CN106792756B - 在海洋通信中对用户进行覆盖的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在海洋通信中用于为用户提供通信服务的设备和方法。其中，该方法包括以下步骤：估计船上所有用户总的通信速率需求；根据船上所有用户总的通信速率需求计算利用分布式天线服务时对船只的覆盖概率；根据所计算的覆盖概率判断为达到船只的通信服务需求所需要的天线数。与现有技术相比，本发明可以根据用户的通信需求选择服务用户的天线，有效提高了海洋通信网络对海洋用户的覆盖，同时不需要增加额外的基础设施建设且不需要特制的用户收发设备，从而降低了海洋通信的代价。

Description

在海洋通信中对用户进行覆盖的设备和方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种在海洋通信中对用户进行覆盖的设备和方法。

背景技术

相较于陆地通信，海洋通信的通信速率低、成本高，而且海洋用户通常与提供通信的基础设备距离远，需要通信基础设施的覆盖距离远大于陆地网络。目前为海洋通信用户提供服务的网络如卫星网络、自组织网络、船舶自动认证系统(Automatic identificationSystem,AIS)网络的发展遇到以下几个方面的问题：一是卫星通信网络的高成本和低通信速率无法满足海洋通信的需求。二是海洋无线自组织网络虽可灵活组网，但安全性能低、通信距离短且通信质量低。虽然相关的研究试图将传统的自组织网络应用于海洋通信并提高其通信性能，但由于自组织网络存在着通信的距离短、可靠性差、信息传输速率低等特性，无法支持高质量的海上用户通信。三是基于AIS的岸基网络主要支持低速率的数据传输，并且针对特殊的应用，如船舶定位，且需要特殊的收发装置。

目前随着智能手机、平板电脑等移动设备的大量普及，携带这些设备的海上用户依然想获得在陆地上时的高质量通信服务，而现有的海洋通信技术无法满足这些需求。另一方面，陆地通信发展更加迅速，随着第五代移动通信技术的发展，陆地移动蜂窝网的通信质量及覆盖能力都远非目前的海洋通信所能匹及。尤其是大规模分布式天线技术的引入，使得移动蜂窝网对边缘用户的覆盖能力提高，为陆地用户提供无缝通信服务。因此，将移动通信网络应用到海洋通信中以提高通信质量并降低成本，有着广阔的前景和应用价值。近年来一些学者也试图将不同的移动通信技术(wimax，wifi，LTE等)引入到海洋通信中来。

然而，由于通信场景的不同，将陆地的通信方案引入到海洋通信中面临着许多挑战，其主要的区别有以下三个方面：(1)用户和服务设备的分布是不同的。用户聚集在船上，而这些船分布在航线上。由于环境恶劣，海洋上的基站建设艰难，基站无法像陆地一样环绕用户；(2)船舶密度较低，而在一个小面积内(船)的用户密度高；(3)通信链路的距离远大于地面网络，但用户的服务质量需求不变。

因此，如何根据海洋通信场景的特殊性及通信需求设计为海洋用户提供良好覆盖且不需要特殊的用户设备或付出较高的通信代价是需要解决的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种在海洋通信中对用户进行通信服务的设备和方法。

根据本发明的一个方面，公开了一种在海洋通信中用于为用户提供通信服务的方法，该方法包括以下步骤：

(1)估计船上所有用户总的通信速率需求R_i；

(2)根据船上所有用户总的通信速率需求计算K根分布式天线服务时对船只的覆盖概率；

(3)根据所计算的覆盖概率判断为达到船只的通信服务需求所需要的天线数。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在海洋通信网络中用于在多天线与海洋用户设备之间转发、传递信息的设备，该设备包括：

(1)信息接收和发送装置，用于接收基站天线或用户发送的信息，并发送信息给用户或天线；

(2)覆盖概率估计装置，用于根据通信速率需求估计当前用户群的覆盖概率；

(3)确定装置，用于根据当前的覆盖概率确定服务天线及服务天线个数。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出在海洋通信网络中岸基天线与船上设备通信的一个示意图；

