空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)中的高能效頻譜共享方法

李俊峰 劉承驍 馮偉 葛寧

【摘 ?要】

空天地海一體化是后5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，是支撐偏遠(yuǎn)地區(qū)、近海等區(qū)域?qū)拵畔⒏采w的重要手段，其中各子系統(tǒng)共享頻譜會(huì)引入同頻干擾，降低協(xié)同覆蓋性能。為此，考慮無(wú)人機(jī)編隊(duì)和衛(wèi)星系統(tǒng)的頻譜共享問(wèn)題，研究高能效資源分配技術(shù)，基于隨機(jī)矩陣?yán)碚摵头謮K坐標(biāo)下降方法，提出功率和頻譜資源的聯(lián)合分配算法。仿真結(jié)果表明，所提算法可有效保證頻譜共享性能，提升無(wú)人機(jī)編隊(duì)通信的能量效率。

【關(guān)鍵詞】空天地海一體化網(wǎng)絡(luò);頻譜共享;無(wú)人機(jī)編隊(duì);資源分配;能量效率

0 ? 引言

隨著5G的全球商用，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入新的發(fā)展階段。與3G、4G網(wǎng)絡(luò)不同，5G支持高可靠、低時(shí)延、大連接等新型業(yè)務(wù)，在服務(wù)人的通信需求的同時(shí)，可有效服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的傳感器、操作手、智能體等。新的服務(wù)對(duì)象常常超出人的常規(guī)活動(dòng)范圍，分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)或近海等區(qū)域，如運(yùn)油管線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、海上探測(cè)浮標(biāo)、海上鉆井平臺(tái)控制器等。但當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)仍以城區(qū)、部分郊區(qū)等區(qū)域的覆蓋為主，偏遠(yuǎn)地區(qū)和近海區(qū)域仍普遍缺乏寬帶、高質(zhì)量的通信服務(wù)。如何消除數(shù)字鴻溝，使得網(wǎng)絡(luò)能夠有效服務(wù)可能在全球范圍廣域分布的通信對(duì)象，是推動(dòng)5G與垂直行業(yè)深度融合，并牽引未來(lái)6G發(fā)展的重要問(wèn)題。

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)6G的可能形態(tài)。綜合運(yùn)用衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、地面網(wǎng)絡(luò)等設(shè)施立體協(xié)同地高效覆蓋全球區(qū)域是空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵[1]。衛(wèi)星覆蓋范圍大，但往往通信速率有限，通信時(shí)延較大;無(wú)人機(jī)可以機(jī)動(dòng)部署，但是續(xù)航能力有限，也往往難以在極端天氣條件下部署;地面網(wǎng)絡(luò)可以直接沿用5G新技術(shù)，但是在偏遠(yuǎn)地區(qū)和近海等區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)施部署受限。因此，一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮不同子系統(tǒng)的優(yōu)劣勢(shì)，因地制宜，以開(kāi)放、彈性的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兼收并蓄各個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，形成網(wǎng)絡(luò)覆蓋的合力[1]。為實(shí)現(xiàn)一體化組網(wǎng)，首先需要解決的是頻譜使用問(wèn)題。在頻譜受限條件下，靈活地共享頻譜是必由之路。

針對(duì)單個(gè)無(wú)人機(jī)的一體化網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單場(chǎng)景，文獻(xiàn)[2]考慮無(wú)人機(jī)與地面基站的多點(diǎn)協(xié)作模型，通過(guò)優(yōu)化發(fā)射功率，提升地面用戶的服務(wù)性能，并降低對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的同頻干擾。文獻(xiàn)[3]考慮近海場(chǎng)景，在無(wú)人機(jī)對(duì)衛(wèi)星的干擾約束下，優(yōu)化無(wú)人機(jī)飛行軌跡和資源分配策略，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)船只的伴隨覆蓋。為了規(guī)避一體化網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾，文獻(xiàn)[4]嘗試采用自由空間光通信建立衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)的空中鏈路，而無(wú)人機(jī)與地面用戶的傳輸鏈路采用微波頻段通信。這些研究為一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)奠定了重要基礎(chǔ)。但是單個(gè)無(wú)人機(jī)往往載荷受限，因此以多個(gè)無(wú)人機(jī)構(gòu)成無(wú)人機(jī)編隊(duì)是提升網(wǎng)絡(luò)機(jī)動(dòng)覆蓋能力的可行途徑。文獻(xiàn)[5]考慮兩個(gè)無(wú)人機(jī)協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的方案，實(shí)現(xiàn)災(zāi)后地區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)的快速重建。文獻(xiàn)[6]考慮使用多個(gè)無(wú)人機(jī)構(gòu)成空中多小區(qū)，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整無(wú)人機(jī)發(fā)射功率，提升無(wú)人機(jī)編隊(duì)通信的能量效率。由于空間分布更廣，無(wú)人機(jī)編隊(duì)在一體化網(wǎng)絡(luò)中的頻譜共享會(huì)帶來(lái)更復(fù)雜的同頻干擾，這是現(xiàn)有研究尚未有效解決的問(wèn)題。

