CN110430542A - 一种面向无人机站点群组网的快速波束跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种面向无人机站点群组网的快速波束跟踪机制。具体的，用户通过上行波束扫描选择最优波束对与无人机群组建立波束对连接，并将次优波束对作为备份波束对；随着无人机站点和用户的移动，若原服务波束对和备份波束对都无法满足链路性能需求，用户对原服务波束对进行分层的两次波束跟踪；若原服务波束对两次波束跟踪结果仍无法满足波束对链路性能要求，用户对原备份波束对进行分层的两次波束跟踪。本发明的快速波束跟踪方法中增加了快速波速恢复过程，并且基于先前的波束跟踪结果来调整波束跟踪地区，与基于IEEE 802.11ay协议中的波束跟踪方法相比，在保证波束链路性能的同时减少了波束跟踪开销。

Description

一种面向无人机站点群组网的快速波束跟踪方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及后第五代移动通信系统(Beyond the5th generation，简称为B5G)中无人机站点群组网场景下地面用户和无人机之间的波束跟踪研究。

背景技术

随着5G的商用部署，学术界和产业界逐渐关注后5G(B5G)的关键技术研究，其中利用无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)作为站点为地面用户提供服务成为研究热点之一。近些年来，小型化和低成本的无人机逐渐开始流行，由于其部署灵活的特性，无人机被用来支持各种各样的服务，如在较危险或人迹罕至的地区进行数据收集、监视和较轻货物的运输，作为站点进行数据传输时主要被应用于补盲、补热场景。因此，将无人机应用于通信领域有巨大的市场潜力，可以有效提高部分地区的覆盖性能和链路性能。

然而，单个无人机在可持续性、稳定性、可靠性和覆盖范围等多个方面都具有局限性，并且在原服务无人机发生链路中断时，需要频繁使用新的无人机服务用户，容易造成服务的中断。利用无人机群组服务用户可以有效解决上述问题，使覆盖范围和可靠性得到保证。无人机群组中的一个无人机可以作为控制点，将数据回传到地面站点或者中继卫星，当无人机群组中的某个无人机损坏或者离开群组后，剩余的无人机仍然可以快速的自适应并继续执行任务。

当无人机通信数据量较大时，需要较大的带宽进行通信，毫米波(mmWave)技术可以满足无人机进行超高速的数据传输。然而，由于毫米波频段的路径损耗严重，通信距离受限。为了提高毫米波频段的通信距离，窄波束聚集了传输能量实现方向性通信。地面基站和用户之间的波束对准、波束跟踪和链路中断后的快速波束恢复在近些年一直是研究热点，希望可以设计新的波束对准、跟踪和快速波束恢复算法，从而减少用户和基站之间波束对准的时延、信令开销和波束选择的复杂度，而无人机站点具有移动性，通过波束扫描进行快速波束对准将更加频繁。此外，若无人机和用户侧都使用面阵天线(uniform planararray，UPA)时，相对于使用线性天线阵列(uniform linear array，ULA)，波束对准和波束跟踪方法将更加复杂。

事实上，基于IEEE 802.11ad和802.11ay的无线局域网(WLANs)已经有了在毫米波频段(例如，60GHz)使用面阵天线支持点到点和点对多点通信的相关设计，这两种无线局域网的波束管理机制也较易于应用到无人机之间和无人机与地面用户之间。基于802.11ay协议中的波束管理机制，无人机站点群组与地面用户通过波束扫描选择最佳波束对作为服务波束对；随着无人机和地面用户的移动，若服务波束对无法满足链路性能要求，即对服务波束对进行波束跟踪；由波束偏移角度和波束主瓣宽度确定需要跟踪的波束对范围，验证以服务波束对为中心的方形区域中的所有波束对的链路性能是否满足要求。

