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        無(wú)人機(jī)輔助空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)仿真評(píng)估*

        2022-03-03 08:57:12林尚靜1錦2冀2琲1肖志勇
        電訊技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:無(wú)定形空地中繼

        林尚靜1,田 錦2,馬 冀2,莊 琲1,肖志勇

        (1.北京郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,北京 100876;2.金陵科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院,南京 211169;3.武漢烽火技術(shù)服務(wù)有限公司,武漢 430205)

        0 引 言

        隨著近期無(wú)人機(jī)(Unmanned Aircraft Vehicle,UAV)在通信載荷性能、載荷掛載能力及續(xù)航時(shí)間等方面的飛速發(fā)展和提升,具備無(wú)線回程能力的可移動(dòng)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)因其能夠利用阻擋較少、鏈路質(zhì)量較好的空地?zé)o線視距通信鏈路資源,并且具有靈活的動(dòng)態(tài)可控部署能力,成為為未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供空間針對(duì)性服務(wù)的重要補(bǔ)充方式[1-3]。由于可移動(dòng)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的引入,傳統(tǒng)由地面固定蜂窩基站所構(gòu)成的固定蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)形態(tài)逐步呈現(xiàn)出一種隨著無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的懸停位置可動(dòng)態(tài)變化的無(wú)定形形態(tài)。

        目前,通信網(wǎng)絡(luò)正在從蜂窩化組網(wǎng)向無(wú)定形組網(wǎng)演進(jìn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)提出了超蜂窩,液體小區(qū)、彈性小區(qū)、虛擬小區(qū)以及幻影小區(qū)等無(wú)定形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

        2012年,日本NTT DoCoMo公司提出在現(xiàn)有宏蜂窩上重疊配置多種小型蜂窩的幻影小區(qū)(Phantom Cell)架構(gòu),通過(guò)同一蜂窩小區(qū)收發(fā)控制信號(hào)(控制平面)與用戶數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)平面)分離,采用低頻帶、覆蓋區(qū)域大的宏蜂窩用于控制平面,使用高頻率大低功率的小小區(qū)蜂窩負(fù)責(zé)用戶平面[4-5]。

        2013年,諾基亞西門子通信在美國(guó)無(wú)線通信展上推出了動(dòng)態(tài)無(wú)線電(Liquid Radio)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),能夠根據(jù)用戶需求共享和重新分配網(wǎng)絡(luò)容量,可為最需要的地區(qū)分配移動(dòng)寬帶容量[6-7]。

        2014年,愛(ài)立信與SK電訊聯(lián)合展示了彈性小區(qū)(Elastic Cell)技術(shù)[8]。該技術(shù)在秉承CoMP規(guī)范的基礎(chǔ)之上引入軟切換概念,實(shí)現(xiàn)了每個(gè)用戶在同一時(shí)間內(nèi)與多個(gè)基站保持通信。

        2015年,清華大學(xué)提出超級(jí)小區(qū)(Super Cell)技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)蜂窩虛擬化,降低大量相鄰小區(qū)基站參考信號(hào)重疊時(shí)產(chǎn)生的干擾[9]。

        然而,現(xiàn)有的無(wú)定形組網(wǎng)技術(shù)其組網(wǎng)仍然是依靠地面上固定部署的各種形態(tài)的蜂窩基站(宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩、毫微微蜂窩以及密集小蜂窩)之間的協(xié)同,其靈活性受限于地面基站的物理部署位置,因此需要研究更為靈活的無(wú)定形組網(wǎng)技術(shù)。

        本文提出了基于“控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋解耦”“上行傳輸和下行傳輸解耦”的空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)架構(gòu),搭建了系統(tǒng)級(jí)仿真平臺(tái),通過(guò)仿真數(shù)據(jù)以及語(yǔ)音業(yè)務(wù)論證了空地協(xié)同組網(wǎng)能夠提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

        1 空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)架構(gòu)

        1.1 控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋解耦

        傳統(tǒng)4G以及4G之前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制覆蓋與業(yè)務(wù)覆蓋是緊耦合的,用戶的控制平面連接和數(shù)據(jù)平面連接都是由同一個(gè)蜂窩基站負(fù)責(zé)。然而,控制連接通常是非并發(fā)、低速率的,而業(yè)務(wù)連接是并發(fā)、高速率的。

