狀區(qū)域，并使用具有圓盤覆蓋區(qū)域的中繼站進(jìn)行覆蓋。然而該公開中需要設(shè)置大量的中繼站，其機(jī)動(dòng)性不足以應(yīng)對(duì)快速變化的環(huán)境情況，且大量中繼站的部署和維護(hù)成本很高。

4、因此，現(xiàn)有的通信系統(tǒng)在面對(duì)復(fù)雜的機(jī)場環(huán)境時(shí)，存在以下幾個(gè)主要問題：（1）信號(hào)遮擋和多路徑效應(yīng)導(dǎo)致的通信盲區(qū)和死角，使得通信覆蓋范圍受限，影響地面服務(wù)和飛行安全；（2）固定基站和天線難以動(dòng)態(tài)調(diào)整，無法適應(yīng)快速變化的環(huán)境，導(dǎo)致通信質(zhì)量波動(dòng)和連接不穩(wěn)定；（3）高密度機(jī)場通信終端場景下，頻譜資源有限，難以滿足大規(guī)模機(jī)場通信終端的高質(zhì)量通信需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種全向智能超表面輔助的5gaeromacs（航空5g機(jī)場場面寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)）設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜鎯?yōu)化。通過智能調(diào)控全向智能超表面的相位，分配和傳輸入射信號(hào)，確保在滿足所有機(jī)場通信終端最低速率要求的前提下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的全向覆蓋和系統(tǒng)總功耗的最小化，提升通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2、根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種全向智能超表面輔助的5g?aeromacs設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

3、步驟s0,建立全向智能超表面輔助5g?aeromacs，包括設(shè)置一個(gè)基站、一個(gè)全向智能超表面和兩個(gè)機(jī)場通信終端，其中該兩個(gè)機(jī)場通信終端包括位于所述全向智能超表面的兩側(cè)的接收反射信號(hào)的反射機(jī)場通信終端和接收傳輸信號(hào)的傳輸機(jī)場通信終端，且設(shè)定所述基站具有根天線，以及每個(gè)機(jī)場通信終端均配有1根天線，所述全向智能超表面擁有個(gè)反射單元；

4、步驟s1,?基于建立的全向智能超表面輔助5g?aeromacs，構(gòu)建全向智能超表面輔助5g?aeromacs模型；

5、步驟s2，以所構(gòu)建的全向智能超表面輔助5g?aeromacs模型的系統(tǒng)總功耗最小化為優(yōu)化目標(biāo)，建立優(yōu)化問題模型，設(shè)置約束條件；

6、步驟s3，對(duì)設(shè)置約束條件后的優(yōu)化問題模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換和求解，得到系統(tǒng)總功耗最小化的優(yōu)化方案；

7、步驟s4，將獲得系統(tǒng)總功耗最小化的優(yōu)化方案用于設(shè)置機(jī)場的5g?aeromacs，提供機(jī)場場面移動(dòng)通信服務(wù)；

8、其中，所述步驟s1具體包括：

9、步驟s1.1，建立反射信號(hào)的反射波束賦形矩陣，無線信號(hào)從基站入射到全向智能超表面的反射單元上，被分為反射信號(hào)和傳輸信號(hào)，反射信號(hào)的反射波束賦形矩陣為：

10、

11、其中，表示反射信號(hào)的反射波束賦形矩陣，表示反射波束賦形矩陣中的第個(gè)對(duì)角元素，，其中表示反射波束的相位偏移，表示反射系數(shù)的實(shí)際幅值，為虛部單位，表示全向智能超表面的第個(gè)反射單元；

12、步驟s1.2，建立傳輸信號(hào)的傳輸波束賦形矩陣：

13、

14、其中，表示傳輸信號(hào)的傳輸波束賦形矩陣，表示傳輸波束賦形矩陣中的第個(gè)對(duì)角元素，，其中表示傳輸波束的相位偏移，表示傳輸系數(shù)的實(shí)際幅值；