在现有技术方案中，存在以下缺陷：用户侧只与无人机群组中的一个无人机进行波束对连接，若该链路中断或者性能低于要求，缺少快速波束恢复的设计；依据波束偏移角度和波束主瓣宽度确定波束跟踪范围，需要验证服务波束对周围的所有波束对链路性能，造成不必要的波束跟踪开销。考虑到毫米波无人机站点群组被部署在天空，无人机之间及无人机与地面用户之间的相对位置变化频繁，这就需要无人机之间及无人机和地面用户之间频繁的波束跟踪以确保实时波束对准，从而提供可靠的、超高速的无线传输。此外，无人机的使用寿命受电池的限制，较高频率的波束训练可能会浪费宝贵的数据传输机会。

因此，在无人机站点群组和地面用户通过波束扫描建立波束对连接后，随着无人机站点和用户的移动，由于波束对被遮挡或者无人机站点远离用户等因素将导致原服务波束对链路性能降低到无法满足链路性能需求，如何实现无人机站点和地面用户之间的波束跟踪和快速波束恢复，在保证波束对链路性能的同时尽可能减少信令开销是亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的无人机群组和地面用户的快速波束跟踪方法主要分为两个部分。第一，快速波束恢复阶段。地面用户通过上行波束扫描过程与无人机群组建立初始的波束关联，用户侧选择信干噪比(SINR)最大的波束对作为服务波束对，并将次优的波束对作为备份波束对。若服务波束对的信干噪比低于链路性能要求的界限，使用备份波束对建立链路连接进行数据传输。第二，快速波束跟踪阶段。在初始接入的服务波束对和备份波束对的性能均无法满足链路性能要求时，基于面阵天线结构设计了分层的波束跟踪算法，由第一次波束跟踪结果中各个波束对的链路性能大致确定无人机移动方向，并通过第二次的波束跟踪确定新的服务波束对。

本发明的无人机群组和地面用户的快速波束跟踪算法描述如下：

步骤200，用户通过上行波束扫描选择最优波束对与无人机群组建立波束对连接，并将次优波束对作为备份波束对。

如图1所示，无人机群组中的一个无人机作为控制节点，将数据回传到地面基站，用户具有两个面阵每次激活一个用于数据传输，根据信干噪比选择性能最佳的两个波束对。如图2所示，信干噪比最佳的波束对作为服务波束对，次优波束对作为备份波束对，在最优波束对性能低于给定界限时先考虑激活另一个面阵的备份波束对，验证其是否满足信干噪比界限要求，若满足链路性能要求，由备份波束对服务地面用户；若无法满足性能要求，则进行下一步骤。

步骤210，若原服务波束对和备份波束对均无法满足链路性能需求，用户对原服务波束对进行分层的两次波束跟踪。

对以服务波束对为中心的周围波束对进行波束跟踪，给定两个SINR界限η₁和η₂(η₂＞η₁)，若在其周围的波束对中，仍然没有波束对的SINR大于η₁，则认为提供波束对连接的无人机远离该用户，用户进行下一步骤；若存在波束对的SINR大于η₂，则将SINR值最大的波束对作为服务波束对并停止波束跟踪；若周边波束对的最大SINR值大于η₁但是小于η₂，由各个波束对SINR值的情况大致判断该服务无人机的移动方向，选择其中SINR值最大的波束对并结合服务无人接移动方向进行第二次波束跟踪。

对于原服务波束对第二次波束跟踪的结果，若存在波束对的SINR值大于η₂，选择SINR值最大的波束对作为服务波束对；否则，用户进行下一步骤。

步骤220，若原服务波束对的波束跟踪结果仍无法满足波束对链路性能要求，用户对原备份波束对进行分层的两次波束跟踪。

对以备份波束对为中心的周围波束对进行波束跟踪，若在其周围的波束对中，仍然没有波束对的SINR大于η₁，则认为提供波束对连接的无人机远离该用户，用户进行下一次波束扫描选择其中SINR最大的波束对作为服务波束对，并将次优波束对作为备份波束对；若存在波束对的SINR大于η₂，则将SINR值最大的波束对作为服务波束对并停止波束跟踪；若周边波束对的最大SINR值大于η₁但是小于η₂，由各个波束对SINR值的情况大致判断该无人机的移动方向，选择其中SINR值最大的波束对并结合该无人机移动方向进行第二次波束跟踪。

