［蔣玉香 李振興］

1 引言

我國有著1.8 萬多公里漫長的海岸線，300 多萬平方公里的專屬經(jīng)濟區(qū)，以及豐富的海洋資源，是傳統(tǒng)的海洋大國[1]。為了更好地開發(fā)海洋資源，維護海洋權(quán)益，我國早在2013 年就提出了“一帶一路”的發(fā)展戰(zhàn)略[2]。為了支撐國家的發(fā)展戰(zhàn)略，十八大提出了“智慧海洋”工程來提高開發(fā)、利用和管理海洋的能力。然而，“智慧海洋”的建設(shè)首先要依托于通信技術(shù)的發(fā)展，完善的海洋信息采集與傳輸體系是“智慧海洋”的基礎(chǔ)[3]。因此，建設(shè)覆蓋范圍廣、服務(wù)能力強的海洋通信網(wǎng)絡(luò)，對于“智慧海洋”工程極為關(guān)鍵，對于“一帶一路”的發(fā)展戰(zhàn)略極為重要。

隨著我國全面進(jìn)入5G 時代，相對陸上無線通信技術(shù)取得的長足進(jìn)步，海洋通信網(wǎng)絡(luò)則發(fā)展較慢?，F(xiàn)有的海洋通信網(wǎng)絡(luò)包括：海上無線通信系統(tǒng)、海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)和基于岸基的移動通信系統(tǒng)[2～4]。其中，海上無線通信系統(tǒng)為了擴大沿岸地區(qū)基站的覆蓋范圍，使用了傳輸距離更遠(yuǎn)的高頻和甚高頻，但只能進(jìn)行窄帶傳輸，服務(wù)速率較低；基于岸基的移動通信系統(tǒng)，具有更高的服務(wù)速率，但通信距離較近，難以滿足遠(yuǎn)洋活動的要求。相比之下，國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)可以分別提供高達(dá)50 Mbit/s的下行和5 Mbit/s的上行的寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；下一代“銥星”系統(tǒng)、我國的中星16 號[5]以及動中通[1,6]等都可以提供遠(yuǎn)高于海上無線系統(tǒng)的帶寬和遠(yuǎn)大于岸基移動通信系統(tǒng)的服務(wù)范圍。因此，海洋衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、通信帶寬大、組網(wǎng)靈活的特點，是建設(shè)海洋強國的有力推動技術(shù)[7]。

但是，衛(wèi)星通信長期以來都存在著終端成本高、傳輸時延大、頻譜資源少等問題[3]。為了更好地開發(fā)利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，業(yè)界提出了建立空天地海一體化的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架[2～4,8,9]。其中，無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）作為天基通信的重要一環(huán)，在軍用、民用和科研等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[11～15]，主要承擔(dān)著信息探測、通信中繼和智能組網(wǎng)等多種任務(wù)。在面向智慧海洋和海洋信息感知的一體化網(wǎng)絡(luò)中，UAV 可以作為信息感知、探測的節(jié)點，通過衛(wèi)星提供的寬帶高效上傳收集的數(shù)據(jù)[5,8]。采用軟件自定義的控制的一體化網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)實際需求動態(tài)規(guī)劃衛(wèi)星和UAV等節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌梢垣@得更好的網(wǎng)絡(luò)效能[9]。UAV 在星地協(xié)調(diào)的通信體系中可以作為移動基站和中繼，從而擴大海洋通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍[15]。因此，使用UAV來完善衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為業(yè)界共識。

受限于目前的制造工藝和技術(shù)能力，UAV 通信仍面臨著通信質(zhì)量、續(xù)航時間和覆蓋范圍的挑戰(zhàn)，所幸業(yè)界已經(jīng)取得了卓有成效的工作。美國是最早研究UAV 通信的國家，尤其在軍事領(lǐng)域；對于上述困難，美軍細(xì)化了不同種類UAV 的任務(wù)劃分：小型戰(zhàn)術(shù)UAV 采用數(shù)據(jù)鏈傳遞數(shù)據(jù)量小的指控信息降低能耗，中高空、長航時UAV 配置衛(wèi)通設(shè)備提供寬帶業(yè)務(wù)[10]。我國的徐贊新等人構(gòu)建了支持移動自組網(wǎng)通信的多無人機中繼網(wǎng)絡(luò)，提供了一種解決UAV 覆蓋范圍和通信質(zhì)量等問題的新思路[16]。類似的，采用多架UAV 協(xié)同區(qū)域搜索的方法，提高了完成任務(wù)的速度，從另一個方面降低了對UAV 續(xù)航時間的要求[17]。在戰(zhàn)場環(huán)境使用UAV 搭建無線多跳網(wǎng)絡(luò)，具有多個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，提高了網(wǎng)絡(luò)的通信距離和抗摧毀能力[11]。

