CN106358207A - 高空平台覆盖预测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开的高空平台覆盖预测方法包括如下步骤：A.利用射线跟踪法对高空通信信道进行合理建模；B.信号参数设定；C.地面环境参数设定；D.求功率时延谱等信道参数；E.根据信道参数进行链路仿真并获得覆盖估计；F.覆盖估计结果与几何关系计算结果比较，高空平台的覆盖范围R需满足：R＝H/tanθ；G.修正θ重复步骤E、F直至覆盖估计R与θ满足公式R＝H/tanθ；主要思路是利用射线跟踪法，综合考虑地面环境，包括建筑物密度、高度、用户天线仰角等所带来的影响，获得与用户天线仰角相关的高空通信平台信道的功率时延谱。通过不断修正仰角，进行迭代仿真，使链路仿真得到的覆盖估计满足相应的几何关系，我们能够较为精确地获得高空平台覆盖范围。

Description

高空平台覆盖预测方法

技术领域

本申请涉及移动通信技术领域，具体涉及一种高空平台覆盖预测方法。

背景技术

近年来，移动通信技术迅猛发展，人们对数据传输业务提出了越来越高的需求。使用搭载有通信设备的热气球、飞艇等平台在空中组成基站，可以在多种环境下作为地面蜂窝通信和卫星通信的补充，提升无线通信网络性能，如扩大网络覆盖面积，提升传输速率等。且因高空平台通信独有的优势，如部署方便，覆盖面积大，传输时延小，通信成本远低于卫星通信等，该技术已引起广泛关注。

然而，高空通信技术的运用仍存在不少挑战，包括高空平台最优部署、平台功率(能量)控制、路径规划等。其中，平台的部署方案直接决定了地面用户通信质量，也决定了通信网络的成本，因而需要重点考虑。而平台的覆盖范围又决定了平台的部署方案。因此，对高空通信平台的覆盖范围进行有效估计变得尤为关键。

小区覆盖指的是用户可以稳定接收基站信号的最远距离。小区覆盖距离与小区吞吐量之间存在明显的制约关系。当小区内活跃用户数增多，小区吞吐量将增大，然而与此同时，小区边缘用户收到的干扰将会加剧，导致边缘用户通信质量下降，中断概率变大。

目前学术上主流的地面蜂窝覆盖估计方案均基于瞬时中断准则。小区边缘用户的中断概率可以表示为小区半径和小区活跃用户数的函数。该准则要求小区边缘用户的中断概率必须始终低于某一门限值，也即当用户的中断概率高于该门限值时，认为蜂窝小区无法覆盖到该用户。利用该准则，我们可以对信号最远传输距离进行大致估计。

另外一种网络规划常用的覆盖估计方案则是基于3D射线跟踪模型的覆盖估计方案。该方案综合考虑了通信场景的复杂性，基于实际环境，利用3D射线跟踪法生成电磁场量，进而利用该电磁场量计算不同位置用户接收信号的强弱，从而实现覆盖估计。

基于瞬时中断准则的覆盖估计方案只考虑了小区活跃用户数对小区覆盖范围的影响，并未考虑小区内复杂环境，如遮挡物分布等具体因素的作用，因而是一种比较粗略的估计方案。另外，在实际应用场景下，当SIR只在短时间内低于门限值时，并不会真正导致中断的发生。因此，基于瞬时中断准则的覆盖估计方案给出的是小区覆盖的下限。

现有技术假设基站天线到移动用户天线之间的信道仅仅是针对城区/郊区/乡村应用场景，采用不一样的大尺度衰落和多径的小尺度衰落模型，甚至解调门限的设定也是在一个场景下就用一套多径小尺度模型来计算，这个在计算HAP的网络规划时已经不再适宜：因为即使是相同的应用场景，针对不同用户与基站之间的仰角，其大小尺度信道特征已经不一样了，而不同使用带宽下的用户的解调能力也产生了很大的变化。以往的网络规划的方法已经不再适宜直接用于HAP的覆盖估算。

