CN110113763A - 基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，包括以下步骤：步骤S1：移动基站采集地面用户发送的参考信号，并得到地面用户坐标；步骤S2:移动基站根据自带定位装置获取当前位置，并根据采集的用户坐标，计算得到用户密度；步骤S3:根据用户密度，比对数据库中场景类型的典型值，确定场景类型；步骤S4:获取临近移动基站信息数据；步骤S5:根据得到的场景类型和临近移动基站信息数据，调整动态波束。本发明通过多种感知信息，自适应的选择波束，从而实现自适应的覆盖，将较好的改善移动HAP因地面场景变化、用户分布变化所造成的多余覆盖或覆盖空洞。

Description

基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法。

背景技术

HAP（High Altitude Platform，高空通信平台）是由漂浮在20km~50km高空的通信平台为地面提供通信服务的系统，由空间段与地面段组成，其空间段由与用户终端通信收发独立的相控阵天线，与网关站通信收发独立的面天线和具有再生能力的收发信机组成；地面段由网关站与用户终端组成，每个终端由其中的一个网关站管理，每个网关站既是控制中心，也是交换中心。

HAP综合了地面无线系统和卫星系统的技术优点，可以用少量的网络设施实现大区域和高密度覆盖，与地面无线系统需要土地进行站址建设和卫星系统需要发射卫星以及修建地面站截然不同，HAP可以大幅度降低成本，同时也可以减小对人体的电磁辐射。具体地说，HAP具有以下特点：

1. 与卫星通信系统相比，HAP具有高容量、高频谱利用率、时延小、路径损耗小、易维护、易升级、可迅速建设等优点。另外，HAP位于国境之内，主权、所有权和管理权均属本国。

2. 与地面基站的相比，HAP具有超大覆盖、低功率、易升级、可迅速建设等优点；另外，在发生地震等灾难时所受影响很小。

传统的HAP平台，波束覆盖范围固定，不随地面用户分布而变化。而实际上，在HAP移动过程中，其覆盖区域的用户分布情况会发生变化，有些区域用户较为集中，有些区域用户较为分散，采用固定波束无法最大限度利用系统容量。

地面基站的信道与HAP的信道差异主要是地面基站与用户的信道存在大量散射体，无法准确估计覆盖。而已有信道建模结果表明HAP与地面用户间存在很大的直达概率，可以较为准确的估计来波方向，从而确定用户位置，使自适应覆盖成为可能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，通过多种感知信息，自适应的选择波束，从而实现自适应的覆盖，将较好的改善移动HAP因地面场景变化、用户分布变化所造成的多余覆盖或覆盖空洞。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，包括以下步骤：

步骤S1：移动基站采集地面用户发送的参考信号，并得到地面用户坐标；

步骤S2: 移动基站根据自带定位装置获取当前位置，并根据采集的用户坐标，计算得到用户密度；

步骤S3: 根据用户密度，比对数据库中场景类型的典型值，确定场景类型；

步骤S4: 获取临近移动基站信息数据；

步骤S5: 根据得到的场景类型和临近移动基站信息数据，调整动态波束。

进一步的，所述步骤S1具体为：

步骤S11:地面用户UE向移动基站HAP发送参考信号；

步骤S12:HAP根据部署的M×M二维阵列天线，在两个正交方向，分别估计出UE的来波角度θ _x 、 θ _y；

步骤S13:结合HAP的高度H和θ _x 、 θ _y，对该HAP所服务的所有n个UE，都计算其相对HAP的坐标(a_i, b_i)，i=1, 2, 3…n。

进一步的，所述场景类型包括城区、郊区和乡村。

进一步的，所述步骤S4具体为：移动基站通过已建立的FSO或微波通信链路，每个HAP以T为时间周期，向临近的其他HAP广播自己的信息，包括定位装置测得的位置信息，当前覆盖范围r _s。

进一步的，所述步骤S5具体为：

步骤S51:HAP计算自己与相邻m个HAP之间的距离d _s，并计算自己的最大覆盖半径r _upper= min(d _s – r _s)，其中s=1,2,…m;

