無人機通信網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋性能分析

高鈺明

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無人機通信網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋性能分析

高鈺明

中睿通信規(guī)劃設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510630

無人機通信網(wǎng)絡(luò)在相關(guān)領(lǐng)域體現(xiàn)了極大的應(yīng)用優(yōu)勢?；诖?，就無人機通信網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋性能進行了分析，分別介紹了無人機通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)、無人機通信網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋性能優(yōu)化、無人機通信網(wǎng)絡(luò)的仿真分析，以期為無人機通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平的提升做出重要貢獻。

無人機通信網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)容量；覆蓋性能

引言

無人機通信網(wǎng)絡(luò)具有部署方便、機動靈活、不受復(fù)雜地形限制、通信設(shè)備適用性強且信息傳輸質(zhì)量高等優(yōu)勢特點，被逐漸應(yīng)用于應(yīng)急通信。近年來，F(xiàn)acebook和谷歌等公司，對無人機網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展提出了多種設(shè)想。其中，關(guān)于利用無人機增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋與網(wǎng)絡(luò)容量的方案，曾被多次提起。關(guān)于無人機通信網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋性能的研究，能夠進一步明確無人機飛行高度等影響網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋性能的因素，對提升網(wǎng)絡(luò)整體性能具有重要意義。

1 無人機通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)分析

無人機通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建，基本原理就是給定頻帶以及平臺的允許尺寸、質(zhì)量、消耗電力等內(nèi)容之后，實現(xiàn)通信距離×數(shù)據(jù)速率的最大化[1]?？偨Y(jié)無人機通信網(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容，包括與帶寬相關(guān)的一些內(nèi)容，頻率、信息數(shù)據(jù)流的靈活性與適用性，還有基于認識的適應(yīng)控制能力。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，數(shù)據(jù)鏈技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。

數(shù)據(jù)鏈是一種較為常用的傳輸方式，在傳感器、指控系統(tǒng)以及武器平臺之間的戰(zhàn)術(shù)信息傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用尤為廣泛，能夠充分滿足作戰(zhàn)信息的交換需求。數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的原理是將現(xiàn)代信息技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)理念相結(jié)合，能夠多角度滿足作戰(zhàn)單元共享以及戰(zhàn)場態(tài)勢、實時控制需要。利用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，構(gòu)建無人機通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠充分滿足系統(tǒng)對于標準化的消息格式、保密且抗干擾的數(shù)字信道、高效的組網(wǎng)協(xié)議等要求。在無人機通信網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)鏈的傳輸速率與處理能力的提升，對擴大無人機的能力具有重要意義，在現(xiàn)代科技的推動之下，無人機通信網(wǎng)絡(luò)中的機載處理能力逐漸超過數(shù)據(jù)鏈能力，將采集數(shù)據(jù)中繼到地面后，能夠為地面決策提供有效參考。這一過程，需要有效提高現(xiàn)有的頻譜利用率。

另外，在數(shù)據(jù)鏈技術(shù)中有一種中繼技術(shù)，無人機通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與運行十分重要。當無人機超出一定范圍之后，需要通過中繼方式與地面指揮站進行通信。根據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的位置差異，可將中繼技術(shù)劃分為地面中繼與空中中繼。其中，地面中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備位于地面控制站與無人機之間的制高點；空中中繼設(shè)備位于空中中繼平臺，平臺與無人機之間采用定向天線連接，總結(jié)數(shù)字引導(dǎo)、自跟蹤等方式，來保證天線波束彼此對準，相對來說成本較高。

對于空中中繼來說，還可進一步劃分為飛機中繼和衛(wèi)星中繼兩種方式。其中，飛機中繼方式以飛機作為轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，可靠性較低。

衛(wèi)星中繼方式將通信衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。在實際應(yīng)用過程中，無人機上需要安裝跟蹤天線，機載天線與指向衛(wèi)星之間通過數(shù)字引導(dǎo)，以自跟蹤的方式，對衛(wèi)星進行實時跟蹤。對比飛機中繼方式，衛(wèi)星中繼對擴大無人機通信網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋性能，能夠起到更加顯著的作用，且衛(wèi)星的信道性能更加穩(wěn)定，還能有效提升無人機通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2 無人機通信網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋性能優(yōu)化

上文提到的數(shù)據(jù)鏈技術(shù)中，具體的空中中繼方式對無人機通信網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋性能優(yōu)化能夠起到推動作用。利用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，將無人機作為基站，為地面用戶提供服務(wù)，類似于在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)當中布置微基站，不僅能夠提升鏈路的質(zhì)量與頻譜效率，而且能夠解決地面基站覆蓋空洞問題，在減輕地面基站負載的同時，有效提高特定區(qū)域的覆蓋質(zhì)量，對降低網(wǎng)絡(luò)開銷與系統(tǒng)運行能耗也能夠起到一定作用。

