14.（UAV中繼）具有時分SWIPT的無人機協助的協作通信

論文題目：UAV-assisted Cooperative Communications with Time-sharing SWIPT

I. INTRODUCTION
　　最近，同步無線信息和功率傳輸（SWIPT）受到廣泛關注，因爲它不僅充分利用信息信號而且充分利用無線電信號攜帶的能量。因此，SWIPT可以是一種經濟有效的方式來補充無人機的能量，而無需安裝額外的能量收集設備。
　　基於這樣的動機，在本文中，我們考慮具有一個源和一個目的地的典型協作通信系統，其由UAV輔助作爲具有放大和轉發（AF）協議的空中移動中繼。爲了有效利用周圍環境中的能量，我們建議將SWIPT引入無人機輔助協作通信系統，也就是說，無人機的傳輸能力僅來自來自從源發送的無線電信號，而機載電池僅考慮其移動性。對於無人機的SWIPT，我們專注於分時機制，通過該機制，無人機的能量收集和中繼傳輸在一段時間內不重疊。在這種情況下，我們通過考慮無人機的中繼功率，SWIPT方案和軌跡設計的所有重要設計方面來研究端到端協同吞吐量最大化問題。

II. SYSTEM MODEL AND PROBLEM FORMULATION（系統模型和問題公式化）

　　如圖1所示，我們專注於具有一個源節點和一個目的節點的典型點對點無線通信系統，它們固定在地面上的兩個不同位置。源和目的地之間的直接鏈路的信道條件對於可接受的傳輸性能是不利的，例如，由於位於視線區域中的障礙物。安裝有收發器的UAV被部署爲天線中繼器，以輔助從源到目的地的無線傳輸。源、目的地和無人機收發器都配備了一個天線。由於UAV由於其有限的機載電池的功率容量而通常受能量限制，因此高性能傳輸的過度功耗將會很容易地耗盡其電池。爲了解決這個問題，我們建議將SWIPT引入這種無人機輔助協作通信系統。具體而言，無人機的無線傳輸能力僅由來自發射源的無線電信號提供能量，而無人機的機動，例如起飛、着陸以及懸停仍然由其機載電池供電。這可以通過分別安裝兩個用於收發和操縱的單獨電池來實際實現。利用SWIPT功能，可以通過從源發送的無線電信號中清除無線能量來有效地減輕無人機的能量限制。
　　在不失一般性的情況下，我們考慮用於源和目的地位置的三維笛卡爾座標系，分別表示爲[$S_x$,$S_y$,0]。我們假設無人機在空中以固定高度H（例如，繞開地面障礙物所需的最小高度）從起始位置飛行到終點位置，該位置在供應中心（例如充電站）所在的位置，並在有限的時間範圍T內充當移動中繼。爲簡單起見，在時間範圍內不考慮無人機的起飛和着陸，我們只關注無人機在空中飛機上行駛時的操作時間。無人機隨時間的瞬時座標表示爲[x(t),y(t),H]，t$\in$ [0,T]。特別地，開始座標[$x_s,y_s,H$]和結束座標[$x_e,y_e,H$]。顯然，在時間範圍T內從起始位置到結束位置的最小所需前進距離由下式給出：

無人機的最大速度用表示$\overline V$表示，並且我們假定$\overline V$ $\geq d_{min}/T$ ，使得UAV能夠找到至少一條從起始位置到終點位置行進的可行路徑。
　　一般來說，無人機的位置隨着時間的推移而不斷變化，同時沿着特定的軌跡飛行，這使得源和目的地之間的瞬時協作也同樣如此。從這個意義上說，繁瑣的整體操作必須涉及精確評估端到端的協作吞吐量。爲了簡化推導，我們將時間範圍T離散爲具有相等間距的N個時隙，例如：T = N$\delta_t$，這裏的$\delta_t$表示每個時隙的持續時間。在實踐中，$\delta_t$被選擇爲足夠小（或等效地，N被選擇爲足夠大），使得我們可以假設UAV的位置在每個時隙內保持近似恆定。因此，時間範圍T內的無人機的連續軌跡($x_t,y_t$)（由於無人機始終在固定高度飛行，因此省略了z座標）可以用離散序列[$x_n$，$y_n$]近似，n = 1,2,3…N，其中[$x_n$，$y_n$]表示無人機在時隙n內的位置座標。因此，無人機的移動性約束由下式給出:

這裏的V表示表示每個時隙內無人機的最大行程距離。
　　我們假設源到無人機和無人機到目的地信道由視距（LOS）鏈路支配，並且由無人機的移動性產生的多普勒效應能夠被完美地補償【10】。因此，在時隙n內，源到無人機和無人機到達目的地的信道功率增益遵循自由空間路徑損耗模型，從源到UAV的信道可以表示爲：

從UAV到目的地的信道可以表示爲：

這裏的$\eta$表示在參考距離（比如：1m）上的信道功率增益，這裏的$d_{n}^{sr}$和$d_{n}^{rd}$分別表示源到UAV的距離和UAV到目的地的距離。
　　作爲空中移動中繼，由於無線電實現中的電流限制，UAV以時分半雙工模式操作是衆所周知的（？？？）。具體而言，源在時隙的前半部分將數據發送到目的地和UAV，然後在後半部分，UAV將數據轉發到目的地【11】。實際上，由於硬件限制，用於中繼調製信息的信號不能用於收集能量【12】。因此，我們在無人機上考慮SWIPT的時分接收機結構，這是主要的SWIPT接收機結構之一。利用時分方案，能量收集和協作通信在不同的時隙中實現。換句話說，在每個時隙內，UAV必須決定是從源發送的信號中獲取能量還是用作中繼並將數據轉發到目的地。UAV在時隙n的判決分佈被定義爲二進制指示$\beta_n$，這裏$\beta_n$ = 1表示作爲中繼器，而$\beta_n$ = 0表示從源收集能量。然後根據【11】，在時隙n內的針對AF（放大轉發）協議瞬時協作率由下式給出：

其中$P_s$指的是源的恆定傳輸功率，$\gamma$指的是源到目的地信道的SNR，$\gamma_0$表示協作信道的參考SNR，$p_n$表示UAV的功率分佈。在任何時隙內，無人機只能使用在先前時隙中收集的能量進行中繼，而不是將來使用。因此，以下能量因果關係約束【13】必須成立：

在本文中，我們的目標是通過適當地設計無人機的決策分佈$\beta_n$、功率分佈$p_n$和軌跡[$x_n,y_n$]來最大化端到端的協作吞吐量，n = 1,2,3…N。這樣的問題可以表述爲：

這裏$r_d = log(1 + P_s\gamma)$是指沒有無人機幫助的非協作率。這裏我們假設在源到無人機、無人機到目的地和源到目的地信道的傳輸上，共享相等的帶寬，並且信道噪聲功率被歸一化。顯然，（6）是一個非凸優化問題，沒有標準的求解技術。因此，我們通過採用替代優化（也稱爲塊下降法）的方式將（6）分解爲三個子問題來求解：交替優化決策分佈$\beta_n$、功率分佈$p_n$和軌跡[$x_n$,$y_n$]。每組變量都被優化，其他兩個變量被固定，使得可以迭代地改進端到端協作吞吐量直到收斂。