CN110430550B - 一种面向无人机辅助蜂窝网络的宏站用户分流方法 - Google Patents

Abstract

为解决B5G/6G网络面对的更高覆盖、更大容量需求，针对现有地面蜂窝网络难以保障边缘用户性能的缺点，本发明实施例提供一种面向无人机辅助蜂窝网络的宏站用户分流方案，从而为边缘用户提供动态覆盖。受益于无人机基站大概率视距链路带来的高信道增益，以及可控移动性带来的灵活部署特性，本方案中一个或多个无人机以地面宏基站为中心，以顺时针或逆时针的方向做圆周运动，利用视距链路和天线增益为宏小区用户提供高数据传输速率。通过调整无人机的运动轨迹半径、飞行高度、飞行速度、发射功率等参数，动态调整无人机覆盖范围，从而实现网络性能最大化。

Description

一种面向无人机辅助蜂窝网络的宏站用户分流方法

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(Beyond 5thGeneration，B5G)和第六代移动通信(6th Generation，6G)中，无人机辅助蜂窝网络的宏站用户分流方法。

背景技术

B5G/6G网络将面对用户需求的巨大挑战，这些挑战包括更高的覆盖、更大的容量、更高的频谱效率、更低的开销等。在现有的地面蜂窝网络中，位于地面宏小区边缘的用户到基站距离较远，接收信号强度弱，现有地面蜂窝网络难以保障边缘用户的覆盖、容量性能。

受益于无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)基站大概率视距(Line-of-Sight，LoS)链路带来的高信道增益，以及可控移动性带来的灵活部署特性，UAV通信成为未来B5G/6G网络覆盖、容量增强的重要候选技术，为补盲、补热场景提供解决方案。利用UAV的LoS链路分流地面基站的用户数据，满足地面小区边缘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UAV覆盖范围，并保障边缘用户服务的公平性。

在UAV辅助蜂窝网络中，利用UAV对宏站用户分流方案仍然面临着以下挑战：1)UAV部署参数设计，UAV的部署高度、飞行速度以及移动轨迹的设计，均会影响网络容量的大小；2)UAV的无线回程链路，由于UAV的高动态移动性，UAV基站的回程只能使用非理想的无线回程链路，如何将移动UAV基站回传至核心网需要进一步设计；3)高动态移动性UAV导致用户频繁切换问题，UAV的移动性使得用户在UAV和地面宏基站之间来回切换，无法保证UAV服务连续性。

针对上述挑战，本方案提出的一种面对UAV辅助蜂窝网络的宏站用户分流方法，该方法中，UAV以地面宏站为中心做圆周运动，为宏小区边缘用户提供覆盖和容量，在地面宏站具有有线理想回程链路的情况下，UAV的回程由地面宏站传送至核心网，并采用控制面/用户面分离的架构，宏站负责用户的控制平面，UAV负责用户的数据传输，从而降低切换信令的开销。

发明内容

本发明提出了一种面向UAV辅助蜂窝网络的宏站用户分流方法，通过UAV的大概率的LoS链路和高动态移动性，为地面宏基站分流用户数据流量，减轻地面宏基站的传输压力，并为宏小区边缘用户提供更高覆盖和更大容量。

本发明提出了一种面向UAV辅助蜂窝网络的宏站用户分流方法，UAV利用其高动态移动性，以圆周运动方式为宏小区边缘用户提供服务，该方法包括：

UAV辅助蜂窝网络中，一个或多个UAV基站分布在地面宏小区边缘，以宏基站为中心，做顺时针或逆时针方向的周期性圆周运动，为宏小区边缘的低容量用户提供高动态大容量分流。

较佳的，该方法还包括：

UAV的飞行速度不能超过UAV最大飞行速度V_max的限制；

UAV飞行高度需要满足最大飞行高度H_max和最小飞行高度H_min的限制；

UAV之间存在最小飞行间距d_min的限制。

UAV辅助蜂窝网络中，可以存在多个UAV基站为用户提供服务，从而减轻地面基站传输数据压力。因此，UAV基站的个数由宏基站覆盖范围内用户数量决定，即

其中N_{total user}为宏基站覆盖范围内用户数，N_BS为宏基站服务的最大用户数，N_UAV为UAV服务的最大用户数，N_max为网络中UAV数量上限。