        5G網(wǎng)絡(luò)提出了雙連接技術(shù),用戶同時(shí)與宏基站和小蜂窩基站建立連接,由宏基站負(fù)責(zé)用戶的控制平面連接,小蜂窩基站負(fù)責(zé)用戶的數(shù)據(jù)平面連接。這樣,用戶在小蜂窩之間移動(dòng),可以避免頻繁切換的問(wèn)題[10]。

        空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)是在現(xiàn)有5G控制連接和數(shù)據(jù)連接分離的基礎(chǔ)之上,在物理空間上進(jìn)行分離和優(yōu)化。由地面蜂窩基站維持基本的控制平面覆蓋(廣播、尋呼等)以保證用戶的可連通性,由無(wú)人機(jī)中繼根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求柔性地進(jìn)行布置(“效率優(yōu)先”)。

        1.2 上行傳輸與下行傳輸解耦

        傳統(tǒng)4G以及4G之前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)不僅是數(shù)據(jù)與控制共址,上下行覆蓋也是共址的,即基站所處小區(qū)的上行覆蓋和下行覆蓋完全對(duì)稱。首先,用戶與基站發(fā)射功率的不平衡性,導(dǎo)致了上下行業(yè)務(wù)的覆蓋形態(tài)的不對(duì)稱;其次,未來(lái)無(wú)線業(yè)務(wù)的一個(gè)突出特征就是上下行流量不對(duì)稱性。因此,上下行業(yè)務(wù)的最優(yōu)覆蓋形態(tài)也應(yīng)該是不對(duì)稱的。

        5G網(wǎng)絡(luò)在邏輯層面實(shí)現(xiàn)了上行覆蓋與下行覆蓋的解耦。例如,5G提出了附加上行鏈路(Supplementary Uplink,SUL)技術(shù),在小區(qū)邊緣3.5 GHz上行弱覆蓋的地方增開(kāi)1.8 GHz低頻段作為上行鏈路補(bǔ)充,從而提升5G上行覆蓋[11]。此外,中國(guó)移動(dòng)提出了超級(jí)上行技術(shù),通過(guò)在上行鏈路以時(shí)分雙工(Time Division Duplexing,TDD)使用低頻頻分雙工(Frequency Division Duplexing,FDD載波和高頻TDD載波[12]。由此可見(jiàn),5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在邏輯層面實(shí)現(xiàn)了上行覆蓋和下行覆蓋的分離。

        如圖1所示,空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)允許同一個(gè)用戶從不同的基站實(shí)現(xiàn)上行和下行的接入。例如,用戶的上行業(yè)務(wù)通過(guò)無(wú)人機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)給地面基站(無(wú)人機(jī)中繼離用戶更近,能夠增強(qiáng)用戶的上行覆蓋),下行業(yè)務(wù)由地面基站直接發(fā)送給用戶。這樣上行業(yè)務(wù)覆蓋和下行業(yè)務(wù)覆蓋就可以分別進(jìn)行獨(dú)立的優(yōu)化,從而能在確保覆蓋服務(wù)的前提下實(shí)現(xiàn)最大限度的能量節(jié)省。

        圖1 空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)架構(gòu)

        2 空地協(xié)同組網(wǎng)協(xié)議棧設(shè)計(jì)以及工作流程

        2.1 空地協(xié)同協(xié)議棧設(shè)計(jì)

        本文提出了一種異構(gòu)無(wú)人機(jī)中繼的無(wú)定形組網(wǎng)系統(tǒng)模型,其中異構(gòu)中繼系統(tǒng)指源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)之間采用不同的通信制式。無(wú)人機(jī)中繼和地面基站之間采用的接入技術(shù)為長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution,LTE)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,無(wú)人機(jī)中繼與目的用戶之間采用的接入技術(shù)為基于IEEE802.11n/g系列標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。之所以空地協(xié)同組網(wǎng)不采用同構(gòu)中繼架構(gòu),是因?yàn)楝F(xiàn)有地面蜂窩基站通常是密集組網(wǎng),而空中無(wú)人機(jī)中繼是可移動(dòng)的,如果無(wú)人機(jī)中繼采用與地面蜂窩基站相同的通信制式,那么就相當(dāng)于在地面密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入了可移動(dòng)的干擾源。因此,需要實(shí)時(shí)對(duì)可移動(dòng)無(wú)人機(jī)中繼進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署、參數(shù)配置和性能優(yōu)化,這給空地協(xié)同組網(wǎng)增加了復(fù)雜性。本文采用異構(gòu)中繼架構(gòu),無(wú)人機(jī)中繼與目的用戶之間的工作頻段是工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用(Industrial Scientific Medical,ISM)免授權(quán)頻段,而無(wú)人機(jī)中繼和地面基站之間工作頻段是授權(quán)頻段。因此,可移動(dòng)空中無(wú)人機(jī)中繼與地面蜂窩基站網(wǎng)絡(luò)之間不存在干擾。