对于原备份波束对第二次波束跟踪的结果，若存在波束对的SINR值大于η₂，选择SINR值最大的波束对作为服务波束对；否则，用户进行下一次波束扫描选择最佳波束对和备份波束对。

有益效果

本发明的面向无人机站点群组网的快速波束跟踪方法，用户通过上行波束扫描选择最佳波束对作为服务波束对，并将次优波束对作为备份波束对在服务波束对无法满足链路性能时进行快速波束恢复；提出了新的快速波束跟踪方法，选择原服务波束对及原备份波束对周边的波束对进行波束跟踪，若第一次波束跟踪的所有波束对均无法满足链路性能需求，选择其中信干噪比最大的波束对周边波束对并结合无人机移动方向进行第二次波束跟踪。因此，本发明在在保证波束对链路性能的同时降低了需要重新进行波束扫描选择服务波束对的频率，并且有效的降低了波束跟踪的开销。

附图说明

图1是本发明地面用户和无人机群组之间的毫米波波束连接场景示意图；

图2是本发明地面用户和无人机群组之间的波束对跟踪示意图；

图3是本发明的算法实施流程图；

图4是不同波束角偏移量(Beam angle offset)下本发明和ieee 802.11ay中波束跟踪开销的比较；

图5是不同波束宽度(Beamwidth)下本发明和ieee 802.11ay中波束跟踪开销的比较；

具体实施方式

本发明应用的系统架构或场景：

如图1所示，假设每个旋翼无人机支持多波束，与附近的无人机建立方向性波束链路，为了提供较高速率的无线回传链路，无人机群组中的一个无人机作为控制中心将数据回传到地面基站，该无人机与地面基站的回传链路仍为方向性波束。

考虑到在实际场景中(如补盲场景)，地面基站的数目较少。为了简化设计，本发明只分析如下场景：

1)与用户建立波束连接的无人机将数据传输给无人机群组控制中心，再通过回传链路将数据传输到地面基站；

2)地面只有一个基站与无人机群组控制中心进行连接，不考虑站点的切换；

3)分析无人机群组和地面基站的方向性波束连接，不考虑无人机通过卫星中继的数据回传方式。

假设在无人机群组中有M个无人机，表示为M＝{UAV₁,UAV₂,...,UAV_m}，每个无人机具有N个波束，对于UAV_i表示为相似的，地面基站具有L个波束，在本发明中认为地面基站只与无人机群组控制中心进行方向性的波束连接。

毫米波天线为面阵天线，为了覆盖到所有的方向，可以布置两个毫米波天线面阵分别位于无人机的上下方，地面的站点和用户同样采用毫米波天线面阵进行波束对的扫描跟踪。用户侧可以装配多个面阵天线，有如下的三种工作方式：1)一次只有一个面阵被激活，且面板转换的时延为毫秒级；2)一次有多个面阵被激活，但一次只有一个面阵用于数据传输；3)一次有多个面阵被激活且可以用于数据传输。本发明中考虑用户侧有两个面阵，可以同时被激活但只有一个被用于数据传输。

无人机之间及无人机与地面用户、地面基站之间的波束采用理想的天线模型建模，归一化的波束赋形增益为

其中，β是弧度制的波束主瓣宽度，υ是弧度制的波束偏移角度，ε为旁瓣增益。

用户接收功率为

其中，d为接收端和发送端之间的距离，P_t为发射功率，G_t为发送端波束赋形增益，G_r为接收端波束赋形增益，λ为波长，α为路径损耗指数。

若服务波束对来自UAV_i，则无人机群组中的其他无人机的波束对对于用户均属于干扰，用户侧的信干噪比为

其中，B为波束带宽，N₀为功率谱密度。

本发明无人机站点群组和地面用户的快速波束跟踪机制实施步骤：

步骤300,无人机群组中的一个无人机作为控制节点，将数据回传到地面基站，用户具有两个面阵每次激活一个用于数据传输，由上行波束扫描的结果根据信干噪比选择性能最佳的两个波束对，通过最优波束对与无人机群组建立波束对连接，并将次优波束对作为备份波束对。