由此可見，在空天地海一體化通信網(wǎng)絡(luò)中，UAV 通信的發(fā)展未來可期，而UAV 與衛(wèi)星通信的結(jié)合，更是極具潛力。相比傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信模式，使用UAV 協(xié)作的衛(wèi)星通信的優(yōu)勢至少體現(xiàn)在以下3 個方面。

（1）降低了衛(wèi)通終端成本。UAV 協(xié)作通信增加了接入衛(wèi)通服務(wù)的用戶數(shù)量，可以均攤通信成本。

（2）改善了服務(wù)質(zhì)量。UAV 通信采用的毫米波具有很大的帶寬[18]，完全可以承載衛(wèi)通信道的資源，能夠為用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)。

（3）靈活的組網(wǎng)方式。UAV 具有飛行能力，能夠采用多跳中繼的方式來擴大通信范圍，或者組建環(huán)形中繼網(wǎng)絡(luò)以提高通信可靠率；還能夠自由調(diào)整滯空位置，避開視距傳輸路徑的障礙體。

受到上述工作啟發(fā)，我們提出了一種UAV 協(xié)作的海洋衛(wèi)星通信框架，用于改善小型船舶寬帶服務(wù)問題。在岸基移動通信系統(tǒng)服務(wù)區(qū)外，配備有衛(wèi)通終端的大型船只，通過衛(wèi)星連接到核心網(wǎng)后，聯(lián)合使用船載基站（Base Station，BS）和UAV 為附近海域小型船只上的用戶（Ship User，SU）提供無線寬帶接入服務(wù)。本文主要貢獻(xiàn)有：（1）提供了一種新穎的海洋衛(wèi)星通信的思路，使用聯(lián)合BS 中繼和UAV 協(xié)作的方式，為用戶提供上網(wǎng)服務(wù)。（2）側(cè)重于服務(wù)質(zhì)量和通信時間，分別提出了兩種優(yōu)化方案以供用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活選擇。

2 UAV 協(xié)作的海洋衛(wèi)星通信模型

基于衛(wèi)星資源能夠完全滿足船載BS 下行傳輸總帶寬需求的前提，研究衛(wèi)星通信聯(lián)合船載BS 中繼和UAV 協(xié)作的方式服務(wù)附近SU 的情況。如圖1 所示，大型船舶通過衛(wèi)通信道獲取核心網(wǎng)的資源，再通過船載BS 中繼為SU 提供數(shù)據(jù)服務(wù)。BS 的服務(wù)半徑為D，最大發(fā)射功率為PBmax。以船載BS 覆蓋范圍外的某小型船只為研究對象，兩船之間距離為d1，且D＜d1。為了分析方便，不妨設(shè)同一時間每艘小型船只上只有1 個SU 接受服務(wù)。

圖1 UAV 協(xié)作的海洋衛(wèi)星通信

各通信節(jié)點間距離如圖2 所示，BS 通過UAV 協(xié)作對SU 提供服務(wù)，UAV 的飛行高度為h，最大發(fā)射功率為PUmax；接收節(jié)點處的高斯白噪聲（additional Gaussian white noise，AWGN）功率譜密度均為no。BS 與UAV 之間的距離和信道系數(shù)分別為do和go，BS 與SU 之間為d1和g1，UAV 與SU 之間為d2和g2。由于海面上遮擋較少，可以認(rèn)為通信是視距（line of sight,LoS）傳輸，因此3 個節(jié)點間的無線信道系數(shù)gj，j∈{0，1，2}服從因子為K的萊斯分布，路徑衰落指數(shù)為α。