        由于無(wú)人機(jī)中繼是異構(gòu)中繼,因此需要在用戶端實(shí)現(xiàn)雙協(xié)議棧。通常情況下,用戶端都同時(shí)支持LTE協(xié)議和IEEE802.11n/g協(xié)議,因此在硬件實(shí)現(xiàn)上不存在問(wèn)題。但是,雙協(xié)議棧之間需要通過(guò)隧道協(xié)議實(shí)現(xiàn)用戶IP數(shù)據(jù)包的透?jìng)?,因此用戶端需要軟件升?jí)。通常情況下,隧道協(xié)議可以分為鏈路層隧道協(xié)議(L2F、PPTP、L2TP)和網(wǎng)絡(luò)層隧道協(xié)議(VTP、IPSec、Socket等)。本文設(shè)計(jì)了基于LTE的分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)層隧道,在PDCP層實(shí)現(xiàn)用戶IP數(shù)據(jù)包的協(xié)議轉(zhuǎn)換,如圖2所示。具體地,在上行方向,用戶的上行IP數(shù)據(jù)包,通過(guò)LTE的PDCP層隧道,然后通過(guò)IEEE802.11協(xié)議棧將IP數(shù)據(jù)包發(fā)送給無(wú)人機(jī)中繼,無(wú)人機(jī)中繼從IEEE802.11協(xié)議棧中將IP數(shù)據(jù)包解析出來(lái),然后再次通過(guò)LTE協(xié)議棧發(fā)送至地面蜂窩基站;在下行方向,地面蜂窩基站通過(guò)LTE協(xié)議棧將用戶數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)人機(jī)中繼,無(wú)人機(jī)中繼將PDCP數(shù)據(jù)包解析出來(lái),通過(guò)PDCP層隧道,繼而通過(guò)IEEE802.11協(xié)議棧轉(zhuǎn)至用戶。

        圖2 基于隧道的異構(gòu)無(wú)人機(jī)中繼協(xié)議棧

        2.2 空地協(xié)同工作流程

        2.2.1 無(wú)人機(jī)中繼的發(fā)現(xiàn)

        對(duì)于用戶來(lái)說(shuō),需要一定的機(jī)制來(lái)識(shí)別自身是否處在無(wú)人機(jī)中繼的覆蓋范圍之內(nèi)、當(dāng)前接入無(wú)人機(jī)中繼的用戶數(shù)目,以及無(wú)人機(jī)與地面蜂窩基站之間信道質(zhì)量信息,以輔助用戶決定是否通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)平面的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。

        為了獲取上述信息,一種方法是由地面蜂窩基站通過(guò)控制平面的系統(tǒng)廣播中發(fā)送。但是,考慮到并不是所有的用戶(例如,小區(qū)中心用戶或者低速率業(yè)務(wù)用戶)都需要無(wú)人機(jī)中繼服務(wù),地面蜂窩基站通過(guò)系統(tǒng)廣播消息廣播上述信息,將大大增加不需要無(wú)人機(jī)服務(wù)的用戶周期性讀取系統(tǒng)廣播消息而產(chǎn)生的功耗。另一種方法是由 無(wú)人機(jī)中繼以beacon幀的方式進(jìn)行廣播。這時(shí)需要對(duì)beacon幀進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì),在beacon幀中添加相關(guān)信息:無(wú)人機(jī)中繼當(dāng)前所在的小區(qū)信息、當(dāng)前接入無(wú)人機(jī)中繼的用戶數(shù)目和無(wú)人機(jī)與地面蜂窩基站之間信道質(zhì)量信息。

