無人機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)和毫米波技術是滿足5G爆炸式數(shù)據(jù)流量需求的兩種關鍵技術。因此，最近一項研究將NOMA和毫米波同時應用于無人機對地通信網(wǎng)絡在滿足用戶服務質(zhì)量需求的同時提高網(wǎng)絡可容納用戶數(shù)。

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

由于通信設備部署密集化以及物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，無人機可以利用的頻譜資源十分有限。在此背景下，采用NOMA可以實現(xiàn)頻譜共享提高頻帶利用率；另一方面，毫米波技術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毫米波通信網(wǎng)絡進行性能分析以及優(yōu)化設計的研究，考慮無人機能量有限的節(jié)能設計也十分豐富，但是鮮有針對同時利用NOMA和毫米波波束成形技術的無人機網(wǎng)絡的節(jié)能優(yōu)化設計。

該項研究的毫米波無人機通信網(wǎng)絡模型圖如圖1所示，多天線無人機向大量單天線地面用戶發(fā)送所需信息。在毫米波網(wǎng)絡中，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)絡將用戶根據(jù)信道相關性分成多組，并在每組內(nèi)采用NOMA同時為用戶提供服務。另外，在傳統(tǒng)多天線系統(tǒng)中，每個天線都需要對應一個專門的射頻鏈來實現(xiàn)全數(shù)字信號處理，這在毫米波系統(tǒng)中會導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)絡性能，采用了混合預編碼結(jié)構。由于所建模的能源效率最大化問題十分復雜、難以求解，將其分為若干個子優(yōu)化問題。首先，對無人機位置進行優(yōu)化部署，以增強用戶的信道質(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現(xiàn)能源效率最大化。 
 

毫米波無人機非正交多址通信網(wǎng)絡模型圖
 

特別地，該網(wǎng)絡中考慮了三種混合預編碼方案，進行用戶聚類、模擬預編碼以及數(shù)字預編碼設計，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)果也進一步證明了這一點。通過與其他無無人機位置優(yōu)化和無能效要求方案進行仿真比較，驗證了所提方案的有效性。此外，數(shù)值結(jié)果還揭示了無人機最大發(fā)射功率和射頻鏈數(shù)量對能量效率的影響。

該項研究得到了國家自然科學基金項目（No. 61871065 and 61971194）資助。