王磊 顧勇 仲偉志 李鵬輝 朱秋明

摘要：為了保證無(wú)人機(jī)毫米波基站多波束覆蓋區(qū)域內(nèi)通信容量的同時(shí)，降低硬件成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，本文提出采用一種基于混合波束成形結(jié)構(gòu)的波束優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法首先從多波束混合成形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，而后基于多波束總體頻譜效率最大化問(wèn)題分別對(duì)數(shù)字預(yù)編碼器和射頻移相預(yù)編碼器進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到降低系統(tǒng)射頻鏈數(shù)目的目標(biāo)。仿真試驗(yàn)表明，該波束設(shè)計(jì)方法可以在獲得較好波束增益的同時(shí)降低系統(tǒng)復(fù)雜度，從而提高無(wú)人機(jī)目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶的通信質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)基站；毫米波；波束覆蓋；波束設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN928文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.011

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（2017ZC52021）；南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地（實(shí)驗(yàn)室）開(kāi)放基金（kfjj20191501）

由于無(wú)人機(jī)具有低成本、可快速部署、廣覆蓋等特征，在農(nóng)業(yè)植保、氣象環(huán)保監(jiān)測(cè)、災(zāi)后救援、通信中繼等民用領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的角色[1-3]。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)作為空中通信基站已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。無(wú)人機(jī)空中基站平臺(tái)相較于傳統(tǒng)的地面小區(qū)基站具有一些無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[4]，如在地震、洪水、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生后，地面基礎(chǔ)通信設(shè)施遭到損壞，通信處于阻塞癱瘓的狀態(tài)，而無(wú)人機(jī)空中基站能在較短時(shí)間內(nèi)快速恢復(fù)部分應(yīng)急通信功能。此外，無(wú)人機(jī)空中基站在演唱會(huì)、城市商圈等通信需求大的熱點(diǎn)地區(qū)，可以快速部署并提供服務(wù)。因此，部署無(wú)人機(jī)空中基站己經(jīng)成為解決特定場(chǎng)景下通信困難的高效方案[5-6]。然而當(dāng)前無(wú)人機(jī)通信頻段遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來(lái)5G通信網(wǎng)絡(luò)中大連接場(chǎng)景下的多樣化業(yè)務(wù)需求，因此，擁有巨大的免許可帶寬的毫米波頻段被認(rèn)為是解決無(wú)人機(jī)通信的重要解決方案[7]。由于毫米波頻段比較高，雨霧等天氣因素會(huì)導(dǎo)致較高的路徑傳播損耗，所以使用具有強(qiáng)方向性增益的波束成形技術(shù)是彌補(bǔ)毫米波通信路徑損耗的必然趨勢(shì)[8-9]。

在以往的研究中，針對(duì)無(wú)人機(jī)基站波束覆蓋方面的研究較少。參考文獻(xiàn)[10]提出了一種基于三維波束成形的小型小區(qū)通信容量增強(qiáng)方法，這種動(dòng)態(tài)波束可以自適應(yīng)地改善接收信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)更加有效地控制干擾。但是，用這種方法產(chǎn)生的窄光束僅適用于小型蜂窩小區(qū)。參考文獻(xiàn)[11]考慮了毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和速率性能，實(shí)現(xiàn)了更高的峰值速率，但沒(méi)有提高小區(qū)邊緣速率。為了達(dá)到中心速率和邊緣速率之間的良好平衡，參考文獻(xiàn)[12]提出了一種結(jié)合正交匹配跟蹤算法的寬波束設(shè)計(jì)方法。以上研究都是針對(duì)單區(qū)域進(jìn)行波束覆蓋，當(dāng)運(yùn)用在多波束覆蓋時(shí)，會(huì)面臨較高的系統(tǒng)復(fù)雜度和硬件開(kāi)銷問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[13]和參考文獻(xiàn)[14]將射頻預(yù)編碼器與信道的相位相匹配，并將數(shù)字預(yù)編碼器設(shè)置為有效信道的迫零波束形成矢量。雖然該方法實(shí)現(xiàn)了可觀的傳輸速率總和，但在射頻鏈數(shù)目和特定頻率限制下實(shí)現(xiàn)的速率與系統(tǒng)最大容量之間仍然存在差距。

針對(duì)無(wú)人機(jī)毫米波多波束覆蓋小區(qū)中存在的系統(tǒng)復(fù)雜度較高這一問(wèn)題，本文以提高多用戶場(chǎng)景下的通信容量和降低系統(tǒng)復(fù)雜度為目標(biāo)，首先基于波束混合成形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)數(shù)字預(yù)編碼器和射頻移相預(yù)編碼器進(jìn)行設(shè)計(jì)，而后面向移相器分辨率的限制，在移相器低分辨率的條件下對(duì)預(yù)編碼器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真表明，采用的聯(lián)合波束優(yōu)化方法能有效地提高各覆蓋區(qū)域的通信容量的同時(shí)降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