除此之外，無人機的飛行高度，對無人機通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與容量，也具有重要的推動作用。升高天線高度，能夠減小復(fù)雜地形對電波傳播的影響作用，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)將非視距通信，轉(zhuǎn)化成視距通信，進而改善鏈路質(zhì)量。需要注意的是，無人機的飛行高度不宜過高，否則容易導(dǎo)致邊緣用戶的信號強度過低，或與相鄰基站的信號覆蓋范圍發(fā)生重疊，進而影響邊緣用戶性能。因此，在構(gòu)建無人機通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，要合理控制無人機飛行高度。

（1）容量與覆蓋擴展場景

在實際設(shè)計過程中，若地面基站的覆蓋能力不足，可通過增加無人機基站來達到提升網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋性能、增加用戶速率的效果，具體擴展優(yōu)化場景如圖1所示。

擴展后的場景中，地面基站、無人機用戶以及無人機基站位置，采用獨立的二維泊松點過程確定，在相關(guān)仿真平臺之上模擬擴展場景，發(fā)現(xiàn)采用此種定位方法，當兩個泊松點距離十分近時，不能做到確切模擬真實基站分布。但是，現(xiàn)階段泊松點過程確定方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能評估中。建模后的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，性能與真實基站部署性能最為接近。

圖1 無人機容量與覆蓋擴展場景

在無人機通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，信道的大尺度路徑損耗必須重點考慮，而陰影衰落以及小尺度衰落則可以忽略不計。在空間信道模型構(gòu)建過程中，路徑損耗的計算公式如下：

式中：為傳輸信號的波長；為路徑損耗因子；為基站與無人機用戶之間的距離（單位：m）。在模擬過程中，用戶的接收信號強度，應(yīng)該是路徑損耗與發(fā)射功率、天線增益的總和。若基站之間的頻率完全復(fù)用，則用戶受到的干擾，應(yīng)為基站信號強度的總和，計算用戶的SINR如下：

式中：P為用戶有用信號；P為干擾信號，P則為熱噪聲。

利用信道質(zhì)量情況中的大尺度衰落特性，靈活調(diào)整傳輸數(shù)據(jù)，通過調(diào)制與編碼的方式，讓接收機有效反饋信道質(zhì)量。在實際建模過程中，距離基站更近的用戶，常常會被賦予更高的調(diào)制方式與編碼速率，如64?QM、3/4?Turbo碼率；針對邊緣用戶，則為其賦予的調(diào)制方式與編碼速率較低，如QPSK、1/2?Turbo碼率。

基于無人機通信網(wǎng)絡(luò)平臺的特性，在無人機基站部署方案的制訂過程中，保持基站派發(fā)給每個用戶的發(fā)送功率不變。與此同時，調(diào)制與編碼的方式，可以空間信道模型計算后的實際結(jié)果為依據(jù)，利用現(xiàn)有條件進行自適應(yīng)改變[2]。在部署方案制訂過程中，假設(shè)誤碼率一定，在這種條件之下，設(shè)置高階調(diào)制要求，其中信噪比與編碼速率都要得到大幅度提升，依據(jù)一般情況下，距離基站較近的用戶的信道條件也就越好這一特點，需要為其賦予更高的調(diào)制方式與編碼速率，如64?QM、5/6?Turbo碼率；在相同條件之下，用戶距離基站越遠，其信道條件也就越差，必須相應(yīng)降低調(diào)制方式與編碼效率。目前，在無人機仿真平臺中，所支持的調(diào)制方式與編碼速率為15種。

（2）應(yīng)急通信場景

構(gòu)建無人機通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之后，如果地面基站受到自然災(zāi)害等的侵襲，無法正常工作，則能夠啟動無人機基站，形成如圖2所示的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，以保證用戶能夠正常通信。

圖2 應(yīng)急通信場景

在自然災(zāi)害發(fā)生之前，無人機通信網(wǎng)絡(luò)當中，只存在地面宏基站，正常為移動用戶提供相關(guān)服務(wù)；在災(zāi)害發(fā)生之后，地面基站受到嚴重損壞，無法正常工作。這種情況下，就需要在無人機通信網(wǎng)絡(luò)中，布置無人機基站持續(xù)為地面用戶進行服務(wù)，以保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。布置過程中，通信模塊的參數(shù)設(shè)置，需要與無人機網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋擴展場景參數(shù)設(shè)置同步。

3 無人機通信網(wǎng)絡(luò)的仿真分析

在研究無人機通信網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋擴展場景時，在給定的仿真區(qū)域，改變無人機的基站部署密度，或調(diào)整無人機的飛行高度，明確相關(guān)因素對網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋性能的影響效果。仿真模型構(gòu)建時，地面基站作為TDD-LTE基站，無人機的通信方式，與地面蜂窩基站相同。最終的系統(tǒng)目標，是通過理想無線回傳的方式，實現(xiàn)與核心網(wǎng)絡(luò)的連接，并從中獲取數(shù)據(jù)為用戶服務(wù)。在整個無人機通信網(wǎng)絡(luò)當中，無人機與地面LTE站之間頻率相同，導(dǎo)致了一定程度的同頻干擾現(xiàn)象，仿真結(jié)果中的網(wǎng)絡(luò)容量，可通過用戶平均速率來確定。仿真過程中需要的參數(shù)及配置如表1所示。