若同一宏基站范围内存在多个UAV，则上述UAV具有相同的运动方向、运动半径和速度，且任意相邻两个UAV与宏基站的夹角为

实现UAV间距的最大化；

UAV数量受到UAV最小飞行间距限制，网络中UAV数量上限需要使以下不等式成立：

其中，

为等间距部署N_max个UAV时，相邻两个UAV的间距，d_min为UAV最小飞行间距，R_t为UAV运动半径。

UAV部署位置和移动范围不超过地面宏小区覆盖范围，从而保证UAV接收到的宏基站信号强度大于接收信号强度阈值，因此UAV的运动半径需要满足

其中，

为UAV运动半径阈值，P_B为宏基站信号发射功率，θ_B为宏基站用户接收信号强度阈值，α为路径损耗指数。

UAV的覆盖半径可以通过UAV飞行高度、发射功率进行调整，从而匹配边缘用户的分布情况。UAV覆盖半径与飞行高度、发射功率的关系表示为：

其中，R_U为UAV覆盖半径，β_LOS为视距链路增益，κ为天线下倾角增益，P_U为UAV发射功率，θ_UAV为UAV用户接收信号强度阈值，H为UAV高度。

较佳的，该方法还包括：

UAV利用其视距链路信道增益和下倾角天线增益为用户提供高数据速率，用户根据接收信号强度，选择UAV基站或者地面宏基站为其服务站，包括：

若用户接收的宏基站信号强度大于UAV信号强度，则接入宏基站；

若用户接收的UAV信号强度大于宏基站信号强度，则UAV根据自身运动速度、用户空间位置和接入阈值，预测用户接入时间是否大于接入时间阈值：

若预测结果显示用户接入时间长度大于接入时间阈值，则UAV允许所述用户接入UAV；

若预测结果显示用户接入时间长度小于接入时间阈值，则所述用户接入宏基站。

基于上述对用户接入时间的预测和接入时间阈值的设置，可避免用户因接入UAV时间过短而导致的不必要切换，从而减少乒乓率(Ping-Pong Rate，PP Rate)和网络的信令开销。

UAV根据用户到宏基站距离、UAV覆盖半径、飞行速度、运动轨迹半径，预测用户接入时间长度，表示为

其中，t为预测的用户接入UAV时间长度，d_B为用户到宏基站距离，v为UAV移动速度。

较佳的，该方法还包括：

根据地面宏基站回程链路情况，设计UAV回程链路，包括：

若地面宏基站具有有线回程链路，例如光纤链路，认为宏基站具有理想回程链路，这种情况下UAV无线回程通过地面基站接入至核心网；

若地面基站具有非理想无线回程链路，UAV回程链路通过空中回程平台等其他回程方式接入至核心网。

在地面宏基站具有理想回程链路的情况下，采用控制面与用户面(Control-Plane/User-Plane，CP/UP)分离的网络架构设计，由宏基站负责控制面，UAV负责用户面。

在这种架构下，用户可以接受到来自邻近UAV的数据包，并被较远处的宏基站控制。与传统的架构相比，所述架构降低了信令开销，这是因为UAV在网络中不广播标志不同UAV的UAV小区特有的控制信号/信道(例如，初级/次级同步信号PSS/SSS，小区特有的参考信号CRS，主信息块MIB，系统信息块SIB等)，因此，UAV对用户来说是透明的。

用户在UAV基站和地面宏基站之间实现无感知切换，包括：

宏基站负责管理用户和UAV之间的无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)流程，包括会话的建立和释放；

核心网的移动管理实体(Mobility Management Entity，MME)仅记录用户在宏基站之间的切换，不记录用户从UAV到宏基站、或者从UAV到UAV的切换，实现UAV对用户的透明切换。

本发明的宏站用户分流方法包括以下步骤：

步骤200，计算网络中需要部署的UAV数量，并设置合理的UAV运动轨迹半径、飞行高度、飞行速度、接入时间长度阈值等部署参数。

UAV的部署数量由

决定，同一宏基站范围内的多个UAV具有相同的运动方向、运动半径和速度，且任意相邻两个UAV与宏基站的夹角为

UAV运动轨迹半径处UAV接收到的宏基站信号强度大于宏站用户接收信号强度阈值，UAV的覆盖半径由UAV飞行高度和发射功率决定，表示为

步骤210，用户根据接收信号强度，选择UAV基站或者地面宏基站作为其服务站。

用户接收到的宏基站信号强度为

接收到的UAV信号强度为

其中，d_B为用户到宏基站的距离，r_U为用户到UAV投影的水平距离。

若RSS_U>RSS_B，且UAV预测的用户接入时间长度

则用户接入UAV基站；否则用户接入地面宏基站。

步骤220，UAV的回程经过地面宏基站或者空中回程平台等方式，将数据回传至核心网。

若地面宏基站具有有线回程链路，例如光纤链路，认为宏基站具有理想回程链路，这种情况下UAV无线回程通过地面基站接入至核心网；

若地面基站具有非理想无线回程链路，UAV回程链路通过空中回程平台接入至核心网。

现有技术对比

现有技术方案中，利用UAV的移动性，UAV基站在单个宏小区或多个宏小区边缘周期性运动，每个时隙UAV获取当前用户分布位置，并在此基础上决定下一时刻UAV基站移动方向和速度，以及下一时刻的资源分配。此外，为了实现UAV基站的周期性运动，还需要满足UAV基站本周期末时刻的空间位置与下一周期开始时刻的空间位置在约束范围内，即两个时刻的UAV位置距离在最大速度的限制下是可达的。该方案的问题公式化如下所示：