        2.2.2 無(wú)人機(jī)中繼的激活/去激活

        用戶應(yīng)該在自身信道條件下降到一定程度后再激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。如果用戶的信道條件并沒(méi)有降低到一定程度而過(guò)早地開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼服務(wù),那么可能由于增加一跳中繼鏈路引起額外的時(shí)延導(dǎo)致開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼后用戶體驗(yàn)差于開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼前的體驗(yàn)。因此,當(dāng)用戶觸發(fā)A2事件(當(dāng)前地面蜂窩基站小區(qū)質(zhì)量比門限差),用戶開(kāi)啟異頻測(cè)量。當(dāng)開(kāi)啟異頻測(cè)量后,用戶開(kāi)始尋找合適的無(wú)人機(jī)中繼,如果 B1事件(鄰小區(qū)無(wú)人機(jī)中繼小區(qū)質(zhì)量比門限好)發(fā)生,則地面蜂窩基站會(huì)通過(guò)信令為該用戶激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù);如果A1事件(當(dāng)前地面蜂窩基站小區(qū)質(zhì)量比門限好)發(fā)生,則關(guān)閉異頻測(cè)量。

        用戶開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)之后,如果B2事件(當(dāng)前無(wú)人機(jī)中繼小區(qū)質(zhì)量比門限差,鄰小區(qū)地面蜂窩基站小區(qū)質(zhì)量比門限好)發(fā)生,地面蜂窩基站則會(huì)為該用戶去激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。

        無(wú)人機(jī)中繼激活/去激活的工作流程如圖3所示。

        圖3 無(wú)人機(jī)中繼激活/去激活工作流程

        2.2.3 無(wú)人機(jī)中繼的重新選擇

        開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的用戶可能由于自身的移動(dòng)而離開(kāi)無(wú)人機(jī)中繼的服務(wù)范圍,因此地面蜂窩基站需要及時(shí)將離開(kāi)無(wú)人機(jī)覆蓋的用戶移除源無(wú)人機(jī)的服務(wù),由用戶自行重新尋找新的合適無(wú)人機(jī)中繼,再啟動(dòng)無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。之所以需要分兩步進(jìn)行,是由于被服務(wù)用戶處于與當(dāng)前的中繼用戶連接狀態(tài)時(shí),無(wú)法接收其他中繼用戶發(fā)送的beacon幀,因而無(wú)法獲得它們的信道質(zhì)量,故無(wú)法選擇到更好的無(wú)人機(jī)上。因此,通過(guò)在當(dāng)前的中繼用戶信道下降到一定程度后主動(dòng)斷開(kāi)與此中繼用戶的連接并掃描其他中繼用戶,即可實(shí)現(xiàn)中繼用戶的重新選擇。

        3 性能仿真

        3.1 仿真平臺(tái)及環(huán)境參數(shù)設(shè)置

        本文搭建了系統(tǒng)級(jí)的仿真平臺(tái),如圖4所示。仿真考慮郊區(qū)場(chǎng)景(小區(qū)的覆蓋半徑為3 km)以及市區(qū)場(chǎng)景(小區(qū)的覆蓋半徑為500 m)。

        圖4 系統(tǒng)級(jí)仿真拓?fù)鋱D(受限與二維展示界面,空中無(wú)人機(jī)中繼無(wú)法展現(xiàn)出來(lái))

        整個(gè)空地協(xié)同通信系統(tǒng)由7個(gè)小區(qū)組成。每個(gè)小區(qū)由1個(gè)地面宏蜂窩基站、低空3個(gè)無(wú)人機(jī)中繼以及移動(dòng)用戶組成。受限于二維展示界面,低空無(wú)人機(jī)中繼無(wú)法在圖4的仿真拓?fù)渲姓宫F(xiàn)出來(lái)。無(wú)人機(jī)中繼是懸停的,為其覆蓋范圍內(nèi)無(wú)線信道質(zhì)量較差的用戶提供中繼服務(wù),其懸停規(guī)劃不在本文討論范圍之內(nèi)。移動(dòng)用戶在本小區(qū)范圍隨機(jī)游走。當(dāng)移動(dòng)用戶的無(wú)線信道質(zhì)量較差時(shí),其按照2.2節(jié)所述的激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù);當(dāng)移動(dòng)用戶無(wú)線鏈路質(zhì)量恢復(fù)或者其移動(dòng)離開(kāi)無(wú)人機(jī)中繼覆蓋范圍,其去激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。

        本文選取了數(shù)據(jù)類視頻業(yè)務(wù)和語(yǔ)音類基于IP的語(yǔ)音傳輸(Voice over IP,VoIP)業(yè)務(wù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,具體的系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