步骤S52:根据场景类型，获取预设该场景的覆盖估算结果；

步骤S53:根据覆盖估算结果和最大覆盖半径，进行波束选择和控制。

进一步的，所述覆盖估算结果具体为：在特定场景i下,每一个半径r _k 在固定发射功率P₀的情况下都对应一个3dB波束宽度θ _ki ，同时对应的一个天线加权矩阵W _ki ，i=1,2,3分别对应城区、郊区、乡村3种场景类型;HAP预先配置N+1个天线权值，天线权值的集合为{W _0i ,W _1i , …, W _Ni }，按其覆盖半径从小到大排序;其对应的3dB波束宽度分别为{θ _0i , θ _1i , …,θ _Ni }。

进一步的，所述步骤S53具体为：

(1) 初始波束选择

初始波束,选择适中的波束宽度作为初始波束θ _ki,其中ki=(N+1)/2;

(2) 波束扩张和收缩

HAP在确定初始波束后，以周期T尝试进行波束的扩张或收缩,每次波束自适应过程都需要判断当前覆盖的最外围用户半径r_u对应的波束W _u 与当前波束W _k 的关系;若ki>u+1则减小一个量化等级，否则尝试以W _k+1i作为新的波束，判断是否接入了半径大于r _u 的新用户，若是则采用扩张后的波束，若否则保持当前波束;

(3) 波束扩张上界

由临近HAP交互的位置信息和覆盖半径，得到当前小区覆盖半径上界r _upper;根据当前的场景感知结果，从预设的N+1个天线权值中找到使对应的覆盖半径小于r _upper的最大半径所对应的W _upper,即为波束扩张的上界。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明通过多种感知信息，自适应的选择波束，从而实现自适应的覆盖，将较好的改善移动HAP因地面场景变化、用户分布变化所造成的多余覆盖或覆盖空洞。

附图说明

图1是本发明一实施例中用户位置感知流程图

图2是本发明一实施例中用场景类型感知流程图

图3是本发明一实施例中动态波束调整过程。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，包括以下步骤：

步骤S1：移动基站采集地面用户发送的参考信号，并得到地面用户坐标；

步骤S2: 移动基站根据自带定位装置获取当前位置，并根据采集的用户坐标，计算得到用户密度；

步骤S3: 根据用户密度，比对数据库中场景类型的典型值，确定场景类型；

步骤S4: 获取临近移动基站信息数据；

步骤S5: 根据得到的场景类型和临近移动基站信息数据，调整动态波束。

在本实施例中，所述步骤S1具体为：

步骤S11:地面用户UE向移动基站HAP发送参考信号；

步骤S12:HAP根据部署的M×M二维阵列天线，在两个正交方向，分别估计出UE的来波角度θ _x 、 θ _y；

步骤S13:结合HAP的高度H和θ _x 、 θ _y，对该HAP所服务的所有n个UE，都计算其相对HAP的坐标(a_i, b_i)，i=1, 2, 3…n。

在本实施例中，场景类型感知通过以下两种方法实现：

(1) HAP自带定位装置（GPS、GLONASS、北斗等），得到当前位置。通过预先存储地理信息库，得到当前覆盖的场景类型（城区、郊区、乡村）。

(2) 根据1中的用户位置，计算当前的覆盖范围（以圆形计算），进一步得到用户密度的估计值，与城区、郊区、乡村的典型值比对，确定场景类型。

在本实施例中，所述步骤S4具体为：移动基站通过已建立的FSO或微波通信链路，每个HAP以T为时间周期，向临近的其他HAP广播自己的信息，包括定位装置测得的位置信息，当前覆盖范围r _s。

在本实施例中，所述步骤S5具体为：

步骤S51:HAP计算自己与相邻m个HAP之间的距离d _s，并计算自己的最大覆盖半径r _upper= min(d _s – r _s)，其中s=1,2,…m;

步骤S52:根据场景类型，获取预设该场景的覆盖估算结果；

步骤S53:根据覆盖估算结果和最大覆盖半径，进行波束选择和控制。

进一步的，所述覆盖估算结果具体为：在特定场景i下,每一个半径r _k 在固定发射功率P₀的情况下都对应一个3dB波束宽度θ _ki ，同时对应的一个天线加权矩阵W _ki ，i=1,2,3分别对应城区、郊区、乡村3种场景类型;HAP预先配置N+1个天线权值，天线权值的集合为{W _0i ,W _1i , …, W _Ni }，按其覆盖半径从小到大排序;其对应的3dB波束宽度分别为{θ _0i , θ _1i , …,θ _Ni }。

