CN110392350B - 一种基于Backhaul容量感知的用户为中心无人机群组构建方法 - Google Patents
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Abstract
由于无人机基站的高动态移动性和大概率视距链路,无人机通信成为B5G/6G网络重要解决方案,然而,无人机基站的非理想Backhaul链路限制了用户数据的传输,成为网络容量提升的瓶颈。本发明实施例提供一种基于Backhaul容量感知的用户为中心无人机群组构建方法,基于无人机Backhaul链路容量大小和参考信号接收功率计算的BRSRP值,为用户动态构建无人机群组,使用户始终感觉处于小区中心。特殊地,网络中BRSRP值最大的N个无人机构成用户的无人机群组,群组中RSRP最大的无人机作为用户的服务站,从而实现backhaul链路容量的分集增益。仿真结果表明,网络信干比覆盖率随着群组大小的增加而增加。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,特别涉及未来第五代移动通信(Beyond5thGeneration,B5G)和第六代移动通信(6th Generation,6G)中,用户为中心无人机群组构建方法。
背景技术
B5G/6G网络将面对用户高覆盖、高容量需求的巨大挑战。在现有的地面蜂窝网络中,地面基站部署周期长、成本高,难以解决高动态场景的业务需求,包括具有大容量需求的补热场景和高覆盖需求的补盲场景。
由于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)基站具有大概率的视距(Line-of-Sight,LoS)链路,以及可控移动性,UAV通信成为未来B5G/6G网络覆盖、容量增强的重要候选技术。利用UAV的LoS链路为用户提供高速率的服务需求,利用UAV的高动态移动性,实现更广的覆盖范围,保障高动态场景(如应急通信场景等)下用户的通信需求。
虽然UAV在组建无线通信网络方面有诸多优势,但由于UAV的移动性,UAV网络难以部署理想的有Backhaul链路,使得基站的回传受到限制。UAV的Backhaul链路主要用于:
1)从核心网(或向核心网)转发和接受终端用户数据;
2)通过X2接口与其他不同小区进行信息交互。
在5G网络中,Backhaul链路将演进为包括与核心网的有线、无线Backhaul链路、与固定基站间的协作、在小范围内链路的多跳、以及基于云的架构,Backhaul链路的作用越来越重要。然而,UAV网络难以部署理想Backhaul链路,非理想Backhaul的速率限制了网络容量的提升。
因此,本方案研究和讨论了用户为中心UAV群组网下Backhaul链路容量问题,提出了一种基于Backhaul容量感知的UAV群组传输策略。这一策略通过在传统选站方式中加入Backhaul链路容量感知的因子,将更好地利用网络中已部署的Backhaul链路,降低Backhaul链路对网络流量的限制。
发明内容
本发明提出了一种基于Backhaul链路容量感知的用户为中心UAV群组构建方法。不同于传统基于参考信号接收功率(Reference Signal Received Power,RSRP)的基站为中心选站方法,本发明在选站时同时考虑RSRP值和UAV的Backhaul链路情况,降低非理想Backhaul对用户容量的限制,并为用户动态构建用户为中心的UAV群组,打破传统基站为中心架构,实现无边界小区设计,使用户始终感觉处于小区中心。
本发明面向6G UAV网络,提出了一种基于Backhaul链路容量感知的用户为中心UAV群组构建方法,基于用户处接收的RSRP和UAV的Backhaul链路容量,为用户动态构建UAV群组,克服非理想Backhaul对网络容量性能的限制。该方法包括:
在UAV群组网场景下,为用户动态构建用户为中心的UAV群组,根据用户接收的RSRP和UAV基站的Backhaul链路容量选择满足条件的UAV基站,加入所述用户的UAV群组。
UAV网络中包括两种类型的UAV基站,分别是理想Backhaul的系留UAV基站和非理想Backhaul的UAV基站:
理想Backhaul的系留UAV基站可看作没有Backhaul链路容量上界的限制;
非理想Backhaul的UAV基站的Backhaul容量大小与UAV到地面回程基站的距离有关,Backhaul建立容量分布可以表示为