综上：现有的地面蜂窝覆盖估算方案中，信道特征、解调门限均被假设与接收机到基站的距离无关，从而可以直接根据部署场景、信道特征、解调门限等信息，计算出最大可支持的路损，进而根据自由空间衰落模型中路损和距离的关系，求解出覆盖的距离。但是高空平台通信性能与地面散射物分布、散射物高度、用户天线仰角等诸多因素相关，不同仰角、不同的带宽使用情况下的无线信道特征有较大差异，无法用现有地面蜂窝覆盖估算的方法来直接求取覆盖范围。

发明内容

本发明提出了一种基于射线跟踪法的高空平台迭代覆盖估计方法，将地面复杂环境带来的影响纳入考虑范围，实现对高空通信平台覆盖范围较为精确的估计。

为实现上述目的，发明的技术方案为：高空平台覆盖预测方法包括如下步骤：

A.利用射线跟踪法对高空通信信道进行合理建模；

B.地面环境参数设定，包括评估区域的建筑密度、建筑高度分布、建筑尺寸，散射体在建筑物上的分布方式，以及地面用户天线仰角θ；

C.求信道参数，根据通信环境参数进行随机撒点模拟，利用射线跟踪法分析信号经由各个散射物的传输到达接收端的信号功率，对接收到的各径信号功率进行统计量化，得到信道的功率时延谱，该功率时延谱与用户天线仰角相关，设为信道参数PDP(θ)；

D.信号参数设定，包括载波带宽BW、载波频率f、信号发射功率P_T、天线增益A、馈线损耗P_lt，噪声系数NF；

E.进行链路仿真获得覆盖估计，将信道参数PDP(θ)带入LTE链路仿真平台进行仿真，得到不同SNR下信号的误块率；设定覆盖边缘用户的误块率门限值为10％，则根据仿真得到的SNR-BLER曲线，可以得到10％BLER门限值所对应的SNR值；根据该SNR值我们可以估计高空平台覆盖范围R如下：

P_T+A-P_loss-P_lt＝P_R (1)

SNR＝P_R-n-NF (2)

P_loss＝20log₁₀f+20log₁₀D+32.4 (3)

$R=\sqrt{D^2-H^2}---\left(4\right)$

其中，BW—波带宽、f—载波频率、P_T—信号发射功率、A—天线增益、P_lt—馈线损耗，NF—噪声系数。

F.用户为边缘用户时，平台的覆盖范围R需满足：

R＝H/tanθ (5)

链路仿真估计结果R<H/tanθ，需要对θ进行修正，减小θ；

当R>H/tanθ，则需要增大θ；

G.重复步骤E、F直至覆盖估计R与θ满足公式(5)。

本申请的有益效果是：本发明的主要思路是利用射线跟踪法，综合考虑地面环境，包括建筑物密度、高度、用户天线仰角等所带来的影响，获得高空通信平台信道的功率时延谱，该时延谱与用户天线仰角相关。通过不断修正仰角，使之与链路仿真估计得到的覆盖半径满足相应的几何关系，我们能够获得高空平台覆盖范围较为精确的估计。

由于射线跟踪法考虑了地面环境的复杂性，迭代算法保证了仿真结果与几何关系的一致性，该方案具有较高的精确度，对于高空通信平台部署具有较大的参照价值。

附图说明

图1为高空平台覆盖预测方案流程图；

图2至7为平台下行链路在地面用户天线仰角为30°的仿真结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，高空平台覆盖预测方法包括如下步骤：

A.利用射线跟踪法对高空通信信道进行合理建模；

B.地面环境参数设定，包括评估区域的建筑密度、建筑高度分布、建筑尺寸，散射体在建筑物上的分布方式，以及地面用户天线仰角θ；典型环境参数如表1所示。

表格1环境参数设定

C.根据环境参数进行随机撒点模拟，利用射线跟踪法分析信号经由各个散射物的传输到达接收端的信号功率。对接收到的各径信号功率进行统计量化，可以得到信道的功率时延谱。该功率时延谱与用户天线仰角相关，设为PDP(θ)，具体数值如表2所示。