步骤310,在最优波束对性能低于给定界限时先考虑激活另一个面阵的备份波束对，验证其是否满足信干噪比界限要求，若满足链路性能要求，由备份波束对服务地面用户；若无法满足链路性能要求，原服务波束对进开始进行快速波束跟踪。

步骤320,给定两个SINR界限η₁和η₂(η₂＞η₁)，若在第一次波束跟踪的波束对N_test1中，仍然没有波束对的SINR大于η₁，则认为目前与用户建立波束对连接的无人机正在远离该用户，对备份波束对进行快速波束跟踪；若存在波束对的SINR大于η₂，则将SINR值最大的波束对作为服务波束对并停止波束跟踪；若服务波束对周边波束对的最大SINR值大于η₁但是小于η₂，选择其中SINR值最大的波束对周边波束对并结合无人机移动方向，对N_test2个波束对进行第二次波束跟踪，如图2所示。

步骤340，对于服务波束对第二次波束跟踪的结果，若存在波束对的SINR值大于η₂，选择SINR值最大的波束对作为服务波束对；否则，用户对备份波束对进行快速波束跟踪。

步骤350，备份波束对的快速跟踪方法与服务波束对类似，若在备份波束对第一次波束跟踪的波束对N_test1中，仍然没有波束对的SINR大于η₁，则认为提供备份波束对连接的无人机正在远离该用户，需要进行下一次波束扫描选择出最优波束对作为新的服务波束对，并将次优波束对作为备份波束对；若存在波束对的SINR大于η₂，则将SINR值最大的波束对作为服务波束对并停止波束跟踪；若备份波束对周边波束对的最大SINR值大于η₁但是小于η₂，选择其中SINR值最大的波束对周边波束对并结合无人机移动方向，对N_test2个波束对进行第二次波束跟踪。

步骤360，对于备份波束对第二次波束跟踪的结果，若存在波束对的SINR值大于η₂，则选择SINR值最大的波束对作为服务波束对；否则，用户需要进行下一次波束扫描选择出最优波束对作为新的服务波束对，并将次优波束对作为备份波束对。

波束跟踪开销的计算：

基于本发明的快速波束跟踪算法的设计，可以得到完成一次快速波束跟踪过程需要的开销为

基于ieee 802.11ad/ay协议的波束跟踪方法，完成一次波束跟踪过程需要的开销为

其中，p₁为服务波束对波束跟踪结果满足信干噪比要求的概率，p₂为服务波束对波束跟踪结果无法满足信干噪比要求且备份波束对波束跟踪结果满足信干噪比要求的概率，N_test1为本发明中服务波束对或备份波束对第一次波束跟踪的波束对数目，N_test2为本发明中服务波束对或备份波束对第二次波束跟踪的波束对数目。

本发明方案实施的技术效果：

本发明的波束跟踪开销和波束角偏移量与波束宽度的关系如图4和图5所示。由图4和图5可知，在不同波束角偏移量和波束宽度时，本发明的波束跟踪开销与802.11ay协议中的波束跟踪开销相比均有增益。

图4比较了本发明和802.11ay协议波束跟踪方法中波束跟踪开销随波束角偏移量的变化关系。可见,在波束偏移角度小于10度时，本发明和802.11ay协议波束跟踪方法的波束跟踪开销几乎相同，而随着波束角度偏移量的增加，本发明的波束跟踪开销缓慢增加，同时802.11ay协议的波束跟踪开销增加明显。这是因为本发明可以基于当前波束跟踪结果灵活地调整下一波束跟踪的区域。因此,在给出的波束角度偏移量下，本发明提出的快速波束跟踪算法可以在低开销下实现波束对准，这对于可持续性无人机无线通信是很重要的。