图2示出本发明一个方面的一个实施例的在海洋通信网络中为用户设备提供通信覆盖的流程图；

图3示出本发明另一个方面的在海洋通信网络中岸基天线与船上用户通信的中继设备示意图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1示出在海洋通信网络中岸基天线与船上设备通信的一个示意图。一般地，海洋通信网络中可以包括多个基站天线、中继设备(文中简称CH)和用户设备(文中简称CM)。在图1中，以其中的一组天线和1个船只i上一个中继设备CH和4个用户设备CM1，CM2，CM3和CM4来示意性地示出基站与海洋用户之间通信的实例。在一个实施例中，该无线通信网络为基于3GPP(the 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴项目)协议的无线通信网络。优选地，该无线通信网络可以是LTE(Long Term Evolution，长期演进)网络。用户设备可以是任何一种能以无线方式直接或间接和其他用户设备和/或基站通信的电子设备，包括但不限于：手机、PDA等。中继设备为船只上安装的可以用于收发基站天线及用户设备信息的电子装置。优选地，该LTE网络中的各用户设备和中继设备采用频分双工模式(frequency-division duplexing mode，FDD mode)或采用时分双工模式(time-divisionduplexing mode，TDD mode)收发信息。本领域技术人员应理解，此处所描述的无线通信网络和/或中继设备和/或用户设备是示例性而非限定性的，本方法原理适用于现存以及将来可能存在的其他的无线通信网络和/或用户设备而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。

如图1为所示，其中，天线组将信息传送给船上的收发装置(CH)，然后CH将信息发送给用户。船i与海岸线的直线距离为d_oi，与天线a_k距离为

天线a_k与用户之间信道的快衰落幅度和编码增益分别表示为

和

船舶上安装收发器，作为一个簇头。地理位置靠近的用户设备作为簇成员。簇成员通过簇头的转发与基站的天线进行通信。这些天线若要为用户提供有效的通信覆盖，可通过选择相应的天线组合来满足对用户的通信要求。这里以传输速率为例，用R_i来表示i上用户总的通信速率需求。以一艘船上的用户为例，R_i取决于所有船上用户对速率的需求。

图2示出本发明的实施例的在海洋通信网络为用户设备提供覆盖的天线选择流程图。

首先，在步骤S21，中继设备估计船上所有用户总的通信速率需求R_i。具体地，用户设备首先计算其中任一用户m与船上中继之间正确传输的概率

此概率与设备的发送功率、信道质量以及用户的分布相关。由于本领域技术人员对于如何检测该正确传输的概率的技术已经知悉，此处不再进行赘述。接着，根据下式计算用户设备到中继设备的平均成功传输概率

其中，C_i一艘船上用户的集合，d_φ是一无限小区域。假设用户单位时间需求的业务量为λ，那么从天线到中继设备的通信速率需求R_i则可以表示为：

R_i＝λ/P_succ\*MERGEFORMAT (2)

其中，用户需求业务的到达可以用多种方式进行测量，例如建模为服从均值为λ的泊松过程，其到达速率λ可以在中继设备处通过统计单位时间的业务需求量获得。本领域技术人员应理解，此处所描述的业务需求速率λ的求解方法是示例性而非限定性的，存在其他的各种估计或计算此速率的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。

接着，在步骤S22，中继设备根据船上所有用户总的通信速率需求计算K根天线服务时对船只的覆盖概率。具体的，首先估算信道可达到的最大通信速率，此速率可以根据分配的带宽ω₀、接收信噪比η_i等进行计算。接收信噪比η_i取决于发射端的发射功率以及天线与中继设备间的等价信道增益H_i,表示如下：

其中，E为发射功率，N₀为高斯白噪声的双边功率谱密度，H_i为i的服务天线与i之间的信道矩阵。H_i取决于多个天线的编码方式、船只与天线的距离以及信道质量等。H_i的均值可以通过对信道建模进行计算，也可以通过信道估计得到。本领域技术人员对于如何估计多天线信道的技术已经知悉，此处不再进行赘述。本领域技术人员应理解，此处所描述等效信道求解方法是示例性而非限定性的，存在其他的各种估计或计算此速率的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。

