CN107911828A - 一种将无人空中移动平台用作基站集群的部署方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信网络技术领域，涉及一种将无人空中移动平台用作基站集群的部署方法。具体步骤如下：(S1)初始化部署无人空中移动平台，根据地面用户的数量和分布情况，选择若干个部署无人空中移动平台的候选位置，将每个候选位置都虚拟地部署一个无人空中移动平台，所述候选位置的数量保证每个地面用户至少被一个无人空中移动平台所覆盖；(S2)根据无人空中移动平台之间的通信距离，确定无人空中移动平台之间的连接关系；(S3)迭代删除冗余的候选位置；(S4)在剩余的候选部署位置部署无人空中移动平台。本发明能在保证地面用户服务质量和无人空中移动平台间连通性的前提下，实现最小化部署无人空中移动平台数量。

Description

一种将无人空中移动平台用作基站集群的部署方法
技术领域
本发明属于无线通信网络技术领域，涉及一种将无人空中移动平台用作基站集群的部署方法。
背景技术
将无人空中移动平台作为移动基站来服务地面用户已经越来越被广泛关注。无人空中移动平台因其机动性和灵活性，在很多场景下能够协助甚至取代地面基站来为用户提供接入服务。例如在举办临时大型活动，或者自然灾害导致已有地面基站失效的情况下，无人空中移动平台能够被快速部署来满足用户对无线服务的突发需求。
当地面用户过多或者地理较为分散时，只有通过部署多个无人空中移动平台才能满足所有用户的通信需求。同时，无人空中移动平台之间也需要互联互通，彼此交互控制信息和数据信息，组成一个健壮的移动自组织网络，从而互相协作为地面用户提供更优质的服务。现有的关于多个无人空中移动平台部署的研究一般都集中于对用户覆盖范围和对地发射功率的优化方面，或者说仅仅考虑了空中平台与地面用户间的连接，而很少考虑无人空中平台之间的互联互通问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种简单有效的多无人空中移动平台基站的部署方法。在给定地面用户的分布情况下，该发明能够快速给出一种在保证用户服务质量和无人空中移动平台之间连通性的前提下，使无人空中移动平台数量最少的部署方案。既满足了地面用户的服务需求，又节约了部署的成本。具体技术方案如下：
一种将无人空中移动平台用作基站集群的部署方法，包括以下步骤：
(S1)初始化部署无人空中移动平台，根据地面用户的数量和分布情况，选择若干个部署无人空中移动平台的候选位置，将每个候选位置都虚拟地部署一个无人空中移动平台，所述候选位置的数量保证每个地面用户至少被一个无人空中移动平台所覆盖；
(S2)根据无人空中移动平台之间的通信距离，确定无人空中移动平台之间的连接关系；
(S3)迭代删除冗余的候选位置，设定待删除集合的初始值为步骤(S1)中部署的无人空中移动平台，删除失败集合的初始值为空，按照以下过程循环处理，直到没有无人空中移动平台被进一步关闭为止，具体过程为：
(S31)建立无人空中移动平台与地面用户之间的连接；
(S32)针对一个地面用户连接多个无人空中移动平台和单个无人空中移动平台连接的地面用户数量超过自身最大连接数的情况，删除冗余连接；
(S33)检查无人空中移动平台与地面用户的连接状态，若没有无人空中移动平台处于空闲状态，则直接执行(S34)；若某个无人空中移动平台处于空闲状态，则检查三个限制条件：服务中断比例限制、邻居节点数量限制和“信息孤岛”限制，如果同时满足三个限制条件，则直接将该无人空中移动平台关闭并删除所处的候选位置，并将该无人空中移动平台从待删除集合中移除，进一步把与该无人空中移动平台相邻且属于删除失败集合中的无人空中移动平台重新加入待删除集合中，接着跳至(S31)；如果存在任一个限制条件不满足，则恢复其发射功率而不关闭该空闲状态的无人空中移动平台，将其从待删除集合中删除，并加入删除失败集合中，接着跳至步骤(S34)；
(S34)将待删除集合中度数最小的无人空中移动平台的发射功率置为零，返回步骤(S31)；
(S4)在剩余的候选位置部署无人空中移动平台。
进一步地，所述步骤(S32)的具体过程为：逐一检查地面用户的度数，当存在地面用户的度数大于1时，找出度数最大的无人空中移动平台，若该无人空中移动平台的度数大于其所能服务的最大用户数，则将无人空中移动平台所连接的地面用户按照地面用户的度数从大至小的顺序排序，依次删除地面用户排序在前的连接，直至该无人空中移动平台的度数等于其所能服务的最大用户数；确定与该无人空中移动平台保持连接的地面用户，删除这些地面用户与其他无人空中移动平台的连接关系，更新每个地面用户的度数和每个无人空中移动平台的度数；循环执行该步骤，直至满足条件：每个地面用户最多只连接到一个无人空中移动平台，并且每个无人空中移动平台所连接的地面用户数量不大于自身所能服务的最大用户数，转入下一步骤。
