馮魯桐 姜君 楊威

摘要：目前，隨著全球蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求的增加，無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合可以用一種成本更為低廉，但又具有高度移動(dòng)性的手段支撐無(wú)人飛行器，并且還提供了建立新的專(zhuān)用地面網(wǎng)絡(luò)的可能性。在城市中流量熱點(diǎn)密集的地區(qū)，傳統(tǒng)蜂窩基站的覆蓋范圍不能滿(mǎn)足需求時(shí)，無(wú)人機(jī)可依據(jù)其高靈活性與部署方便的特點(diǎn)快速對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行覆蓋和業(yè)務(wù)分流，具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。無(wú)人機(jī)作為空中基站（Aerial Base Station，ABS），當(dāng)熱點(diǎn)區(qū)域存在多樣或大量的服務(wù)需求時(shí)，可幫助地面宏基站提供高速率的數(shù)據(jù)覆蓋。而且如果區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)流量聚集或者超負(fù)載，無(wú)人機(jī)蜂窩基站還可以實(shí)現(xiàn)緩和下行流量的擁塞狀況。此外，同時(shí)被無(wú)人機(jī)蜂窩基站和宏基站籠蓋的地區(qū)用戶(hù)在選擇服務(wù)時(shí)，可以依據(jù)用戶(hù)優(yōu)先級(jí)、信號(hào)強(qiáng)度信息或者與基站的距離信息選擇宏基站服務(wù)或無(wú)人機(jī)機(jī)載基站。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);通信網(wǎng)絡(luò);規(guī)劃分析

1無(wú)人機(jī)基站通信網(wǎng)絡(luò)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(yù)算。覆蓋區(qū)域的劃界是根據(jù)用戶(hù)分布和等待被覆蓋的目標(biāo)區(qū)域中用戶(hù)對(duì)通信服務(wù)的需求對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行的，從而可以初步估計(jì)無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)基站，對(duì)于評(píng)估后續(xù)無(wú)人機(jī)基站部署方案的合理性有很大幫助。對(duì)于無(wú)人機(jī)基站的傳播模型，無(wú)人機(jī)基站在空中的通信使用空對(duì)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(wú)人機(jī)基站與地面的通信使用空對(duì)地信道（Air-To-Ground，A2G），由Los鏈路和NLos鏈路組成。鏈路預(yù)算是覆蓋規(guī)劃中起到關(guān)鍵性作用的部分，它計(jì)算了無(wú)人機(jī)基站在整個(gè)通信過(guò)程中，信號(hào)出現(xiàn)加成和消耗，即在滿(mǎn)足用戶(hù)需求的情況下在通信連接中能夠出現(xiàn)的最大傳輸損耗，之后結(jié)合信道傳播損耗模型來(lái)確定無(wú)人機(jī)基站的覆蓋半徑，并計(jì)算單個(gè)無(wú)人機(jī)基站的覆蓋區(qū)域。要計(jì)算無(wú)人機(jī)基站的鏈路損耗及其覆蓋能力，首先計(jì)算通信過(guò)程中最大允許的路徑損耗，一般需要針對(duì)上行和下行鏈路分別計(jì)算。對(duì)于上行鏈路，最大允許路徑損耗由無(wú)人機(jī)基站接收靈敏度、天線(xiàn)增益、地面用戶(hù)終端發(fā)射功率、天線(xiàn)增益等參數(shù)計(jì)算得出。下行鏈路的發(fā)起方是無(wú)人機(jī)基站，接收器是地面用戶(hù)，所以在計(jì)算上與上行鏈路的相反。無(wú)人機(jī)基站的籠罩范圍通常受上行鏈路的限制，因此本文僅對(duì)上行鏈路進(jìn)行預(yù)算。