        表1 仿真參數(shù)

        3.2 無(wú)人機(jī)中繼激活成功率分析

        空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)采用控制覆蓋和業(yè)務(wù)覆蓋分離的架構(gòu),因此用戶需要先與地面蜂窩基站建立RRC信令連接之后再激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù),由無(wú)人機(jī)中繼負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)連接。一般認(rèn)為,激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的用戶通常處于陰影衰落和穿透損耗較大的區(qū)域,在這一區(qū)域中用戶建立RRC連接的過(guò)程本身就很容易失敗,導(dǎo)致后續(xù)根本無(wú)法激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。因此需要首先仿真評(píng)估無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的激活成功率,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 在廣覆蓋(ISD 3 km)場(chǎng)景下無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)激活失敗概率

        在密集覆蓋(ISD 500 m)場(chǎng)景中,無(wú)論是FDD系統(tǒng)還是TDD系統(tǒng),在視頻以及VoIP業(yè)務(wù)場(chǎng)景下用戶都能夠成功激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。這是因?yàn)樵诿芗采w場(chǎng)景下用戶的無(wú)線信道質(zhì)量較好,因此能夠成功與地面蜂窩基站建立信令連接,并觸發(fā)開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼。

        隨著地面蜂窩基站覆蓋范圍的增加,處于小區(qū)邊緣的用戶的無(wú)線信道質(zhì)量逐漸下降。在廣覆蓋(ISD 3 km)場(chǎng)景中,在FDD配置下用戶能夠成功開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼,而在TDD配置下用戶存在無(wú)人機(jī)中繼激活失敗的情況。這是因?yàn)橄噍^FDD配置,系統(tǒng)在TDD配置下無(wú)線資源更加受限。處于小區(qū)邊緣的用戶由于自身信道質(zhì)量較差而系統(tǒng)資源又受限,因此無(wú)法與地面蜂窩基站交互信令以激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。

        進(jìn)一步觀察在TDD配置下的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在相同的每無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)3/6個(gè)用戶場(chǎng)景下,視頻業(yè)務(wù)場(chǎng)景下無(wú)人機(jī)中繼激活的成功概率要低于VoIP業(yè)務(wù)場(chǎng)景。這是因?yàn)橐曨l業(yè)務(wù)場(chǎng)景下先開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的用戶將消耗系統(tǒng)更多的無(wú)線資源,導(dǎo)致后續(xù)希望開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的用戶無(wú)法與地面蜂窩基站交互信令以激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。

        此外,無(wú)論是VoIP業(yè)務(wù)還是視頻業(yè)務(wù)場(chǎng)景,隨著每個(gè)無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的用戶數(shù)目的增多,無(wú)人機(jī)中繼建立失敗率越高。每個(gè)無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)6個(gè)用戶時(shí),無(wú)人機(jī)中繼激活的成功概率小于每個(gè)無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)3個(gè)用戶的情況。這是因?yàn)槊總€(gè)無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的用戶數(shù)越多,無(wú)人機(jī)中繼前向鏈路以及回傳鏈路的無(wú)線資源越緊張,導(dǎo)致后續(xù)希望開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的用戶無(wú)法與地面蜂窩基站交互信令以激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。

        仿真表明,在用戶無(wú)線信道環(huán)境極端較差的情況下,空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)可能需要采用控制覆蓋和業(yè)務(wù)覆蓋耦合的架構(gòu)(即由空中無(wú)人機(jī)中繼負(fù)責(zé)用戶的控制平面和業(yè)務(wù)平面),以確保用戶能夠正常發(fā)起業(yè)務(wù)。

        3.3 無(wú)人機(jī)中繼激活/去激活控制平面建立時(shí)延分析

        本節(jié)繼續(xù)評(píng)估空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)采用控制覆蓋和業(yè)務(wù)覆蓋分離(控制平面信令不經(jīng)由無(wú)人機(jī)中繼)以及控制覆蓋和業(yè)務(wù)覆蓋耦合(控制平面信令經(jīng)由無(wú)人機(jī)中繼)的架構(gòu)場(chǎng)景下控制平面建立時(shí)延,結(jié)果如圖6所示。