图5比较了本发明和802.11ay协议波束跟踪方法中波束跟踪开销随波束宽度的变化关系。随着波束宽度的增加，两种方案的波束跟踪开销均减少，802.11ay协议的波束跟踪开销减少的更快，但本发明的波束跟踪开销始终低于802.11ay协议的波束跟踪开销。此外,随着波束宽度的减小，本发明波束跟踪开销性能得到改善较高。原因是，随着波束宽度的减小，两种方案均需要更多的光束来覆盖所有的方向，而802.11ay协议的波束跟踪方案需要跟踪更多的波束导致开销增加更快。本发明提出的快速波束跟踪方法可以基于先前的波束跟踪结果来调整波束跟踪地区，从而减少了波束跟踪开销。

Claims (5)

1.一种面向无人机站点群组网的快速波束跟踪方法，其特征在于，包括：无人机群组中的一个无人机作为控制节点并将数据回传到地面基站，用户通过上行波束扫描选择最优波束对与无人机群组建立波束对连接，并将次优波束对作为备份波束对；随着用户和无人机站点的移动，若原服务波束对和备份波束对都无法满足链路性能需求，用户先对原服务波束对基于无人机运动方向进行两次波束跟踪；若原服务波束对的波束跟踪结果仍无法满足波束对链路性能要求，用户对原备份波束对基于无人机运动方向进行两次波束跟踪；若对原服务波束对和原备份波束对的波束跟踪结果均不满足链路性能要求，用户进行下一次波束扫描，在原有地面站点场景中，当用户服务波束对性能不佳时优先波束跟踪再进行波束恢复过程，本发明考虑到无人机站点具有很强的移动性优先波束恢复过程，当无法满足波束链路性能时再进行波束跟踪，并且给出了更适用于无人机站点的两次波束跟踪方法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在快速波束跟踪前加入了快速波束恢复过程，用户具有两个面阵每次激活一个用于数据传输，将信干噪比最大的波束对作为服务波束对且次优波束对作为备份波束对，两者属于无人机群组中的不同无人机站点，当服务波束对性能低于给定信干噪比界限时先考虑激活另一个面阵的备份波束对，验证其是否满足信干噪比界限要求，若满足链路性能要求，则由备份波束对服务地面用户。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，若服务波束对和备份波束对均无法满足链路性能要求，则先对原服务波束对周边的波束对进行波束跟踪，给定两个信干噪比界限η₁和η₂(η₂＞η₁)，若在周边的波束对中，仍然没有波束对的信干噪比大于η₁，则认为无人机远离该用户，用户对备份波束对进行波束跟踪；若存在波束对的信干噪比大于η₂，则将信干噪比最大的波束对作为服务波束对并停止波束跟踪；若周边波束对的最大信干噪比大于η₁但是小于η₂，则需进行第二次波束跟踪，原有分层的波束跟踪方法为先测量与原服务波束对一定间隔的波束对信号强度，再选择其中信干噪比最大的波束对周边波束对进行测量，不对第一次的波束跟踪结果分类分析，从而本发明相比原有分层波束跟踪方法进一步减少波束跟踪时延。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，由原服务波束对和第一次波束跟踪信干噪比最大的波束对的相对位置大致判断无人机移动方向，相比于原有分层波束跟踪方法缩小第二次波束跟踪地区范围，在第二次波束跟踪中若存在波束对的信干噪比大于η₂，选择信干噪比最大的波束对作为服务波束对；否则，用户对原备份波束对进行波束跟踪。

5.根据权利要求1和4所述的方法，其特征在于，用户对服务波束对的波束跟踪结果无法满足链路性能要求时，再对备份波束对进行波束跟踪，波束跟踪过程与服务波束对相同，若跟踪结果仍无法满足链路性能要求，用户进行下一次上行波束扫描，而原有波束跟踪方法只对服务波束对进行波束跟踪，本发明将进一步减少信令开销和功耗。