s.t.

||q_m[n+1]-q_m[n]||²≤(v_maxT)²,n＝1,2,...,N-1

其中，a_k,m[n]表示用户k与UAV m在n时刻的附着关系，q_m[n]表示UAV m在n时刻的位置，p_m[n]表示UAV m在n时刻的发射功率。

现有技术方案而的目标是通过调整用户与UAV基站/宏站的附着关系、UAV基站的移动轨迹和发射功率(或者基站资源分配)，使得当前网络性能最大化。

然而，上述公式化求解目标是一个非凸问题，求解过程中需要对多个参数分别迭代求解，从而计算出网络当前时刻最优参数。现有技术二需要分解成三个子优化问题，分别是：对用户附着关系的求解，对UAV基站移动轨迹的求解，以及对UAV基站和宏站之间资源分配问题的求解。

然而对于现有技术二的求解方案存在两个主要问题：一是每个时刻均需进行大量计算，算法复杂度高；二是无法得到全局最优解。这是因为，上述三个问题的优化参数与优化目标之间是紧耦合的，需要通过三个问题的迭代优化才能得到局部最优解，然而无法证明得到的网络参数的局部最优解是全局最优解。

本发明简化UAV的移动轨迹模型，UAV基站以规则圆周运动方式，在宏小区边缘分流宏站用户。该方案通过调整UAV基站个数、UAV基站高度、运动轨迹半径、运动速度与运动周期，优化网络性能，例如网络覆盖率和平均用户吞吐量。因此，相对于现有技术二，本发明大大降低了计算的复杂度。

有益效果

本发明的一种面向UAV辅助蜂窝网络的宏站用户分流算法，利用UAV的高LoS链路带来的高信道增益，以及UAV天线下倾角范围内的天线增益，为地面宏小区边缘用户提供高数据传输速率，提升网络整体性能水平；利用UAV的高动态移动性为地面宏小区边缘用户提供动态覆盖，与宏基站相同距离的用户的UAV服务时间相同，从而减少用户性能差异性，保障服务公平性。

附图说明

图1是本发明的UAV辅助蜂窝网络系统模型；

图2是本发明的算法实施流程图；

图3是本发明的UAV/宏基站服务用户覆盖率随信干噪比(Signal-to-Interference-Noise Ratio,SINR)阈值变化关系的示意图；

图4是本发明的UAV/宏基站服务用户覆盖率随UAV运动轨迹半径变化关系的示意图；

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为在UAV辅助蜂窝网络中宏站用户分流的系统模型图。该场景中共部署3个UAV，UAV以地面宏基站为中心，做逆时针圆周运动，圆周运动轨迹半径为R_t，飞行高度为H，速度为v，且上述3个UAV中任意两者与地面宏基站的夹角均为

即120°。UAV的覆盖半径由UAV飞行高度、发射功率、LoS链路信道增益、天线增益共同决定，为

地面宏基站的覆盖半径由宏基站用户接收信号强度阈值决定，为

UAV的运动轨迹半径不超过宏基站覆盖范围，即R_t<R_B。特殊的，在该示例场景中，UAV运动轨迹半径R_t、UAV覆盖半径R_U和地面宏基站覆盖范围半径R_B的关系满足R_t+R_U＝R_B，从而实现UAV为宏小区边缘用户的覆盖、容量提升。

根据用户所处的空间位置，即用户与宏基站距离，网络中存在两类用户，分别为混合服务用户和宏基站服务用户。与宏基站距离为d_B的用户存在被地面宏基站服务和被UAV基站服务两种情况，被称为混合服务用户，其中用户-宏基站距离d_B、UAV覆盖半径R_U、UAV运动轨迹半径需要满足R_t d_B+R_U>R_t。当UAV移动过程中处于所述用户上方，此时所述用户与所述UAV地面投影的水平距离r_U满足r_U<R_U时，UAV通过对用户-宏基站距离d_B、UAV运动速度v、UAV运动轨迹半径R_t进行判断，根据公式