1系統(tǒng)模型

3仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文采用的波束設(shè)計(jì)方法的性能，這里從波束形狀、傳輸速率等角度對(duì)該波束設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)?？紤]一個(gè)用戶數(shù)為3的多波束覆蓋場(chǎng)景?；静捎妹骊囂炀€，每個(gè)用戶擁有相同的優(yōu)先級(jí)的單天線接收，即βm= 1，？m。陣元間距為半波長(zhǎng)。

3.1波束形狀

如圖2所示，從波束形狀這一定性角度來(lái)看，本文采用的面向多用戶場(chǎng)景下的多波束設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的波束更規(guī)則，對(duì)于目標(biāo)區(qū)域覆蓋效果更優(yōu)。而傳統(tǒng)的多波束設(shè)計(jì)方法，其產(chǎn)生的波束在區(qū)域內(nèi)的波束會(huì)產(chǎn)生較大程度的畸變，影響波束覆蓋性能。

3.2傳輸速率

以上是在波束形狀的角度進(jìn)行討論，本文在相同仿真參數(shù)的條件下，同時(shí)對(duì)傳輸速率總和這一定量指標(biāo)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。圖3給出了不同方法的傳輸速率總和的仿真結(jié)果。

如圖3所示，隨著信噪比的增加，三種方法的傳輸速率都呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但本文采用的混合波束設(shè)計(jì)方法較其他兩種方法有更高的傳輸速率總和。而從圖3（a）和圖3（b）的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)射頻鏈數(shù)目增加時(shí)，各方法傳輸速率總和增加幅度不大，這意味著在設(shè)備限制的實(shí)際情況下，該波束設(shè)計(jì)方法亦能提供較高的通信質(zhì)量，從另一個(gè)側(cè)面驗(yàn)證了該方法系統(tǒng)復(fù)雜度不高。

3.3量化方法

如圖4所示，在相同分辨率的情況下，本文采用的相角量化策略獲得的傳輸速率比直接量化方法得到的速率高，展現(xiàn)了該方法的有效性，這是因?yàn)橹苯恿炕椒ㄊ歉鶕?jù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的角度直接對(duì)得到的相角進(jìn)行量化，這樣會(huì)造成較大的誤差，而本文的方法策略是在求解相角的過(guò)程中將所有可能的值帶入優(yōu)化函數(shù)，找到最優(yōu)的相角。此外在這兩種方法中，圖4也顯示了隨著分辨率的提高，傳輸速率總和增大的結(jié)果，驗(yàn)證了分辨率越高傳輸速率越高的結(jié)論。

4結(jié)論

在本文的研究中，研究重點(diǎn)考慮了無(wú)人機(jī)基站多波束覆蓋背景，針對(duì)傳統(tǒng)的多波束覆蓋場(chǎng)景下硬件成本和系統(tǒng)復(fù)雜度較高的問(wèn)題，本文從多用戶場(chǎng)景下的混合波束成形結(jié)構(gòu)入手，基于多波束總體頻譜效率最大化問(wèn)題對(duì)波束進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)比了不同波束設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)表明本文提出的面向多波束場(chǎng)景下的混合預(yù)編碼算法產(chǎn)生的波束能獲得更高的傳輸速率總和，并且針對(duì)實(shí)際中有限分辨率移相器的限制，提出的改進(jìn)的相角量化方法相較于經(jīng)典的直接量化相角方法得到的波束具有更高的傳輸速率，為未來(lái)無(wú)人機(jī)毫米波基站多波束覆蓋的研究應(yīng)用中提供了一定的參考意義。

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（責(zé)任編輯王為）

作者簡(jiǎn)介

王磊（1995-）男，碩士。主要研究方向：無(wú)人機(jī)毫米波通信。

Tel：15651018770E-mail：wangleinuaa@nuaa.edu.cn

顧勇（1996-）男，碩士。主要研究方向：毫米波波束搜索與人工智能等。

Tel：18795992020E-mail：1475510462@qq.com

仲偉志（1980-）女，副教授。主要研究方向：毫米波通信與MIMO技術(shù)等。

Tel：13951976651E-mail：zhongwz@nuaa.edu.cn

李鵬輝（1996-）男，碩士。主要研究方向：波束跟蹤。

Tel：15852929506

E-mail：2846745479@qq.com

朱秋明（1979-）男，副教授。主要研究方向：電波傳播環(huán)境測(cè)試、航空數(shù)據(jù)鏈技術(shù)等。

Tel：13913949577E-mail：zhuqiuming@nuaa.edu.cn

Multi-Beam Optimization Design for UAV Millimeter Wave Base Stations

Wang Lei*，Gu Yong，Zhong Weizhi，Li Penghui，Zhu Qiuming

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： In order to ensure the communication capacity in the multi-beam coverage area of the UAV millimeter wave base station and reduce the hardware cost and system complexity， a beam optimization design method based on a hybrid beamforming structure is proposed. This method starts with the structure of the multi-beam hybrid forming system， and then designs the digital precoder and the RF phase-shifted precoder based on the problem of maximizing the overall spectral efficiency of the multibeam to achieve the goal of reducing the number of system RF chains. Simulation experiments show that the beam design method can achieve better beam gain while reducing system complexity， thereby improving the communication quality of users in the target coverage area of the UAV.

Key Words： UAV base station； millimeter wave； beam coverage； beam design