较佳的,该方法还包括:
网络中为任意用户构建的UAV群组,均包括一个系留UAV基站和若干非理想Backhaul的UAV基站:
系留UAV基站作为所述用户的UAV群组的管理节点,负责用户控制信令的传输;
群组中其余UAV作为传输节点,负责用户的数据传输。
随着用户的移动和信道条件的变化,用户的UAV群组中UAV基站动态更新,由系留UAV,即管理节点,控制和记录所述用户的UAV群组中UAV基站的添加、删除过程。
较佳的,该方法还包括:
UAV基站向用户广播自身Backhaul链路容量情况。
用户接收来自UAV基站的参考信号,并解析出UAV基站的Backhaul链路容量大小。
用户根据UAV的BRSRP值选择加入用户为中心UAV群组的UAV基站,对于所述用户,网络中UAVi的BRSRP值表示为
其中,Bi为UAV i广播的Backhaul链路容量,Pi为UAV i的发射功率,ri为UAVi到所述用户的水平距离,Hi为UAV i的高度,α为路径损耗指数。
较佳的,该方法还包括:
对于网络中任意用户,UAV群组中UAV基站的数量不能超过网络中既定的数量限制N。
用户从接收到参考信号的UAV基站中,选择N个UAV基站加入UAV群组,包括1个RSRP最大的系留UAV基站和N-1个BRSRP值最大的非理想Backhaul的UAV基站。
用户在根据上述规则构建的UAV群组中,选择RSRP值最大的UAV作为服务基站,负责用户的数据传输。
较佳的,该方法还包括:
系留UAV作为群组的管理节点,根据所述用户接收到的BRSRP值由大到小的顺序对群组中UAV基站进行排序并记录,得到所述用户的用户为中心UAV群组为Φ={UAVi|i∈{1,2,...,N}}。
每个传输时间间隔,用户重新测量网络中UAV基站的RSRP值和UAV广播的Backhaul链路容量值大小,重新选择加入所述用户UAV群组的UAV基站,并向系留UAV基站发送测量报告。
系留UAV基站作为管理节点,判断所述用户的UAV群组是否需要更新:
若需要更新非理想Backhaul的UAV基站,则系留UAV基站将删除原UAV群组中BRSRP值最小的UAV基站,同时将群组外BRSRP值最大的UAV基站加入群组,并更新存储在系留UAV基站的所述用户的UAV群组列表;
若需要更新系留UAV基站,则系留UAV基站间执行切换流程,原UAV群组中系留UAV基站将所述用户的UAV群组列表传输给新加入群组的系留UAV基站,并由新加入的系留UAV基站作为所述用户的管理节点。
本发明的一种基于Backhaul链路容量感知的用户为中心UAV群组构建方法包括以下步骤:
步骤200,每个传输时间间隔,UAV基站发送参考信号,并广播自身Backhaul链路容量情况。
步骤210,用户基于接收到的RSRP和UAV Backhaul链路容量大小,选择带有Backhaul容量因子的接收信号(BRSRP)值最大的N个UAV基站,构建为用户为中心的UAV群组。
N个UAV基站中,包括1个理想Backhaul的系留UAV基站,和N-1个非理想Backhaul的UAV基站。
步骤220,在根据上述步骤构建的UAV群组中,选择RSRP最大的UAV基站作为用户的服务站,负责为用户传输数据。
步骤230,在根据上述步骤构建的UAV群组中,系留UAV作为群组的管理节点,负责用户的信令传输,并负责记录和更新所述用户的UAV群组列表。
有益效果
利用UAV灵活部署的能力,解决具有高动态特性的补盲、补热场景的覆盖和容量需求。面对高动态UAV基站无法部署理想Backhaul导致网络容量受到限制的问题,本发明提出了一种基于Backhaul链路容量感知的用户为中心UAV群组构建方法,该方法为用户动态构建用户为中心UAV群组,并且在选站过程中同时考虑了接入链路和Backhaul链路性能。通过群组中多个UAV基站的潜在分集增益,克服非理想Backhaul链路对用户传输容量的限制,从而提升网络的覆盖、容量性能。
附图说明
图1是本发明的用户为中心UAV群组网场景图;
图2是本发明的算法实施流程图;
图3是本发明的用户为中心UAV群组网场景下,信噪比(Signal-to-InterferenceRatio,SIR)覆盖率随群组大小的变化关系示意图;
图4是本发明的用户为中心UAV群组网场景下,SIR覆盖率随UAV密度的变化关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