预测用户接入UAV基站的接入时间长度，若预测的接入时间长度t大于网络中设定的接入时间长度阈值t₀，即t>t₀，则UAV基站允许所述用户接入。否则，为了避免因接入时间长度过短而引起的用户频繁切换和不必要切换，UAV基站不允许所述用户接入，所述用户将仍被地面宏基站服务。

对于宏基站服务用户，用户与地面宏基站距离d_B、UAV覆盖半径R_U、UAV运动轨迹半径满足d_B+R_U<R_t，所述用户在UAV移动过程中始终无法处于UAV覆盖范围内，因此UAV基站无法为其提供服务，所述用户的所有数据均由地面宏基站提供。

本实例中，地面宏基站具有理想有线回程链路，UAV基站的回程通过地面宏基站接入至核心网。在所述情况下，网络架构采用控制面与用户面分离的设计，由宏基站负责控制面，UAV负责用户面。用户在UAV基站和地面宏基站之间实现无感知切换，包括：

宏基站负责管理用户和UAV之间的RRC流程，包括会话的建立和释放；

核心网的MME仅记录用户在宏基站之间的切换，不记录用户从UAV到宏基站、或者从UAV到UAV的切换，实现UAV对用户的透明切换。

图2是本发明的算法实施流程图。本发明的宏站用户分流方法包括以下步骤：

步骤300，计算网络中需要部署的UAV数量，并设置合理的UAV运动轨迹半径、飞行高度、飞行速度、接入时间长度阈值等部署参数。

UAV的部署数量由宏基站覆盖范围内用户数量决定，即

其中，UAV数量受到UAV最小飞行间距限制，网络中UAV数量上限需要使不等式

成立。

同一宏基站范围内存在多个UAV情况下，则上述UAV具有相同的运动方向、运动半径和速度，且任意相邻两个UAV与宏基站的夹角为

实现UAV间距的最大化。

UAV部署位置和移动范围不超过地面宏小区覆盖范围，UAV接收到的宏基站信号强度大于宏站用户接收信号强度阈值，因此UAV的运动半径需要满足

UAV根据边缘用户的分布情况，通过调节UAV飞行高度、发射功率，改变覆盖范围，其覆盖半径为

步骤310，用户根据接收信号强度，选择UAV基站或者地面宏基站作为其服务站。

用户接收到的宏基站信号强度为

接收到的UAV信号强度为

其中，d_B为用户到宏基站的距离，r_U为用户到UAV投影的水平距离。

若UAV的信号强度大于宏基站的信号强度，即RSS_U>RSS_B，UAV预测的用户接入时间长度，若预测的用户接入时间长度大于网络设定的接入时间长度阈值，则UAV基站允许用户接入；

若RSS_U>RSS_B的情况下，UAV预测的用户接入时间长度小于网络设定的接入时间长度阈值，则UAV基站不允许所述用户接入，所述用户仍被地面宏基站服务；

若UAV的信号强度小于宏基站的信号强度，即RSS_U<RSS_B，用户接入地面宏基站。

用户接入UAV的时间长度与用户到宏基站距离、UAV覆盖半径、飞行速度、运动轨迹半径有关，表示为

对于网络中存在的两类用户，宏基站服务用户和混合服务用户，两者的信干噪比覆盖率和速率需要分开计算：

步骤320，UAV的回程经过地面宏基站或者空中回程平台等方式，将数据回传至核心网。

人机回程链路的设计与地面宏基站回程条件有关：

若地面宏基站具有有线回程链路，例如光纤链路，认为宏基站具有理想回程链路，这种情况下UAV无线回程通过地面宏基站接入至核心网；

若地面基站具有非理想无线回程链路，UAV回程链路通过空中回程平台接入至核心网。

在地面宏基站具有理想回程链路的情况下，采用控制面与用户面分离的设计，由宏基站负责控制面，UAV负责用户面。

用户在UAV基站和地面宏基站之间实现无感知切换，包括：

宏基站负责管理用户和UAV之间的RRC流程，包括会话的建立和释放；

核心网的MME仅记录用户在宏基站之间的切换，不记录用户从UAV到宏基站、或者从UAV到UAV的切换，实现UAV对用户的透明切换。

仿真结果如附图3和附图4所示，网络中设置3个UAV基站，其中地面宏基站的覆盖半径设置为240m，UAV的高度设置为50、100、150m，UAV圆周运动轨迹半径设置为160、80m，UAV的运动速度设置为10、50m，用户接入时间长度阈值设置为2s。