在本实施例中，所述步骤S53具体为：

(1) 初始波束选择

初始波束,选择适中的波束宽度作为初始波束θ _ki,其中ki=(N+1)/2;

(2) 波束扩张和收缩

HAP在确定初始波束后，以周期T尝试进行波束的扩张或收缩,每次波束自适应过程都需要判断当前覆盖的最外围用户半径r_u对应的波束W _u 与当前波束W _k 的关系;若ki>u+1则减小一个量化等级，否则尝试以W _k+1i作为新的波束，判断是否接入了半径大于r _u 的新用户，若是则采用扩张后的波束，若否则保持当前波束;

(3) 波束扩张上界

由临近HAP交互的位置信息和覆盖半径，得到当前小区覆盖半径上界r _upper;根据当前的场景感知结果，从预设的N+1个天线权值中找到使对应的覆盖半径小于r _upper的最大半径所对应的W _upper,即为波束扩张的上界。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：移动基站采集地面用户发送的参考信号，并得到地面用户坐标；

步骤S2: 移动基站根据自带定位装置获取当前位置，并根据采集的用户坐标，计算得到用户密度；

步骤S3: 根据用户密度，比对数据库中场景类型的典型值，确定场景类型；

步骤S4: 获取临近移动基站信息数据；

步骤S5: 根据得到的场景类型和临近移动基站信息数据，调整动态波束。

2.根据权利要求1所述的基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

步骤S11:地面用户UE向移动基站HAP发送参考信号；

步骤S12:HAP根据部署的M×M二维阵列天线，在两个正交方向，分别估计出UE的来波角度θ _x 、 θ _y；

步骤S13:结合HAP的高度H和θ _x 、 θ _y，对该HAP所服务的所有n个UE，都计算其相对HAP的坐标(a_i, b_i)，i=1, 2, 3…n。

3.根据权利要求1所述的基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，其特征在于：所述场景类型包括城区、郊区和乡村。

4.根据权利要求1所述的基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：移动基站通过已建立的FSO或微波通信链路，每个HAP以T为时间周期，向临近的其他HAP广播自己的信息，包括定位装置测得的位置信息，当前覆盖范围r _s。

5.根据权利要求1所述的基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

步骤S51:HAP计算自己与相邻m个HAP之间的距离d _s，并计算自己的最大覆盖半径r _upper= min(d _s – r _s)，其中s=1,2,…m;

步骤S52:根据场景类型，获取预设该场景的覆盖估算结果；

步骤S53:根据覆盖估算结果和最大覆盖半径，进行波束选择和控制。

6.根据权利要求5所述的基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，其特征在于，所述覆盖估算结果具体为：在特定场景i下,每一个半径r _k 在固定发射功率P₀的情况下都对应一个3dB波束宽度θ _ki ，同时对应的一个天线加权矩阵W _ki ，i=1,2,3分别对应城区、郊区、乡村3种场景类型;HAP预先配置N+1个天线权值，天线权值的集合为{W _0i , W _1i , …,W _Ni }，按其覆盖半径从小到大排序;其对应的3dB波束宽度分别为{θ _0i , θ _1i , …, θ _Ni }。

7.根据权利要求6所述的基于感知的移动高空通信平台自适应覆盖优化方法，其特征在于，所述步骤S53具体为：

(1) 初始波束选择

初始波束,选择适中的波束宽度作为初始波束θ _ki,其中ki=(N+1)/2;

(2) 波束扩张和收缩

HAP在确定初始波束后，以周期T尝试进行波束的扩张或收缩,每次波束自适应过程都需要判断当前覆盖的最外围用户半径r_u对应的波束W _u 与当前波束W _k 的关系;若ki>u+1则减小一个量化等级，否则尝试以W _k+1i作为新的波束，判断是否接入了半径大于r _u 的新用户，若是则采用扩张后的波束，若否则保持当前波束;

(3) 波束扩张上界

由临近HAP交互的位置信息和覆盖半径，得到当前小区覆盖半径上界r _upper;根据当前的场景感知结果，从预设的N+1个天线权值中找到使对应的覆盖半径小于r _upper的最大半径所对应的W _upper,即为波束扩张的上界。