图1为本发明的用户为中心UAV群组网场景示意图。该网络为用户动态构建用户为中心的UAV群组,根据用户接收的RSRP和UAV基站的Backhaul链路容量选择满足条件的UAV基站,加入所述用户的UAV群组。图中可以看出,该网络包含两种UAV基站,分别是:
系留UAV基站,通过有线的Backhaul链路将数据回传至地面设备,并由地面设备提供持续、稳定的电源,其优点是具有Backhaul链路和更长的服务时间,其缺点是移动范围受到限制;
非理想Backhaul的UAV基站,其优点是移动范围较大,可以实现不同区域之间的调配,缺点是无线非理想Backhaul链路容量受到限制,且飞行/悬停时间有限。
在UAV群组网场景下,为用户动态构建用户为中心的UAV群组,根据用户接收的RSRP和UAV基站的Backhaul链路容量选择满足条件的N个UAV基站,加入所述用户的UAV群组,图1中N为3。UAV群组构建规则如下:
每个传输时隙,网络中所有UAV基站向用户广播自身Backhaul链路容量情况;
用户接收来自UAV基站的参考信号,并解析出UAV基站的Backhaul链路容量大小,计算UAV基站的BRSRP值,即
其中,Bi为UAV i广播的Backhaul链路容量,Pi为UAV i的发射功率,ri为UAVi到所述用户的水平距离,Hi为UAV i的高度,α为路径损耗指数;
用户选择1个RSRP值最大的系留UAV基站(即图1中的无人机1),以及2个BRSRP值最大的非理想Backhaul UAV基站(即图1中的无人机2和4),这3个UAV基站共同构成所述用户的用户为中心UAV群组,其中,系留UAV基站作为所述用户的UAV群组的管理节点,负责用户控制信令的传输,群组中其余UAV基站作为传输节点,负责用户的数据传输;
特殊地,尽管图1中无人机3与用户距离更近,接收信号强度更好,但是由于其非理想Backhaul性能限制,其BRSRP值小于无人机2和4,因此不能加入所述用户的UAV群组;
系留的无人机1作为群组的管理节点,根据所述用户接收到的BRSRP值由大到小的顺序对群组中UAV基站进行排序并记录,得到所述用户的用户为中心UAV群组为Φ={UAVi|i∈{1,2,...,N}};
用户在根据上述规则构建的UAV群组中,选择RSRP值最大的UAV基站,即无人机2,作为服务基站,为用户提供数据传输;
每个传输时间间隔,用户重新测量网络中UAV基站的RSRP值和UAV广播的Backhaul链路容量值大小,重新选择加入所述用户UAV群组的UAV基站,并向系留UAV基站发送测量报告。
系留UAV基站作为管理节点,判断所述用户的UAV群组是否需要更新:
若需要更新非理想Backhaul的UAV基站,则系留UAV基站将删除原UAV群组中BRSRP值最小的UAV基站,同时将群组外BRSRP值最大的UAV基站加入群组,并更新存储在系留UAV基站的所述用户的UAV群组列表;
若需要更新系留UAV基站,则系留UAV基站间执行切换流程,原UAV群组中系留UAV基站将所述用户的UAV群组列表传输给新加入群组的系留UAV基站,并由新加入的系留UAV基站作为所述用户的管理节点。
图2是本发明的算法实施流程图。本发明的基于Backhaul链路容量感知的用户为中心UAV群组构建方法包括以下步骤:
步骤300,每个传输时间间隔,UAV基站发送参考信号,并广播自身Backhaul链路容量情况。
步骤310,用户基于接收到的RSRP和UAV Backhaul链路容量大小,选择带有Backhaul容量因子的接收信号(BRSRP)值最大的N个UAV基站,构建为用户为中心的UAV群组。
在所述N个UAV基站中,包括1个理想Backhaul的系留UAV基站,和N-1个非理想Backhaul的UAV基站。
步骤320,在根据上述步骤构建的UAV群组中,选择RSRP最大的UAV基站作为用户的服务站,负责为用户传输数据。
步骤330,在根据上述步骤构建的UAV群组中,系留UAV作为群组的管理节点,负责用户的信令传输,并负责记录和更新所述用户的UAV群组列表。
仿真结果如附图3和附图4所示,研究了本发明的用户为中心UAV群组网场景下,网络的SIR覆盖率性能指标,其中SIR阈值设置为-15、-13、-11dB,群组大小设置为1、2、3,UAV基站密度设置为500/km2,地面基站密度为50/km2,用户密度为5000/km2,UAV高度为0.1km,路径损耗指数为4。基于上述仿真参数,图3和图4研究了网络SIR覆盖率与SIR阈值、群组大小、UAV基站密度的变化关系。