圖2 UAV 協(xié)作的通信節(jié)點距離

3 SU 速率和UAV 功率

船載BS 為SU 和UAV 分配正交的單位時頻資源塊（RB）。海上無線通信的用戶遠(yuǎn)少于陸地通信，可分配的RB 比較寬裕，因此UAV 采用收發(fā)異頻的方式工作，并且采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)（decode-and-forward，DF）模式進(jìn)行協(xié)作通信[19]，因此沒有自干擾。由于通過UAV 協(xié)作通信的SU 在BS 服務(wù)范圍外，故與BS 之間沒有直接鏈路。當(dāng)沒有UAV 協(xié)作時，SU 由BS 直接服務(wù)，SU 處的信噪比（signal-to-noise-ratio，SNR）為

當(dāng)有UAV 協(xié)作時，在UAV 處接收BS 傳輸給SU 的信號的解碼信噪比γu為

UAV 協(xié)作時采用DF 模式對SU 提供服務(wù)，此時SU處的信噪比γs為

4 兩種UAV 協(xié)作方案

在本節(jié)中，我們針對不同的場景，為BS 服務(wù)范圍外的SU 設(shè)計了兩種UAV 協(xié)作方案：最大速率和最小功率方案。當(dāng)SU 需要的數(shù)據(jù)量很大，短時間內(nèi)要盡可能提供更大的速率時，我們提供了最大速率方案；當(dāng)SU 需要長時間的持續(xù)性上網(wǎng)功能時，比如瀏覽網(wǎng)頁、QQ 或微信聊天等情況，則需要盡量降低UAV 的協(xié)作功率，我們給出了最小功率方案。

4.1 最大速率方案

為了給SU 提供最大的服務(wù)速率，建立優(yōu)化問題P1 為

再根據(jù)模型中的已知條件和公式（7），問題P1 可以轉(zhuǎn)化成

根據(jù)定理1，公式（9）可以進(jìn)一步寫成

4.2 最大功率方案

為了提供更長時間的通信服務(wù)，就要使UAV 的發(fā)射功率在滿足一定服務(wù)質(zhì)量的前提下盡可能小，設(shè)預(yù)期的服務(wù)速率為。建立優(yōu)化問題P2 為

定理2：UAV 與BS 之間的距離d0=D時，UAV 發(fā)射功率有最小值。證明見附錄B。

根據(jù)定理2，可以得出UAV 的最小功率為

考慮到存在功率約束不滿足的情況，我們設(shè)計等步長下降搜索算法來獲得UAV 的最小發(fā)射功率和提供給SU 的服務(wù)速率，具體步驟如算法一所示。第1 行是輸入系統(tǒng)初始參數(shù)，第2 行設(shè)定了服務(wù)速率和下降步長；第3、4 行，計算了滿足服務(wù)速率時的、UAV 與SU 之間的距離，并給出了兩個判定值；第5、6 行，當(dāng)BS 和UAV 的最大功率滿足公式（12）（13）表示的約束時，可以得出SU的服務(wù)速率和UAV 最小功率；第7～15 行，當(dāng)兩個約束中有任一約束不滿足時，計算服務(wù)速率和最小功率的步驟；第16～19 行表示兩個約束均不滿足時，按步長降低值并更新后，跳到第5 行執(zhí)行，直到輸出有效的。

5 仿真與結(jié)果分析

在本節(jié)中，我們對提出的兩種UAV 協(xié)作通信方案進(jìn)行了仿真，主要參數(shù)設(shè)置如表1 所示。所提方案之間、以及與無UAV 協(xié)作的方案進(jìn)行了對比，檢驗了UAV 協(xié)作方案對SU 速率和UAV 功率兩個性能指標(biāo)的改進(jìn)作用。

圖3 展示了所提兩種方案及無UAV 協(xié)作時BS 直接服務(wù)SU 方案的速率性能曲線。我們在預(yù)期服務(wù)速率的=4.5 bit/s/Hz 設(shè)定下仿真了兩種情況，情況1 中BS 與SU的距離為12 km，情況2 中距離為16 km，SU 均處于BS的服務(wù)范圍外。由于設(shè)定了預(yù)期服務(wù)速率，最小功率方案的速率不會超過預(yù)期值，而最大速率方案不受預(yù)期值約束。顯然，所提方案的SU 速率表現(xiàn)明顯優(yōu)于無UAV 協(xié)作的直接服務(wù)方案，而且最大速率方案始終能夠獲得最高的速率。以情況1 為例，最大速率和最小功率方案分別比無UAV 協(xié)作方案的速率性能提高了37.8%和13.5%。