附图3给出了UAV用户和宏基站用户SINR覆盖率随SINR阈值变化关系。由图可见，随着SINR阈值减小，地面宏基站用户的SINR覆盖率逐渐趋近于1，然而UAV用户的SINR覆盖率趋近于0.9、0.8左右，无法趋近于1。这是由于UAV用户处于地面宏基站的覆盖范围内，受到地面宏基站的强同频干扰造成的，因此，为了进一步提升UAV服务的边缘用户质量，可以设置UAV和宏基站的协作机制，从而避免小区间同频干扰。

此外，UAV圆周运动轨迹半径越大，UAV用户的SINR覆盖率越高。这是因为，当UAV运动轨迹半径较大时，UAV服务用户与地面宏基站的距离较远，用户-宏基站的干扰链路具有较大的路径损耗，因此受到的干扰信号较小，SINR覆盖率上升。

还可以看出，UAV用户的SINR覆盖率随UAV高度的增加而降低。这是因为，尽管增加UAV高度可以增加用户-UAV链路的LoS传输概率，提升信道增益，但是另一方面，高度的增加使得用户到服务UAV基站的距离增加，传输路径距离增加使得链路的路径损耗急剧上升。因此，综合LoS链路概率带来的信道增益和传输距离导致的路径损耗增加两点来看，传输距离导致的损耗大于LoS链路的信道增益，导致了SINR覆盖率的降低。

附图4给出了宏基站用户和UAV用户SINR覆盖率随UAV运动轨迹半径的变化关系。图中可以看出，UAV运动轨迹的变化对宏基站用户SINR覆盖率性能影响不明显，这是因为UAV用户运动轨迹半径的改变至影响了宏基站用户中的小部分用户的干扰情况变化。UAV用户性能随着UAV运动轨迹半径的增加而增加，这是因为当UAV圆周运动轨迹较大时，UAV服务用户距离地面宏基站较远，在与UAV基站具有相同的服务距离的情况下，UAV运动轨迹半径较大时的服务用户的干扰水平的期望较小，因此SINR覆盖率较高。

此外，UAV高度会影响UAV用户的SINR覆盖率，与图3呈现相同的现象。类似的，这是因为，综合LoS链路概率带来的信道增益和传输距离导致的路径损耗增加两点来看，传输距离导致的损耗大于LoS链路的信道增益，导致了SINR覆盖率的降低。

最后，增加UAV的移动速度会降低UAV服务用户的SINR覆盖率。这是因为，当网络预先设定的用户接入时间长度不变时，随着UAV移动速度的增加，会使得UAV覆盖范围边缘处有更多的用户不能满足接入时间长度的限制。这一点也可以从

式中看出，用户接入时间长度与UAV移动速度成反比，UAV移动速度的增加降低了用户接入时间长度。因此UAV服务用户范围减少，用户SINR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)

1.一种面向无人机辅助蜂窝网络的宏站用户分流方法，其特征在于，包括：

无人机辅助蜂窝网络中，一个或多个无人机基站分布在地面宏小区边缘，以宏基站为中心，做顺时针或逆时针方向的周期性圆周运动，为宏小区边缘的低容量用户提供高动态大容量分流；

无人机利用其视距链路信道增益和下倾角天线增益为用户提供高数据速率上下行服务，用户根据接收信号强度，选择无人机基站或者地面宏基站作为其服务站；通过调节无人机飞行高度、发射功率，改变覆盖范围实现网络性能最大化，其覆盖半径为

其中，R_U为无人机覆盖半径，β_LOS为视距链路增益，κ为天线下倾角增益，P_U为无人机发射功率，θ_UAV为无人机用户接收信号强度阈值，H为无人机高度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，无人机基站的个数由宏基站覆盖范围内用户数量决定，即

其中N_{total user}为宏基站覆盖范围内用户数，N_BS为宏基站服务的最大用户数，N_UAV为无人机服务的最大用户数，N_max为网络中无人机数量上限；

若同一宏基站范围内存在多个无人机，则上述无人机具有相同的运动方向、运动半径和速度，且任意相邻两个无人机与宏基站的夹角为

实现无人机间距的最大化。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，无人机数量受到无人机最小飞行间距限制，网络中无人机数量上限需要使以下不等式成立：

其中，

为等间距部署N_max个UAV时，相邻两个UAV的间距，d_min为UAV最小飞行间距。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用户接入无人机的时间长度与用户到宏基站距离、无人机覆盖半径、飞行速度、运动轨迹半径有关，表示为

其中，t为预测的用户接入无人机时长，R_t、R_U分别为无人机轨迹半径、覆盖半径，d为用户到宏基站距离，v为无人机移动速度。

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