15、步驟s1.3，構(gòu)建從基站到全向智能超表面的信道和從全向智能超表面到機(jī)場通信終端的信道，令,,分別表示從基站到全向智能超表面的信道，從全向智能超表面到反射機(jī)場通信終端的信道，從全向智能超表面到傳輸機(jī)場通信終端的信道，并將其建模為萊斯衰落信道：

16、

17、其中，表示從全向智能超表面到機(jī)場通信終端的信道，，表示基站和全向智能超表面之間的距離，表示全向智能超表面和機(jī)場通信終端之間的距離；表示基站和全向智能超表面之間的路徑損耗指數(shù)，和表示全向智能超表面和機(jī)場通信終端之間的路徑損耗指數(shù)；表示基站和全向智能超表面之間的萊斯系數(shù)，和表示全向智能超表面和機(jī)場通信終端之間的萊斯系數(shù)，表示參考距離時(shí)的路徑損耗參數(shù)，表示從基站到全向智能超表面的確定性視距（line?of?sight,?los）分量，表示從全向智能超表面到反射機(jī)場通信終端的los分量，表示從基站到全向智能超表面非視距（none?line?of?sight,?nlos）分量，表示從全向智能超表面到反射機(jī)場通信終端的nlos分量；

18、步驟s1.4，構(gòu)建全向智能超表面輔助5g?aeromacs模型，機(jī)場通信終端接收到的信號(hào)為

19、

20、其中，表示基站處的對(duì)于傳輸機(jī)場通信終端的主動(dòng)波束賦形向量，表示基站處的對(duì)于反射機(jī)場通信終端的主動(dòng)波束賦形向量，表示基站向傳輸機(jī)場通信終端的發(fā)射信號(hào)，表示基站向反射機(jī)場通信終端的發(fā)射信號(hào)，為機(jī)場通信終端處的加性高斯白噪聲，其均值為0，方差為，表示從全向智能超表面到機(jī)場通信終端處的信道的共軛轉(zhuǎn)置向量，表示反射信號(hào)的反射波束賦形矩陣或傳輸信號(hào)的傳輸波束賦形矩陣，

21、機(jī)場通信終端的通信速率為

22、

23、其中，在表示反射機(jī)場通信終端時(shí)，則表示傳輸機(jī)場通信終端，相反，在表示傳輸機(jī)場通信終端時(shí)，則表示反射機(jī)場通信終端，表示基站處的對(duì)于機(jī)場通信終端的主動(dòng)波束賦形向量。

24、可選地，所述步驟s2中的約束條件如下：

25、

26、其中，表示反射波束或傳輸波束的相位偏移，表示全向智能超表面第個(gè)反射單元的反射系數(shù)或傳輸系數(shù)的實(shí)際幅值，，表示滿足最低服務(wù)要求的通信速率，表示全向智能超表面第個(gè)反射單元針對(duì)反射信號(hào)的能量分布系數(shù)，表示全向智能超表面第個(gè)反射單元針對(duì)傳輸信號(hào)的能量分布系數(shù)。

27、可選地，所述步驟s3具體包括：

28、步驟s3.1，對(duì)設(shè)置約束條件后的優(yōu)化問題模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的優(yōu)化問題模型為：

29、

30、其中，表示基站處的對(duì)于傳輸機(jī)場通信終端的主動(dòng)波束賦形向量的厄米特矩陣，表示基站處的對(duì)于反射機(jī)場通信終端的主動(dòng)波束賦形向量的厄米特矩陣，表示反射波束賦形向量或傳輸波束賦形向量的厄米特矩陣，表示基站處的主動(dòng)波束賦形矩陣，表示從基站到機(jī)場通信終端之間信道矩陣，表示從基站到機(jī)場通信終端之間信道矩陣的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，表示反射或傳輸波束賦形向量的厄米特矩陣中的對(duì)角元素組成的向量，表示需要滿足的最低速率的信干噪比；

31、步驟s3.2，對(duì)轉(zhuǎn)換后的優(yōu)化問題模型中的非凸優(yōu)化問題進(jìn)行處理，得到處理后的優(yōu)化問題模型：

32、

33、其中，表示的核范數(shù)，表示反射波束賦形向量的厄米特矩陣或傳輸波束賦形向量的厄米特矩陣的二范數(shù)在當(dāng)前得到的迭代點(diǎn)上的一階泰勒，表示懲罰因子，表示第次迭代中的結(jié)果，表示式（6b）的第一部分轉(zhuǎn)化成的凸差函數(shù)，表示式（6b）的第二部分轉(zhuǎn)化成的凸差函數(shù)，表示的上界，表示的上界；