进一步地，所述步骤(S3)中建立无人空中移动平台与地面用户之间的连接具体为：对于任一无人空中移动平台Ui和任一地面用户Tk，计算地面用户的信干噪比其中pi,k表示Ui对Tk的发射功率，gi,k表示Ui与Tk的信道增益，δ2表示高斯白噪声的功率，aj表示无人空中移动平台的状态；aj＝0表示关闭状态，aj＝1表示活跃状态。
若γi,k大于门限Λth，则认为地面用户被无人空中移动平台覆盖，即两者间存在连接，否则不存在连接。Λth表示设定的门限值。
进一步地，所述步骤(S33)中三个限制条件分别为：所述服务中断比例限制定义为服务中断的用户比例必须小于τ；所述邻居节点数量限制定义为每个无人空中移动平台的相邻平台数量必须大于2；所述“信息孤岛”限制定义为任意两个无人空中移动平台间应存在至少一条互通路径。
采用本发明获得的有益效果：本发明解决了现有的无人空中移动平台基站集群部署的工作中，忽略对无人空中移动平台间连通性的考虑所造成的基站集群网络连通性差的问题，提出了一种在保证无人空中移动平台基站集群网络连通性的前提下，使用最少数量的无人空中移动平台来最大化覆盖地面用户的部署方法。仿真实验证明本发明实现了最小数量的无人空中移动平台的部署，既满足了地面用户的服务质量，也保证了无人空中移动平台间的连通性。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是不同地面用户分布下的无人空中移动平台部署结果；
图3是算法迭代次数和最终无人空中移动平台部署数量随初始候选位置个数的变化情况；
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，是本发明方法的流程示意图；初始化时，选择足够多的候选位置虚拟地部署无人空中移动平台来保证每个地面用户至少被一个无人空中移动平台所覆盖；接着，根据无人空中移动平台的通信距离来确定无人空中移动平台间的连接性；然后进入循环：首先，建立无人空中移动平台与地面用户间的连接，接着，删除冗余的连接，从而确定无人空中移动平台与地面用户的连接，若出现空闲的无人空中移动平台，则检查用户服务中断比例限制、邻居节点数量限制和“信息孤岛”问题三个限制条件，如果三个限制条件同时满足，则直接通过将该无人空中移动平台的发射功率置为零而将其关闭，并删除该候选位置，并且启动回溯机制，即把与该平台相邻的且之前由于限制条件不满足导致关闭失败的无人空中移动平台重新加入待删除集合中；若没有出现空闲的无人空中移动平台或者三个限制条件不同时满足，则通过强制将连接用户数量最少的无人空中移动平台的对地发射功率置零，以检查是否可以再将一个无人空中移动平台关闭。实际上，强制关闭无人空中移动平台就是先将该平台的发射功率置零，置零后的平台返回到前述步骤中重新建立连接图，此时由于该平台的发射功率为零，因此不会有地面用户与其相连，因此该无人空中移动平台就会变成空闲状态，接着检查三个限制条件以及后续步骤。
上述过程迭代运行，直到将所有无人空中移动平台都至少尝试关闭一遍，并且没有可以进一步关闭的无人空中移动平台。图1流程中的停止条件：所有无人空中移动平台都至少尝试关闭一遍，并且没有可以进一步关闭的无人空中移动平台，当迭代结束后，在剩余没有被删除的候选位置最终部署无人空中移动平台。
为进一步理解本发明内容，下面结合实施例进行说明。本发明基于以下常用且切合实际的假设：所有地面用户的位置信息都是已知的，实施例中可通过定位装置获得；定义如下参数：地面用户的数量为M；可部署无人空中移动平台的候选位置数量为N，并且假设每个候选位置都部署一个无人空中移动平台；U＝{1,2,...,N}表示初始部署的无人空中移动平台的集合；表示所有无人空中移动平台的关闭(ai＝0)或活跃(ai＝1)状态；b＝[bi,k]N×M表示所有无人空中移动平台与地面所有用户间的连接状态，bi,k＝1表示地面用户k连接到无人空中移动平台i，反之，bi,k＝0；c＝[ci,j]N×N表示无人空中移动平台互相间的连接性，ci,j＝1(包括i＝j的情况)表示无人空中移动平台i处在无人空中移动平台j的传输范围内，反之，ci,j＝0；i,j均表示无人空中移动平台的序号，i,j取值范围均为1,2，…,N；k表示地面用户的序号，k取值范围为1,2，…,M；N,M均为整数。