接着，根据下式计算K根分布式天线服务时对船只的覆盖概率：

P_cover＝Pr{w₀log(1+η_i)≥R_i}\*MERGEFORMAT (4)

此处所描述求解覆盖概率的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各种估计或计算此速率的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。K取值范围为[A-B],A的取值可以从1开始，也可以为经验性可用到的天线个数，B可以为最大可获得的天线个数，也可为经验性可用到的天线个数，例如取值范围为[1-20]。最初的服务天线或天线集合可以根据预先的算法进行选择，如选择一根距离中继用户最近的天线或者随机选择的天线。此处所描述最初天线或天线集合的选择方法是示例性而非限定性的，存在其他的各种估计或计算此速率的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。此处所描述求解覆盖概率的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各种估计或计算此速率的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。

接着在步骤S23中，根据所计算的覆盖概率判断为达到船只的通信服务需求所需要的天线和天线数。假设目标覆盖概率表示为P^target，P^target的取值范围为[0-1]。一般的，P^target的取值接近于1，如在[0.95-0.999]之间。将步骤S22得到的覆盖概率P_cover与P^target进行比较，若P_cover≥P^target，则此时的天线组合即为最终服务的天线组合，天线数则为此时天线组合中天线的个数。反之，若P_cover＜P^target，则添加一根天线，然后返回步骤S22。可以根据不同的算法添加新的服务天线，如在备选天线中选择此时按距离中继设备最近的天线或者随机的选择天线。此处所描述添加天线的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各种估计或计算此速率的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。此处所描述求解覆盖概率的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各种估计或计算此速率的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。

图3示出本发明另一个方面的在在海洋通信网络为用户设备提供覆盖的中继设备示意图。

其中选择装置31可用于估计用户群体需求业务的总速率。此速率为各个用户需要的通信速率总和。具体地，选择装置31可以根据一个预定规则来估计用户需求业务的到达速率。例如，该预定规则可以是假定业务到达为泊松分布，到达速率通过统计一段观察时间内的业务量除以观察时间得到。该预定规则也可以是根据经验值得到的值。本领域技术人员应理解，此处所描述的用于预测业务达到速率的装置是示例性而非限定性的，存在其他的各种用于选择传输资源的装置的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。装置根据预测的到达速率以及平均正确传输的概率估算用户总的业务需求速率，这种估算可以参照上述公式(2)进行计算，也可以根据其他方式获得。

接着，覆盖概率评估装置32根据用户总的速率需求以及初始服务天线个数，估计此时天线对用户群的覆盖概率。具体地，覆盖概率评估装置32首先检测用户所需业务的到达速率，中继设备可以估计其与各用户间的信息正确传输概率。根据初始天线选择，估计此时的覆盖概率。最初的服务天线或天线集合可以根据预先的算法进行选择，如选择一根距离中继用户最近的天线或者随机选择的天线。此处所描述最初天线或天线集合的选择方法是示例性而非限定性的，存在其他的各种估计或计算此速率的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。

在一个实施例中，可以根据所估计的覆盖概率与目的覆盖概率进行比较。天线选择装置33根据此对比结果确定服务的天线组。目标覆盖概率的取值范围为[0-1]。一般的，目标覆盖概率的取值接近于1，如在[0.95-0.999]之间。将覆盖概率与目标概率进行比较，若覆盖概率大于或等于目标概率，则此时的天线组合即为最终服务的天线组合，天线数则为此时天线组合中天线的个数。反之，天线选择装置33则添加一根天线，然后将结果返回覆盖概率评估装置32。可以根据不同的算法添加新的服务天线，如在备选天线中选择此时按距离中继设备最近的天线或者随机的选择天线。此处所描述添加天线的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各种估计或计算此速率的实现方式而不背离本发明的精神和范围，并以引用的方式包含于此。

需要注意的是，本发明可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施，例如，可采用专用集成电路(ASIC)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一个实施例中，本发明的软件程序可以通过处理器执行以实现上文所述步骤或功能。同样地，本发明的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中，例如，RAM存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本发明的一些步骤或功能可采用硬件来实现，例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。