34、步驟s3.3，對(duì)處理后的優(yōu)化問題模型進(jìn)行求解，得到系統(tǒng)總功耗最小化的優(yōu)化方案。

35、可選地，所述步驟s3.3具體包括：

36、步驟s3.3.1，對(duì)處理后的優(yōu)化問題模型進(jìn)行基于懲罰的迭代算法的內(nèi)循環(huán)運(yùn)算,得到更新變量值；

37、步驟s3.3.2，接收更新變量值，進(jìn)行基于懲罰的迭代算法的外循環(huán)運(yùn)算，得到系統(tǒng)總功耗最小化的優(yōu)化方案。

38、還可選地，所述步驟s3.3具體包括：

39、（a）對(duì)處理后的優(yōu)化問題模型進(jìn)行初始化，包括初始化變量值及懲罰因子，設(shè)置迭代次數(shù)；

40、（b）內(nèi)循環(huán)運(yùn)算，使用當(dāng)前的變量值計(jì)算處理后的優(yōu)化問題模型，以得到更新變量值，其中，表示第次迭代中得到的基站處的對(duì)于機(jī)場通信終端的主動(dòng)波束賦形向量的厄米特矩陣，表示第次迭代中得到的反射或傳輸波束賦形向量的厄米特矩陣中的對(duì)角元素組成的向量；

41、（c）判斷所得到的懲罰項(xiàng)的值是否低于設(shè)定的閾值，或者內(nèi)循環(huán)次數(shù)是否達(dá)到設(shè)定的最大值，

42、懲罰項(xiàng)的值的判斷條件為：

43、

44、其中，表示的譜范數(shù)，

45、如果滿足以上條件之一，內(nèi)循環(huán)結(jié)束，將當(dāng)前的新的更新變量值作為解傳遞給外循環(huán)，否則，增加迭代次數(shù)，并代入步驟（b）繼續(xù)進(jìn)行內(nèi)循環(huán)；

46、（d）外循環(huán)運(yùn)算，接收來自內(nèi)循環(huán)的更新變量值，并更新懲罰因子，其中，代入式（16）判斷所得到的懲罰項(xiàng)的值是否低于設(shè)定的閾值，如果懲罰項(xiàng)滿足以式（16），外循環(huán)結(jié)束，將當(dāng)前的更新變量值作為系統(tǒng)總功耗最小化的優(yōu)化方案，否則，將更新后的更新變量值和懲罰因子代入步驟（b）繼續(xù)進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。

47、與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式提供的一種全向智能超表面輔助的5gaeromacs設(shè)計(jì)方法，至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

48、1.?通過對(duì)全向智能超表面輔助的5g?aeromacs進(jìn)行建模，并利用數(shù)學(xué)公式化描述建模問題的優(yōu)化目標(biāo)與約束條件，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜遮擋環(huán)境下的通信優(yōu)化，有效克服遮擋物帶來的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信區(qū)域的全覆蓋，快速提升機(jī)場場面通信的信號(hào)質(zhì)量，保障通信的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

49、2.?所提出的設(shè)計(jì)方法能夠通過智能調(diào)控全向智能超表面的相位和反射特性，實(shí)現(xiàn)機(jī)場場面通信區(qū)域的全覆蓋。

50、3.?考慮到機(jī)場復(fù)雜多變的環(huán)境，智能超表面能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)環(huán)境變化，通過智能反射和傳輸信號(hào)，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，確保在各種不確定條件下依然能夠提供高質(zhì)量的通信服務(wù)。

51、4.?考慮到高密度環(huán)境條件，智能超表面能夠有效降低信號(hào)傳輸中的干擾和衰減，顯著提升通信信號(hào)的質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下的可靠通信的同時(shí)，最大限度地降低系統(tǒng)總功耗。