上行鏈路最大允許路徑損耗計(jì)算公式：

其中，Pt為地面用戶(hù)終端發(fā)射功率，Gt為發(fā)射終端天線(xiàn)增益，Gr為接收終端天線(xiàn)增益，Pr為無(wú)人機(jī)基站接收靈敏度，Lc為饋線(xiàn)損耗，rth為信噪比門(mén)限。

A2G 信道鏈路損耗計(jì)算公式如下：

其中，ηLos和ηNLos分別是Los鏈路和NLos鏈路的過(guò)度路徑損耗。a和b是Sigmoid曲線(xiàn)函數(shù)的參數(shù);θ為弧度角，表示無(wú)人機(jī)基站到地面用戶(hù)的通信仰角。d為無(wú)人機(jī)基站與地面用戶(hù)在水平面上的距離;f為系統(tǒng)頻率;c是光速。當(dāng)鏈路損耗為最大允許鏈路損耗時(shí)，無(wú)人機(jī)基站與地面用戶(hù)在水平面上的距離d代表無(wú)人機(jī)基站的覆蓋半徑。

根據(jù)最大允許鏈路損耗和鏈路損耗的計(jì)算公式，可以計(jì)算出無(wú)人機(jī)基站覆蓋半徑R和無(wú)人機(jī)基站到地面用戶(hù)的通信仰角θ的方程。我們知道，當(dāng)無(wú)人機(jī)基站部署在最佳部署高度時(shí)，無(wú)人機(jī)基站的覆蓋能力最強(qiáng)，因此可以計(jì)算出無(wú)人機(jī)基站的最大覆蓋半徑。此外，還需要計(jì)算通信信號(hào)在A(yíng)2A信道中傳播時(shí)的鏈路損耗，進(jìn)而得到無(wú)人機(jī)基站之間的通信距離。利用自由空間路徑損耗模型計(jì)算A2A信道的鏈路損耗，其計(jì)算公式如下：

dc：空中無(wú)人機(jī)基站間的通信距離，f：系統(tǒng)頻率?？梢詮淖畲笤试S路徑損耗中獲取空中無(wú)人機(jī)基站之間的通信距離，就像計(jì)算無(wú)人機(jī)基站對(duì)地面通信的覆蓋半徑一樣。

1.2容量規(guī)劃

無(wú)人機(jī)基站無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的能力可以直接反映其承載能力。而能影響系統(tǒng)容量的因素有很多，其中就包括了無(wú)人機(jī)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(duì)容量的規(guī)劃是要結(jié)合覆蓋規(guī)劃一起的，先對(duì)指定區(qū)域中的通信服務(wù)進(jìn)行大致的分析，以此估計(jì)需要多少無(wú)人機(jī)基站，才能夠滿(mǎn)足目標(biāo)區(qū)域中的通信需求。在無(wú)人機(jī)基站網(wǎng)絡(luò)中，通常情況無(wú)人機(jī)基站配置是可以滿(mǎn)足目標(biāo)區(qū)域的容量需求的，因此本文中參考的都是滿(mǎn)足目標(biāo)區(qū)域用戶(hù)的容量需求而配置的無(wú)人機(jī)基站。

1.3頻率分析

挑選適合的頻率時(shí)，不僅要知道無(wú)人機(jī)傳輸信號(hào)的帶寬要求、每個(gè)頻段的無(wú)線(xiàn)電波傳播特性，還要對(duì)無(wú)人機(jī)的尺寸、天線(xiàn)的尺寸以及通信設(shè)備的功率有清晰的了解。

第一，短波頻段。這個(gè)頻段主要依靠電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)視線(xiàn)傳播。這個(gè)頻段下通信系統(tǒng)的功率和尺寸通?？梢詽M(mǎn)足無(wú)人機(jī)的要求。但是，在有限的帶寬限制下，無(wú)法用于傳輸電視圖像的情況，不過(guò)傳輸單個(gè)固定的電視圖像是完全可行的。根據(jù)傳播特點(diǎn)，在此范圍內(nèi)可用的高頻帶通常在2?12 MHz之內(nèi)。