本文考慮無(wú)人機(jī)編隊(duì)與衛(wèi)星共享頻譜的一體化網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，研究無(wú)人機(jī)載荷約束下，無(wú)人機(jī)編隊(duì)功率和頻域子信道的聯(lián)合分配問(wèn)題，從而滿足無(wú)人機(jī)編隊(duì)對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾約束，并最大化無(wú)人機(jī)編隊(duì)的通信能量效率。本文特色在于：第一，僅僅基于緩慢變化的大尺度信道信息進(jìn)行資源分配優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而顯著降低系統(tǒng)開(kāi)銷;第二，所提出的迭代資源分配方法借助隨機(jī)矩陣?yán)碚摵头謮K坐標(biāo)下降方法，計(jì)算簡(jiǎn)便，并可以快速收斂，適于工程應(yīng)用。

1 ? 系統(tǒng)模型

如圖1所示，考慮近海區(qū)域的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)。其中岸基基站覆蓋近海百公里以內(nèi)的區(qū)域;海事衛(wèi)星全域覆蓋，但以遠(yuǎn)海用戶為主;無(wú)人機(jī)編隊(duì)以按需方式部署，填補(bǔ)岸基網(wǎng)絡(luò)的寬帶覆蓋盲區(qū)[1]。無(wú)人機(jī)編隊(duì)往往在大范圍內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)，衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋范圍也很大，這使得無(wú)論衛(wèi)星還是無(wú)人機(jī)編隊(duì)，如果獨(dú)占一段頻譜，則該段頻譜在全網(wǎng)無(wú)法被有效復(fù)用。因此，考慮無(wú)人機(jī)編隊(duì)和衛(wèi)星共享頻譜的場(chǎng)景[7]。

3 ? 仿真驗(yàn)證與討論

考慮可用子信道數(shù)目為N=6，噪聲功率σ2=-107 dBm。信道參數(shù)設(shè)置為：ηLOS=0.1，ηNLOS=21，a=5.018 8，b=0.351 1，c=3×108 m/s，f=2 GHz[8]。關(guān)于能耗參數(shù)設(shè)置為：c0=2.63，ηk=0.08[6]，Phover=800 W，Na=6。

仿真結(jié)果表明，利用經(jīng)典線性規(guī)劃工具求解優(yōu)化問(wèn)題5可以得到滿足離散約束的優(yōu)化問(wèn)題3的最優(yōu)解。同時(shí)，所提算法僅需要2次迭代就能收斂，適于軟硬件受限條件下的工程應(yīng)用。

為對(duì)比性能，考慮子信道分配的KM算法[10]和輪詢算法、本文算法1、以及等功率分配方法[6]等多種算法的組合。在Pb=-100 dBm，K=3條件下，得到圖2。從仿真結(jié)果可以看出，在均使用迭代功率分配算法的條件下，本文算法與能夠得到最優(yōu)匹配方案的KM算法具有幾乎相同的性能，同時(shí)其性能遠(yuǎn)好于輪詢算法。除此之外，本文提出的算法由于使用了迭代功率分配，性能遠(yuǎn)好于其他使用等功率分配的方法。這一結(jié)果表明，基于大尺度信道信息的子信道和功率聯(lián)合分配算法對(duì)于一體化網(wǎng)絡(luò)中無(wú)人機(jī)編隊(duì)能量效率提升均具有顯著作用。

在N=5，Pk=1 W條件下，考慮系統(tǒng)總能效隨無(wú)人機(jī)編隊(duì)高度和干擾門限Pb的變化關(guān)系，如圖3所示。可以看出，隨著無(wú)人機(jī)編隊(duì)平均高度的增加，系統(tǒng)總能量效率先升后降。在高度較低時(shí)，無(wú)人機(jī)通信的俯仰角對(duì)信道衰減起主要作用，系統(tǒng)能效隨高度升高而減小;而在高度較高時(shí)，由遠(yuǎn)距離傳輸引發(fā)的自由空間路徑損耗的影響更大，使得信道衰減隨高度升高而增大，能量效率也會(huì)隨之降低。此外，從曲線中還可以看出，無(wú)人機(jī)編隊(duì)的最佳高度會(huì)隨著干擾門限的變化而變化，這說(shuō)明在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮各要素設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)飛行高度等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

4 ? 結(jié)束語(yǔ)

本文考慮空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)中無(wú)人機(jī)編隊(duì)與衛(wèi)星共享頻譜的資源分配問(wèn)題。基于慢變大尺度信道信息，提出了功率-子信道聯(lián)合分配算法?？稍跐M足同頻干擾約束下，顯著提升無(wú)人機(jī)編隊(duì)通信的能量效率。

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