基于無人機的通信網絡關鍵問題與優(yōu)化研究

馮魯桐 姜君 楊威

摘要：目前，隨著全球蜂窩網絡覆蓋需求的增加，無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）和蜂窩網絡的結合可以用一種成本更為低廉，但又具有高度移動性的手段支撐無人飛行器，并且還提供了建立新的專用地面網絡的可能性。在城市中流量熱點密集的地區(qū)，傳統蜂窩基站的覆蓋范圍不能滿足需求時，無人機可依據其高靈活性與部署方便的特點快速對熱點區(qū)域進行覆蓋和業(yè)務分流，具有廣闊的應用場景。無人機作為空中基站（Aerial Base Station，ABS），當熱點區(qū)域存在多樣或大量的服務需求時，可幫助地面宏基站提供高速率的數據覆蓋。而且如果區(qū)域內出現流量聚集或者超負載，無人機蜂窩基站還可以實現緩和下行流量的擁塞狀況。此外，同時被無人機蜂窩基站和宏基站籠蓋的地區(qū)用戶在選擇服務時，可以依據用戶優(yōu)先級、信號強度信息或者與基站的距離信息選擇宏基站服務或無人機機載基站。

關鍵詞：無人機;通信網絡;規(guī)劃分析

1無人機基站通信網絡規(guī)劃分析

1.1覆蓋規(guī)劃

覆蓋規(guī)劃有覆蓋區(qū)域劃分、傳播模型分析和鏈路預算。覆蓋區(qū)域的劃界是根據用戶分布和等待被覆蓋的目標區(qū)域中用戶對通信服務的需求對目標區(qū)域進行的，從而可以初步估計無人機基站的總體部署情況。比如需要考慮在通信要求密集的區(qū)域部署更多的無人機基站，對于評估后續(xù)無人機基站部署方案的合理性有很大幫助。對于無人機基站的傳播模型，無人機基站在空中的通信使用空對空信道（Air-To-Air，A2A），即Los鏈路，只考慮自由空間的路徑損耗，而無人機基站與地面的通信使用空對地信道（Air-To-Ground，A2G），由Los鏈路和NLos鏈路組成。鏈路預算是覆蓋規(guī)劃中起到關鍵性作用的部分，它計算了無人機基站在整個通信過程中，信號出現加成和消耗，即在滿足用戶需求的情況下在通信連接中能夠出現的最大傳輸損耗，之后結合信道傳播損耗模型來確定無人機基站的覆蓋半徑，并計算單個無人機基站的覆蓋區(qū)域。要計算無人機基站的鏈路損耗及其覆蓋能力，首先計算通信過程中最大允許的路徑損耗，一般需要針對上行和下行鏈路分別計算。對于上行鏈路，最大允許路徑損耗由無人機基站接收靈敏度、天線增益、地面用戶終端發(fā)射功率、天線增益等參數計算得出。下行鏈路的發(fā)起方是無人機基站，接收器是地面用戶，所以在計算上與上行鏈路的相反。無人機基站的籠罩范圍通常受上行鏈路的限制，因此本文僅對上行鏈路進行預算。

上行鏈路最大允許路徑損耗計算公式：

其中，Pt為地面用戶終端發(fā)射功率，Gt為發(fā)射終端天線增益，Gr為接收終端天線增益，Pr為無人機基站接收靈敏度，Lc為饋線損耗，rth為信噪比門限。

A2G 信道鏈路損耗計算公式如下：

其中，ηLos和ηNLos分別是Los鏈路和NLos鏈路的過度路徑損耗。a和b是Sigmoid曲線函數的參數;θ為弧度角，表示無人機基站到地面用戶的通信仰角。d為無人機基站與地面用戶在水平面上的距離;f為系統頻率;c是光速。當鏈路損耗為最大允許鏈路損耗時，無人機基站與地面用戶在水平面上的距離d代表無人機基站的覆蓋半徑。

根據最大允許鏈路損耗和鏈路損耗的計算公式，可以計算出無人機基站覆蓋半徑R和無人機基站到地面用戶的通信仰角θ的方程。我們知道，當無人機基站部署在最佳部署高度時，無人機基站的覆蓋能力最強，因此可以計算出無人機基站的最大覆蓋半徑。此外，還需要計算通信信號在A2A信道中傳播時的鏈路損耗，進而得到無人機基站之間的通信距離。利用自由空間路徑損耗模型計算A2A信道的鏈路損耗，其計算公式如下：

dc：空中無人機基站間的通信距離，f：系統頻率。可以從最大允許路徑損耗中獲取空中無人機基站之間的通信距離，就像計算無人機基站對地面通信的覆蓋半徑一樣。

1.2容量規(guī)劃

無人機基站無線通信系統的能力可以直接反映其承載能力。而能影響系統容量的因素有很多，其中就包括了無人機基站本身的軟硬件配置、帶寬資源的劃分和整體的通信環(huán)境。對容量的規(guī)劃是要結合覆蓋規(guī)劃一起的，先對指定區(qū)域中的通信服務進行大致的分析，以此估計需要多少無人機基站，才能夠滿足目標區(qū)域中的通信需求。在無人機基站網絡中，通常情況無人機基站配置是可以滿足目標區(qū)域的容量需求的，因此本文中參考的都是滿足目標區(qū)域用戶的容量需求而配置的無人機基站。