圖3 SU 的速率vs.BS 的最大功率

所提兩種方案的UAV 實際發(fā)射功率曲線如圖4 所示。與圖3 中環(huán)境參數(shù)設(shè)定類似，分別在兩種情況下進(jìn)行了仿真。不難發(fā)現(xiàn)，最小功率方案在兩種情況下，UAV 的實際功率始終小于最大速率方案。此外，最小功率方案在情況2 中的UAV 功率遠(yuǎn)大于情況1，是由于情況2 中BS 與SU 的距離增大，造成了UAV 與SU 通信距離的增加；為了滿足預(yù)期服務(wù)速率，UAV 增大了協(xié)作通信的發(fā)射功率。當(dāng)發(fā)射功率最大時，兩種情況下UAV 功率分別僅相當(dāng)于情況2 的9.2%和72.0%。特別是，情況1 中最小功率方案僅以不到最大速率方案1/10 的UAV 功率，獲得了其82.4%的SU 速率。由此可知，當(dāng)SU 處于BS 服務(wù)區(qū)外，距離遠(yuǎn)時使用最大速率方案收益較高，而距離較近時使用最小功率方案效果更佳。

圖4 UAV 的功率vs.BS 的最大功率

圖5 和圖6 分別展示了采用最大速率和最小功率方案后，SU 速率隨著兩個參數(shù)（BS 與SU 之間距離、BS 最大功率）變化的性能曲面圖。不難發(fā)現(xiàn)最大速率方案的SU速率性能要優(yōu)于最小功率方案，當(dāng)BS 最大功率為10W，且BS 與SU 之間距離分別為12km 和16km 時，最大速率方案的SU 速率數(shù)值分別為4.4 和3.6，最小功率方案的數(shù)值均約為3.5。由此可見，最大速率方案的SU 速率性能始終優(yōu)于最小功率方案，再次驗證了分析圖3 的結(jié)論。此外，我們還發(fā)現(xiàn)BS 和SU 之間距離的改變，對最小功率方案的SU 速率影響不大。

圖5 最大速率方案的SU 速率

圖6 最小功率方案的SU 速率

圖7 和8 分別展示了最大速率和最小功率方案中UAV 的功率隨著BS 與SU 之間距離和BS 最大功率變化的性能曲面圖。以BS 最大功率為15 W，BS 與SU 之間距離分別為12 km 和16 km 兩處為例，最大速率方案的UAV 功率數(shù)值分別為7.4 和7.5，最小功率方案的數(shù)值為0.62和5.3。不難得出與圖4 中相同的結(jié)論，最小功率方案的UAV 的發(fā)射功率始終小于最大速率方案。而且，最小功率方案在BS 與SU 之間距離較近時，UAV 能夠以極小的功率進(jìn)行協(xié)作，而獲得較為不錯的SU速率性能。此外，我們還發(fā)現(xiàn)BS 和SU 之間距離的改變，對最大速率方案的UAV 發(fā)射功率影響不大。

圖7 最大速率方案下的UAV 功率

圖8 最小功率方案下的UAV 功率

6 結(jié)語

本文提出了一種聯(lián)合船載BS 中繼和UAV 協(xié)作的海洋衛(wèi)星通信框架，可以為SU 提供寬帶接入服務(wù)。為了改善SU 服務(wù)體驗，針對SU 的服務(wù)速率和服務(wù)時間兩項優(yōu)化目標(biāo)，我們分別提出了兩種方案。最后的仿真結(jié)果表明，所提最大速率和最小功率方案相比BS 直接服務(wù)SU 的方案，能夠分別提高37.8%和13.5%的SU 速率；最小功率方案能夠以不到最大速率方案1/10 的功率，提供最大速率方案82.4%的SU 速率。此外，最大速率方案的UAV功率隨BS 和SU 之間距離增大而變化不大，最小功率方案的SU 速率同樣變化不大。由此可知，當(dāng)SU 處于BS服務(wù)區(qū)外，距離遠(yuǎn)時采用最大速率方案收益較高，而距離較近時采用最小功率方案效果更佳。

附錄

附錄A 定理1 的證明

根據(jù)實際情況，BS 的功率大于UAV 的功率，即Pb＞Pu；UAV 與BS 之間距離的量級通常是km，而飛行高度僅數(shù)百米，即d0＞＞h。因此公式（16）可以化簡為