（1）覆蓋擴展

經(jīng)過仿真之后，在無人機差異化基站部署密度以及飛行高度之下，用戶的平均速率以及無人機通信網(wǎng)絡(luò)中覆蓋盲區(qū)的用戶占總數(shù)的百分比，也會發(fā)生相應(yīng)的變化[3]。依據(jù)模擬仿真的試驗，當無人機基站數(shù)量分別為100個、200個、300個時，在相同無人機基站數(shù)量的情況下，隨著無人機飛行高度的不斷升高，用戶的平均速率變化呈現(xiàn)為先增加、后降低的變化趨勢；而在相同無人機基站部署狀況之下，隨著無人機高度的升高，覆蓋盲區(qū)用戶占比則隨之持續(xù)降低。

表1 仿真參數(shù)及配置 仿真參數(shù)參考取值 仿真范圍40?km×40?km 系統(tǒng)帶寬/MHz20 地面基站、用戶個數(shù)/個10、4?900 地面基站發(fā)射功率/dBm46 地面基站到用戶的路徑損耗3.3 無人機到用戶的路徑損耗2.6 無人機基站發(fā)射功率/dBm35 TDD幀結(jié)構(gòu)配比2∶2 載波頻率/GHz2.1 天線增益/dBi5

在無人機通信網(wǎng)絡(luò)中，隨著無人機基站的數(shù)量增加，每個基站的負載相應(yīng)降低，用戶可使用的資源則隨之增加；在無人機基站數(shù)量增加的同時，用戶與服務(wù)基站的距離也被拉近，顯著提升了鏈路性能。另外，無人機飛行高度增加，也就意味著天線高度增加，無人機基站的覆蓋面積也就相應(yīng)增加，由此網(wǎng)絡(luò)容量與網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的擴張，能夠為更多的用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。但要有效控制無人機高度，避免相鄰基站覆蓋范圍重合現(xiàn)象，降低干擾強度，并在提升網(wǎng)絡(luò)容量時，保證對邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量。

（2）應(yīng)急通信

上述無人機通信網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋性能優(yōu)化中，提到了無人機通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信。在仿真過程中，同樣要考慮自然災(zāi)害對地面基站的嚴重影響效果，利用若干無人機基站構(gòu)成的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，為地面用戶繼續(xù)提供相關(guān)服務(wù)。在仿真建模過程中，可以改變無人機基站的數(shù)量與高度，探究最佳無人機部署方案，以保證地面用戶的通信能夠享受正常服務(wù)。

在模擬試驗過程中，需要布置20地面?zhèn)€基站，采集各個基站在自然災(zāi)害發(fā)生前，相關(guān)用戶的平均速率，為后期的試驗對比提供參考；分別模擬15個、20個、25個無人機基站部署方案，變化參數(shù)為無人機飛行高度，最終以用戶的平均速率來反映試驗結(jié)果。模擬試驗現(xiàn)象表示，隨著無人機基站的部署密度增加，用戶的平均速率也隨之增加；當無人機基站密度相同時，隨著無人機飛行高度的增加，用戶的平均速率呈現(xiàn)為先升高后降低的趨勢[4]。最終得出最優(yōu)應(yīng)急部署方案，即設(shè)置20個無人機基站進行部署，保證無人機的飛行高度在100～200?m之間，同時保證無人機通信網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋性能。

利用上述系統(tǒng)級仿真，能夠得出在地面基站密度較低的情況下，隨著無人機基站部署密度的增加，網(wǎng)絡(luò)容量與覆蓋能力相應(yīng)增強；在相同的密度之下，無人機本身的飛行高度也會影響無人機通信網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋性能。因此，通過無人機基站優(yōu)化部署的方式，確實能夠達到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)容量與網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的效果，進而為用戶提供正常的通信服務(wù)。

4 結(jié)束語

綜上所述，關(guān)于無人機通信網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋性能的分析，有利于推動現(xiàn)階段相關(guān)研究的不斷深入。通過建立相關(guān)仿真模型，能夠進一步明確無人機飛行高度對其網(wǎng)絡(luò)性能的重要影響，提升無人機通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價值，能夠起到重要作用。因此，在未來的研究中，以提高無人機通信網(wǎng)絡(luò)的容量與覆蓋性能為主要目標，進而全面推動相關(guān)技術(shù)的研究深入，有效優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)的更多性能，為國家應(yīng)急通信等領(lǐng)域的發(fā)展做出更多貢獻。

[1]劉重，高曉光，符小衛(wèi).基于通信與觀測聯(lián)合優(yōu)化的多無人機協(xié)同目標跟蹤控制[J/OL].控制與決策，2017（10）：1-10.

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Analysis of Capacity and Coverage Performance of UAV Communication Network

Gao Yuming

Zhongrui Communications Planning and Designing Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510630

The UAV Communication Network has shown great application advantages in the related fields. Based on this, the paper analyzes UAV communication network capacity and coverage performance, introduces the key technology of UAV, the UAV communication network communication network capacity and coverage performance, and simulation and optimization of UAV communication network analysis, in order to enhance the technical level of human-machine communication network to make an important contribution.

UAV Communication Network; network capacity; coverage performance

TN915.01

A

1009-6434（2017）11-0043-04