1.3頻率分析

挑選適合的頻率時，不僅要知道無人機傳輸信號的帶寬要求、每個頻段的無線電波傳播特性，還要對無人機的尺寸、天線的尺寸以及通信設備的功率有清晰的了解。

第一，短波頻段。這個頻段主要依靠電離層反射實現遠距離無視線傳播。這個頻段下通信系統的功率和尺寸通?？梢詽M足無人機的要求。但是，在有限的帶寬限制下，無法用于傳輸電視圖像的情況，不過傳輸單個固定的電視圖像是完全可行的。根據傳播特點，在此范圍內可用的高頻帶通常在2?12 MHz之內。

第二，超短波、微波部分的頻率（30 MHz）覆蓋的距離比較長，這是因為這個頻段可以由低頻部分進行衍射傳播。不過衍射傳播功率水平較高，無人機的功率不能實現，并且這個頻段需要較大尺寸的天線，所以在無人機使用這個頻段時較少的。

第三，微波頻段。該頻段是無人機通信系統中用的比較多的，相比短波鏈路，微波鏈路因為可用帶寬更高，所以運動圖像傳輸能力比較好;此外，微波鏈路的天線尺寸也是相對較小的?？砂惭b在無人機上的微波鏈路有許多主要應用頻段，如Ku頻段、X頻段、C頻段和S頻段。微波電路的劣勢是視線傳播，這在很大程度上限制了覆蓋范圍，不過因為無人機的范圍通常為100至300km，因此空中中繼站是肯定必需的，可以是中繼無人機或中繼衛(wèi)星。

第四，衛(wèi)星通信頻段。衛(wèi)星通信是指由人造地球衛(wèi)星作為中繼站的微波數據傳輸，用途上主要是長距離間的傳輸。通過衛(wèi)星通信能夠給無人機提供規(guī)模較大的數據傳輸覆蓋范圍。但衛(wèi)星通信鏈路的使用也受到一定程度的限制，例如，軍事通信衛(wèi)星的數量、租賃民用寬帶衛(wèi)星的成本以及用于長距離鏈路傳輸的超高增益天線的可用性都是戰(zhàn)術無人機無法滿足的條件。目前寬帶衛(wèi)星數據鏈主要受限于高空長途戰(zhàn)略無人機，要長時間穩(wěn)定的保障數據傳輸的容量和速度。但是，由于戰(zhàn)術無人機受限于自身的尺寸和重量，衛(wèi)星通信鏈路還不是一種理想的方法。

選擇合適的頻段后，可以依據無人機通信系統的功能要求以及戰(zhàn)場電磁干擾和保密的要求（根據國家無線電頻率劃分）來選擇合適的頻率。

2算法場景仿真

首先通過k-means算法將地面所有用戶劃分成K個族群，然后檢測每個集群用戶的數量，如果一個簇中的用戶數量大于無人機最大服務數量L，則添加派遣一個無人機基站來援助服務。而后，我們將所有的用戶劃分為新的K=K+1個簇，并檢測每個簇的用戶數，直到每簇中的用戶數不超過L，算法結束。最終k的值為所需部署的基站的數量，每個簇的中心位置為無人機基站在地面用戶間的水平投影位置。然后通過多維空間中的歐幾里得公式計算每個無人機基站的覆蓋半徑，其值等于無人機基站的水平投影點到簇中離它最遠的用戶之間的距離。

根據K-means算法獲得以上無人機基站的水平投影位置，而后以路徑損耗最小化為目標，獲取基站部署高度。我們對城市環(huán)境下的無人機基站高度與路徑損耗關系進行仿真，通過對比不同覆蓋半徑下的二者關系發(fā)現，隨著無人機基站高度的上升，其路徑損耗值先單調減小，而后又單調上升，并不是單調關系，即存在一個最小的路徑損耗值使得發(fā)射功率最小化，從而達到位置優(yōu)化的目的。此時，最小路徑損耗值對應的基站高度，便是我們應當部署的位置高度。

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