具体步骤如下：
初始化：a＝[1]1×N，ζ＝[0]1×N，ξ＝[0]1×M，Ur＝U，其中，ζ表示每个无人空中移动平台的度数，即无人空中移动平台服务的用户数量；ξ表示每个地面用户的度数，即连接到的无人空中移动平台数量；Ur表示从未尝试被关闭和需要重新尝试被关闭的无人空中移动平台集合，即待删除集合；Uf表示由于不满足三种限制而未被关闭的无人空中移动平台集合，即删除失败集合。
第一步：根据候选无人空中移动平台的位置计算c，具体方法如下：对任意两个平台(假设为Ui和Uj)，若则ci,j＝1，否则ci,j＝0，其中(xi,yi,zi)和(xj,yj,zj)分别为Ui和Uj的位置坐标，αi为Ui的传输距离，本实施例中Ui和Uj为同类型的无人空中移动平台。
第二步：进入迭代循环，具体包括以下子步骤。
子步骤1：建立地面用户与无人空中移动平台的连接图。方法如下：对于任一无人空中移动平台(假设为Ui)和任一地面用户(假设为Tk)，i＝1,2，…，N，k＝1,2，…，M，计算地面用户的信干噪比其中pi,k表示Ui对Tk的发射功率，gi,k表示Ui与Tk的信道增益，δ2表示高斯白噪声的功率。若γi,k≥Λth，则bi,k＝1，ζi:＝ζi+1，ξk:＝ξk+1，否则，bi,k＝0，其中Λth表示信干噪比最小阈值。
子步骤2：删除多余的连接，以确定无人空中移动平台和地面用户的连接关系。具体做法如下：当ξ中的最大值大于1时，表明存在冗余的连接。首先，找出最大度数的无人空中移动平台(假设为Ui)，如果Ui的度数大于其能服务的最大用户数，将依次删除Ui与地面用户集合中度数最大用户之间的连接，直到Ui的度数等于其最大服务用户数为止。当确定了无人空中移动平台Ui与用户的连接关系之后，将删除这些用户与其他无人空中移动平台的连接，同时更新集合b，ζ和ξ。直到每个地面用户最多只连接到一个无人空中移动平台，并且每个无人空中移动平台所连接的用户数量不大于自身所能服务的最大用户数。最后，基于无人空中移动平台与地面所有用户间的连接状态b计算a，具体方法为：如果无人空中移动平台i没有连接任何地面用户，则对于所有地面用户k，bi,k都为零，则这时计算出的ai为0；只要无人空中移动平台连接了最少一个用户，则计算出的ai就为1；该步骤是一个取“或”的过程，只有bi,k全为0，对应的ai才为0，只要有一个bi,k为1，则ai就取1。如果出现空闲的，即没有连接任何用户的无人空中移动平台(假设为Uj)，则进行子步骤3，否则，直接执行子步骤4。
子步骤3：检查三个限制条件，从而决定是否可以将Uj关闭。具体地，对于服务中断比例限制，服务中断的用户比例必须小于τ；τ为常量，实施例中的取值范围为0～1，本实施例仿真时取值为0.02，即中断服务(没被平台覆盖)的地面用户比例不能超过2％；对于邻居节点数量限制，与Uj相邻的平台的邻居无人空中移动平台数量必须大于3；对于“信息孤岛”限制，Uj所有的邻居节点之间在避开Uj的情况下存在至少一条互通路径。当以上三个限制都满足，将Uj关闭并删除该候选部署位置，将Uj从Ur中删除，更新c，并且执行回溯机制来更新Ur和Uf，接着执行子步骤1；若存在至少一个限制条件不满足，则不关闭Uj，将其功率恢复，把Uj添加到Uf，把Uj从Ur中删除，同时使aj＝1，然后执行子步骤4。所述回溯机制为：把与Uj相邻的，且之前因三个限制条件之一不满足导致关闭失败的无人空中移动平台重新加入到Ur中，并从Uf集合中移除。
子步骤4：检查是否可以强制关闭一个无人空中移动平台。具体地，强制把Ur中度数最小的无人空中移动平台的对地发射功率置为零。
上述四个子步骤迭代运行，直到即没有候选无人空中移动平台位置可以被进一步删除。在实际迭代过程中，一旦有无人空中移动平台被删除，剩余的无人空中移动平台与所有地面用户的连接关系都会改变，因此需要按照上述四个子步骤顺序进行迭代。
第三步：在剩余的候选部署位置最终部署无人空中移动平台。
图2给出了在1600m×1600m区域内分布280个地面用户，并且初始选择23个候选部署位置时的无人空中移动平台的部署结果。(a)和(b)分别表示地面用户随机分布的示例以及该分布下的最终部署结果，(c)和(d)则表示地面用户聚类分布的示例以及该分布下的最终部署结果。其中，空心三角形表示初始选择的候选部署位置，数字号为1～23，星号“*”表示地面用户，实心三角形表示最终部署的无人空中移动平台，(b)图中的数字序号为4,6,8,9,10,12,15,18；(d)图中的数字序号为1,4,7,8,13,14,19,20；细线条表示无人空中移动平台与地面用户的连接，粗线条表示无人空中移动平台间的连接。采用本发明方法处理之后，从(b)和(d)中可得，最终部署的无人空中移动平台既最大化覆盖了地面用户，又互相保持着较好的连接性。