图3给出了在不同的SIR阈值条件下,网络SIR覆盖率与群组大小的变化关系。可以看出,当无人机群组大小增加时,可以有更多的UAV基站作为用户的备选服务基站,如果当前UAV基站由于某些原因无法达到网络覆盖要求的SIR阈值,则有更多的UAV可以提供给用户进行选择,提高用户通信链路达到SIR阈值要求的可能性,进而提高网络SIR覆盖率。然而,一味地增加UAV群组的大小也可能会导致资源浪费,观察曲线图可以发现当群组数目达到一定规模后,继续增加群组大小后曲线的上升趋势趋于平缓,对网络SIR覆盖率性能的增益趋于饱和,继续增加群组大小消耗的资源与带来的增益比将下降。
图4展示了UAV基站群组大小取不同值时,网络SIR覆盖率与UAV密度之间的关系。在实际用户密度确定的需求场景下,如何安排最佳的UAV部署密度是一个具有实际指导意义的问题。观察图中不同群组大小情况下的曲线趋势,可以发现SIR覆盖率与UAV密度的函数关系并不是单调的,当UAV密度在“1000/平方千米”以下这一较小值区间内时,SIR值的变化趋势主要受到服务UAV的有用信号强度影响,随着UAV在高空中的部署密度增加,用户的服务UAV基站群组与用户的距离较近,这样用户接收到的服务UAV基站的有用信号强度较高,相应地用户接收信号的SIR值以及网络SIR覆盖率也得以上升,然而,当UAV密度在“1000/平方千米”以上这一较大值区间内时,网络内其他UAV对用户通信链路产生的干扰将对SIR值的变化趋势产生越来越大的影响,随着UAV在高空中的部署密度增加,除群组内服务UAV基站外的其他UAV的数量和密度也在相应增加,导致用户接收到的其他UAV基站的干扰快速增加且产生的影响已经超过UAV群组信号强度增强带来的SIR增益,因而导致UAV异构通信网络SIR覆盖率降低。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上实施例仅是用来说明本发明,而并非作为对本发明的限定,只要在本发明的范围内,对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于Backhaul容量感知的用户为中心无人机群组构建方法,其特征在于,包括:在用户为中心的无人机基站网络场景下,用户根据网络中无人机基站的参考信号接收功率RSRP和无人机基站的Backhaul链路容量,选择N个无人机基站构建其无人机群组,包含一个理想Backhaul的系留无人机基站,和N-1个考虑非理想Backhaul下偏置参考信号接收功率BRSRP最大的无人机基站;系留无人机基站作为所述用户的无人机群组的管理节点,根据用户接收到的BRSRP值由大到小的顺序对群组中无人机基站进行排序并记录,并负责用户控制信令的传输;无人机群组中其余N-1个非理想Backhaul的无人机基站负责用户的数据传输;每个传输时间间隔,用户重新测量网络中无人机基站的RSRP值和无人机基站的Backhaul链路容量大小,系留无人机基站负责控制和记录所述用户的群组中无人机基站的添加、删除过程。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,每个传输时间间隔,用户重新测量网络中无人机基站的RSRP值和无人机基站广播的Backhaul链路容量值大小,重新选择加入所述用户无人机群组的无人机基站,并向系留无人机基站发送测量报告;系留无人机基站作为管理节点,判断所述用户的无人机群组是否需要更新;若更新非理想Backhaul的无人机基站,则系留无人机基站将删除原无人机群组中BRSRP值最小的无人机基站,同时将群组外BRSRP值最大的无人机基站加入群组,并更新存储在系留无人机基站的所述用户的无人机群组列表;若需要更新系留无人机基站,则系留无人机基站间执行切换流程,原无人机群组中系留无人机基站将所述用户的无人机群组列表传输给新加入群组的系留无人机基站,并由新加入的系留无人机基站作为所述用户的管理节点。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,用户在其无人机群组中的N-1个非系留无人机基站中,选择RSRP值最大的无人机基站作为服务基站,负责用户的数据传输。
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