        圖6 無(wú)人機(jī)中繼激活/去激活下控制平面建立時(shí)延

        整體而言,無(wú)論是系統(tǒng)是TDD1配置模式,還是FDD配置模式,開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼之后控制平面建立時(shí)延都相較未開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼要縮短。特別地,在 TDD1配置模式,開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼之后控制平面建立時(shí)延,相較未開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼,縮短的比例比FDD配置模式下更為顯著。這是由于相較TDD1配置,在FDD配置下系統(tǒng)無(wú)線資源較為充足,因此激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量改善不如TDD1場(chǎng)景下更為明顯。

        3.4 無(wú)人機(jī)中繼開(kāi)啟/未開(kāi)啟業(yè)務(wù)平面?zhèn)鬏敃r(shí)延分析

        在未開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼之前,小區(qū)邊緣用戶?地面基站之間是LTE接口。LTE協(xié)議在在物理層采用混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求(Hybrid Automatic Repeat reQuest,HARQ)協(xié)議,確保數(shù)據(jù)包的正確接收。小區(qū)邊緣用戶的信道質(zhì)量較差,會(huì)導(dǎo)致物理層HARQ協(xié)議頻繁觸發(fā)重傳。因此,在開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼之前用戶的傳輸時(shí)延主要由HARQ的重傳時(shí)延決定。

        在開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼之后,無(wú)人機(jī)中繼的前向鏈路(小區(qū)邊緣用戶?無(wú)人機(jī)中繼)是IEEE802.11g/n協(xié)議,無(wú)人機(jī)中繼的回傳鏈路(無(wú)人機(jī)中繼?地面基站)是LTE協(xié)議。IEEE802.11g/n協(xié)議鏈路層采用CSMA/CA協(xié)議,多個(gè)用戶數(shù)據(jù)包傳輸主要由傳輸?shù)却?退避時(shí)延決定。因此,在未開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼之后用戶的傳輸時(shí)延主要由CSMA/CA傳輸?shù)却?退避時(shí)延以及 HARQ的重傳時(shí)延決定。

        如圖7所示,在啟動(dòng)無(wú)人機(jī)中繼之后,VoIP業(yè)務(wù)端到端時(shí)延下降了約4 ms。

        圖7 無(wú)人機(jī)中繼激活/去激活下用戶VoIP業(yè)務(wù)端到端時(shí)延

        為用戶激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)前后物理層HARQ重傳次數(shù)對(duì)比如圖8所示。從圖中可以看出,在未開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)之前,小區(qū)邊緣用戶?地面基站之間HARQ平均重傳次數(shù)為2~4次,而開(kāi)啟無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)之后,無(wú)人機(jī)中繼?地面回傳鏈路的HARQ平均重傳次數(shù)為1次。由此可以看出,由于無(wú)人機(jī)中繼的回傳鏈路重傳次數(shù)顯著減小,所以縮短了用戶端到端的傳輸時(shí)延。

        圖8 無(wú)人機(jī)中繼激活/去激活下用戶HARQ平均重傳次數(shù)

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文提出了空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)技術(shù)??盏貐f(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)采用控制覆蓋和業(yè)務(wù)覆蓋分離的架構(gòu),即由地面蜂窩基站負(fù)責(zé)用戶控制平面連接,由空中無(wú)人機(jī)中繼負(fù)責(zé)用戶業(yè)務(wù)平面連接。從仿真結(jié)果可以看出,無(wú)人機(jī)中繼通過(guò)縮短用戶與基站之間的通信距離可以有效地改善用戶的信道質(zhì)量,從而提升用戶的業(yè)務(wù)速率。

        然而,激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的前提是需要用戶先與地面蜂窩基站建立信令連接之后再激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。由于需要激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)的用戶通常處于陰影衰落和穿透損耗較大的區(qū)域,因此在這一區(qū)域中用戶建立信令連接過(guò)程本身就很容易失敗,導(dǎo)致后續(xù)根本無(wú)法激活無(wú)人機(jī)中繼服務(wù)。在這種情況下,空地協(xié)同無(wú)定形組網(wǎng)需要采用控制覆蓋和業(yè)務(wù)覆蓋耦合的架構(gòu),由空中無(wú)人機(jī)中繼同時(shí)承載用戶的控制平面連接和業(yè)務(wù)平面連接。

        由此可見(jiàn),空地協(xié)同組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要以用戶為中心,依據(jù)用戶的實(shí)際無(wú)線信道情況進(jìn)行適配演化,這也給空地協(xié)同組網(wǎng)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步深入研究。

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