另外，本发明的一部分可被应用为计算机程序产品，例如计算机程序指令，当其被计算机执行时，通过该计算机的操作，可以调用或提供根据本发明的方法和/或技术方案。而调用本发明的方法的程序指令，可能被存储在固定的或可移动的记录介质中，和/或通过广播或其他信号承载媒体中的数据流而被传输，和/或被存储在根据所述程序指令运行的计算机设备的工作存储器中。在此，根据本发明的一个实施例包括一个装置，该装置包括用于存储计算机程序指令的存储器和用于执行程序指令的处理器，其中，当该计算机程序指令被该处理器执行时，触发该装置运行基于前述根据本发明的多个实施例的方法和/或技术方案。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然本发明不限于上述示范性实施单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个装置也可以由一个装置通过软件或者硬件来实现。

Claims (7)

1.一种在海洋通信中用于为用户提供通信服务的方法，该方法包括以下步骤：

(1)估计船上所有用户总的通信速率需求R_i；

(2)根据船上所有用户总的通信速率需求计算K根分布式天线服务时对船只的覆盖概率；

(3)根据所计算的覆盖概率判断为达到船只的通信服务需求所需要的天线数；

S1、根据下式计算通信速率需求R_i：

R_i＝λ/P_succ

其中λ为用户需求业务的到达速率，P_succ是船上链路的平均成功传输概率；

S2、根据下式计算K根分布式天线服务时对船只的覆盖概率：

P_cover＝Pr{w₀log(1+η_i)≥R_i}

其中，Pr{·}为求概率函数，η_i为接收信号的信噪比，w₀为分配的带宽；其中接收信噪比η_i取决于发射端的发射功率以及天线与中继设备间的等价信道增益H_i，表示如下：

S3、根据所计算的覆盖概率判断为达到船只的通信服务需求所需要的天线数：

①用户根据公式下式估算通信速率需求R_i：

R_i＝λ/P_succ

②用户将R_i反馈给天线并传输到基站；

③基站估计第k根天线与用户的增益

并更新多根服务天线与用户之间等价信道增益

其中

是更新前的信道增益；

④基站基于H_i计算覆盖概率，若此时的覆盖概率满足要求，则此时天线个数K＝k；在覆盖率不满足要求时，则添加一根天线，然后返回步骤③。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，链路的平均成功传输概率的计算步骤包括：

－根据下式计算平均成功传输概率：

其中，

一艘船上用户的集合，dφ是一无限小区域，

为其中用户m与船上中继之间平均成功传输概率。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述海洋通信为无线通信网络，所述无线通信网络为基于3GPP协议的无线通信网络。

4.一种在海洋通信网络中用于在多天线与海洋用户设备之间转发、传递信息的设备，该设备包括：

(1)信息接收和发送装置，用于接收基站天线或用户发送的信息，并发送信息给用户或天线；

(2)覆盖概率估计装置，用于根据通信速率需求估计当前用户群的覆盖概率P_cover，覆盖概率P_cover计算公式如下：

P_cover＝Pr{w₀log(1+η_i)≥R_i}

其中，Pr{·}为求概率函数，η_i为接收信号的信噪比，ω₀为分配的带宽，其中R_i为通信速率需求，计算方式为：

R_i＝λ/P_succ

其中λ为用户需求业务的到达速率，P_succ是船上链路的平均成功传输概率；

(3)确定装置，用于根据当前的覆盖概率确定服务天线及服务天线个数k。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述覆盖概率估计装置包括：

－通信速率需求估计装置，用于根据用户业务到达速率及用户与该设备间链路的平均正确传输概率，估计设备所在船只的通信速率需求。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述通信速率需求估计装置包括：

(1)业务达到速率估计装置，用于根据用户业务的到达数据量估计到达速率；

(2)用户与该设备间链路的平均正确传输概率估计装置，用于根据用户群中用户的分布和信道条件估计链路的平均正确传输概率。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的设备，其中，所述海洋通信网络为无线通信网络，所述无线通信网络为基于3GPP协议的无线通信网。

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