表格2信道功率时延谱

D.信号参数设定，包括载波带宽BW、载波频率f、信号发射功率P_T、天线增益A、馈线损耗P_lt，噪声系数NF；典型参数如表3所示。

表格3仿真信号参数设定

E.进行链路仿真获得覆盖估计，将信道参数PDP(θ)带入LTE链路仿真平台进行仿真，得到不同SNR下信号的误块率；设定覆盖边缘用户的误块率门限值为10％，则根据仿真得到的SNR-BLER曲线，可以得到10％BLER门限值所对应的SNR值；平台下行链路在地面用户天线仰角为30°的仿真结果如图2—7所示。

根据该SNR值我们可以估计高空平台覆盖范围R如下：

P_T+A-P_loss-P_lt＝P_R (1)

SNR＝P_R-n-NF (2)

P_loss＝20log₁₀f+20log₁₀D+32.4 (3)

$R=\sqrt{D^2-H^2}---\left(4\right)$

其中，BW—波带宽、f—载波频率、P_T—信号发射功率、A—天线增益、P_lt—馈线损耗，NF—噪声系数。

估算结果如表4所示。

表格4高空平台下行链路第一次覆盖估计(km)

F.根据用户天线仰角θ和平台高度H，由几何关系可知，当该用户为边缘用户时，平台的覆盖范围R需满足

R＝H/tanθ (5)

当链路仿真估计结果R<H/tanθ，我们需要对θ进行修正，减小θ；当R>H/tanθ，则需要增大θ。由高空平台下行链路θ＝30°时的仿真结果，以及H/tanθ＝34.64km可以看出，HAP的覆盖范围估算过小，可以增大θ重新进行仿真。

G.修正θ，重复步骤E、F直至覆盖估计R与θ满足公式(5)。

Claims (2)

1.高空平台覆盖预测方法,其特征在于：所述高空平台覆盖预测方法包括如下步骤：

A.利用射线跟踪法对高空通信信道进行合理建模；

B.地面环境参数设定，包括评估区域的建筑密度、建筑高度分布、建筑尺寸，散射体在建筑物上的分布方式，以及地面用户天线仰角θ；

C.求信道参数，根据通信环境参数进行随机撒点模拟，利用射线跟踪法分析信号经由各个散射物的传输到达接收端的信号功率，对接收到的各径信号功率进行统计量化，得到信道的功率时延谱，该功率时延谱与用户天线仰角相关，设为信道参数PDP(θ)；

D.信号参数设定，包括载波带宽BW、载波频率f、信号发射功率P_T、天线增益A、馈线损耗P_lt，噪声系数NF；

E.进行链路仿真获得覆盖估计，将信道参数PDP(θ)带入LTE链路仿真平台进行仿真，得到不同SNR下信号的误块率；设定覆盖边缘用户的误块率门限值为10％，则根据仿真得到的SNR-BLER曲线，可以得到10％BLER门限值所对应的SNR值；根据该SNR值我们可以估计高空平台覆盖范围R如下：

P_T+A-P_loss-P_lt＝P_R (1)

SNR＝P_R-n-NF (2)

P_loss＝20log₁₀f+20log₁₀D+32.4 (3)

$R=\sqrt{D^2-H^2}---\left(4\right)$

其中，BW—波带宽、f—载波频率、P_T—信号发射功率、A—天线增益、P_lt—馈线损耗，NF—噪声系数。

F.用户为边缘用户时，高空平台的覆盖范围R需满足：

R＝H/tanθ (5)

G.修正θ，重复步骤E、F直至覆盖估计R与θ满足公式(5)。

2.根据权利要求1所述的高空平台覆盖预测方法，其特征在于：所述步骤F中链路仿真估计结果R<H/tanθ，需要对θ进行修正，减小θ；当R>H/tanθ，则需要增大θ。