图3是本发明方法迭代次数和最终无人空中移动平台部署数量随初始候选位置个数的变化情况。从图3可知，地面用户随机分布和聚类分布情况下，算法达到最优值的迭代次数随着初始候选位置个数的增加而增大，但最终部署的无人空中移动平台数量将随着初始候选位置个数的增加而基本不变，这说明本发明能实现最少数量的无人空中移动平台部署。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (4)

1.一种将无人空中移动平台用作基站集群的部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)初始化部署，根据地面用户的数量和分布情况，选择若干个部署无人空中移动平台的候选位置，将每个候选位置都虚拟地部署一个无人空中移动平台，所述候选位置的数量保证每个地面用户至少被一个无人空中移动平台所覆盖；
(S2)根据无人空中移动平台之间的通信距离，确定无人空中移动平台之间的连接关系；
(S3)迭代删除冗余的候选位置；首先定义待删除集合和删除失败集合，所述待删除集合的初始值为步骤(S1)中部署的无人空中移动平台，所述删除失败集合的初始值为空，按照以下过程循环处理，直到没有无人空中移动平台被进一步关闭为止，具体过程为：
(S31)建立无人空中移动平台与地面用户之间的连接；
(S32)针对一个地面用户连接多个无人空中移动平台和单个无人空中移动平台连接的地面用户数量超过自身最大连接数的情况，删除冗余连接；
(S33)检查无人空中移动平台与地面用户的连接状态，若没有无人空中移动平台处于空闲状态，则直接执行步骤(S34)；若某个无人空中移动平台处于空闲状态，则检查三个限制条件：服务中断比例限制、邻居节点数量限制和“信息孤岛”限制，如果同时满足三个限制条件，则直接将该无人空中移动平台关闭并删除所处的候选位置，并将该无人空中移动平台从待删除集合中移除，进一步把与该无人空中移动平台相邻且属于删除失败集合中的无人空中移动平台重新加入待删除集合中，接着跳至(S31)；如果存在任一个限制条件不满足，则恢复其发射功率而不关闭该空闲状态的无人空中移动平台，将其从待删除集合中删除，并加入删除失败集合中，接着跳至步骤(S34)；
(S34)将待删除集合中度数最小的无人空中移动平台的发射功率置为零；
(S4)在剩余的候选位置部署无人空中移动平台。
2.如权利要求1所述的一种无人空中移动平台基站集群的部署方法，其特征在于，所述步骤(S31)中建立无人空中移动平台与地面用户之间的连接具体为：对于任一无人空中移动平台Ui和任一地面用户Tk，计算地面用户的信干噪比γi,k，其中pi,k表示Ui对Tk的发射功率，gi,k表示Ui与Tk的信道增益，δ2表示高斯白噪声的功率，aj表示无人空中移动平台的状态；N表示部署无人空中移动平台的候选位置数量，i,j均表示无人空中移动平台的序号；
若γi,k大于门限Λth，则表示地面用户被无人空中移动平台覆盖，即两者间存在连接，否则不存在连接。
3.如权利要求1所述的一种将无人空中移动平台用作基站集群的部署方法，其特征在于，所述步骤(S32)的具体过程为：逐一检查地面用户的度数，当存在地面用户的度数大于1时，找出度数最大的无人空中移动平台，若该无人空中移动平台的度数大于其所能服务的最大用户数，则将无人空中移动平台所连接的地面用户按照地面用户的度数从大至小的顺序排序，依次删除地面用户排序在前的连接，直至该无人空中移动平台的度数等于其所能服务的最大用户数；确定与该无人空中移动平台保持连接的地面用户，删除这些地面用户与其他无人空中移动平台的连接关系，更新每个地面用户的度数和每个无人空中移动平台的度数；循环执行该步骤，直至满足条件：每个地面用户最多只连接到一个无人空中移动平台，并且每个无人空中移动平台所连接的地面用户数量不大于自身所能服务的最大用户数，转入下一步骤。
4.如权利要求1所述的一种无人空中移动平台基站集群的部署方法，其特征在于，所述步骤(S33)中三个限制条件分别为：所述服务中断比例限制定义为服务中断的用户比例必须小于τ；所述邻居节点数量限制定义为每个无人空中移动平台的相邻平台数量必须大于2；所述“信息孤岛”限制定义为任意两个无人空中移动平台间应存在至少一条互通路径。
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