第二，超短波、微波部分的頻率（30 MHz）覆蓋的距離比較長(zhǎng)，這是因?yàn)檫@個(gè)頻段可以由低頻部分進(jìn)行衍射傳播。不過(guò)衍射傳播功率水平較高，無(wú)人機(jī)的功率不能實(shí)現(xiàn)，并且這個(gè)頻段需要較大尺寸的天線(xiàn)，所以在無(wú)人機(jī)使用這個(gè)頻段時(shí)較少的。

第三，微波頻段。該頻段是無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)中用的比較多的，相比短波鏈路，微波鏈路因?yàn)榭捎脦捀?，所以運(yùn)動(dòng)圖像傳輸能力比較好;此外，微波鏈路的天線(xiàn)尺寸也是相對(duì)較小的?？砂惭b在無(wú)人機(jī)上的微波鏈路有許多主要應(yīng)用頻段，如Ku頻段、X頻段、C頻段和S頻段。微波電路的劣勢(shì)是視線(xiàn)傳播，這在很大程度上限制了覆蓋范圍，不過(guò)因?yàn)闊o(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(shù)據(jù)傳輸，用途上主要是長(zhǎng)距離間的傳輸。通過(guò)衛(wèi)星通信能夠給無(wú)人機(jī)提供規(guī)模較大的數(shù)據(jù)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(shù)量、租賃民用寬帶衛(wèi)星的成本以及用于長(zhǎng)距離鏈路傳輸?shù)某咴鲆嫣炀€(xiàn)的可用性都是戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足的條件。目前寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈主要受限于高空長(zhǎng)途戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)，要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢退俣取５?，由于?zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)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(jù)無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的功能要求以及戰(zhàn)場(chǎng)電磁干擾和保密的要求（根據(jù)國(guó)家無(wú)線(xiàn)電頻率劃分）來(lái)選擇合適的頻率。

2算法場(chǎng)景仿真

首先通過(guò)k-means算法將地面所有用戶(hù)劃分成K個(gè)族群，然后檢測(cè)每個(gè)集群用戶(hù)的數(shù)量，如果一個(gè)簇中的用戶(hù)數(shù)量大于無(wú)人機(jī)最大服務(wù)數(shù)量L，則添加派遣一個(gè)無(wú)人機(jī)基站來(lái)援助服務(wù)。而后，我們將所有的用戶(hù)劃分為新的K=K+1個(gè)簇，并檢測(cè)每個(gè)簇的用戶(hù)數(shù)，直到每簇中的用戶(hù)數(shù)不超過(guò)L，算法結(jié)束。最終k的值為所需部署的基站的數(shù)量，每個(gè)簇的中心位置為無(wú)人機(jī)基站在地面用戶(hù)間的水平投影位置。然后通過(guò)多維空間中的歐幾里得公式計(jì)算每個(gè)無(wú)人機(jī)基站的覆蓋半徑，其值等于無(wú)人機(jī)基站的水平投影點(diǎn)到簇中離它最遠(yuǎn)的用戶(hù)之間的距離。

根據(jù)K-means算法獲得以上無(wú)人機(jī)基站的水平投影位置，而后以路徑損耗最小化為目標(biāo)，獲取基站部署高度。我們對(duì)城市環(huán)境下的無(wú)人機(jī)基站高度與路徑損耗關(guān)系進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)比不同覆蓋半徑下的二者關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著無(wú)人機(jī)基站高度的上升，其路徑損耗值先單調(diào)減小，而后又單調(diào)上升，并不是單調(diào)關(guān)系，即存在一個(gè)最小的路徑損耗值使得發(fā)射功率最小化，從而達(dá)到位置優(yōu)化的目的。此時(shí)，最小路徑損耗值對(duì)應(yīng)的基站高度，便是我們應(yīng)當(dāng)部署的位置高度。

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