CN111417126B

CN111417126B - 星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法及装置

Info

Publication number: CN111417126B
Application number: CN202010213999.3A
Authority: CN
Inventors: 冯伟; 方欣然; 葛宁
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: CN111417126A

Abstract

本发明实施例提供一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法及装置，包括：基于每一近海小区岸基基站、无人机与近海终端之间的大尺度衰落信道、每一近海小区岸基基站、无人机与远海终端之间的大尺度衰落信道，在确保远海终端所受干扰小于预设值的前提下，构建优化模型；优化目标为：最大化所有近海终端的最小速率。优化模型确定所有近海小区的基站与无人机的发射功率。本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法及装置，在海域通信场景下，通过优化分配近海小区岸基基站、无人机的功率，在满足对卫星网络干扰限制条件的基础上，最大化通信链路的最小速率，保障近海用户获取通信资源的公平性，确保近海小区信号的覆盖。

Description

星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法及装置。

背景技术

近年来，不断增长的海洋勘探、航运、军事等多方面的需求以及人类在海上活动的日益频繁，海域宽带通信受到了越来越多的关注。

然而，海域通信由于其场景的特殊性，发展速度较为缓慢。目前近海无线通信面临岸基基站部署的难度大、可用站址少的问题，覆盖范围受限；卫星通信虽可解决海域通信的覆盖问题，但是其造价成本高、传输时延大，限制了海域通信向高带宽、低时延方向的发展。并且地面系统和卫星系统之间几乎相互独立，加上通信频段、带宽的分配不统一，系统间不兼容带来的干扰问题大大制约了海域通信的发展。

针对沿海基站覆盖范围小的问题，逐渐兴起的无人机通信，其灵活的移动性，可以弥补岸基基站站址受限的缺点，覆盖通信盲区，扩大近海宽带通信范围，提升通信质量。综合考虑岸基基站和无人机基站以及卫星系统是提升海洋网络覆盖性能的重要途经，但面临系统内部和系统间复杂干扰难题。如何协调各个子系统的资源分配策略，同时控制干扰，满足所有用户的通信需求，提升通信质量，是当下急需解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法及装置，用于解决现有技术中的上述技术问题。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法，包括：

基于每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道、每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道构建优化问题模型；所述优化问题模型的目标为：最大化所有近海用户中的最小速率；

计算所述优化问题模型的最优解，并根据所述最优解确定每一近海小区所有基站的发射功率。

进一步地，所述优化问题模型的约束条件为：

a、任一目标近海小区的所有基站的功率之和小于等于所述目标近海小区的总发射功率；

b、任一目标近海小区的任一基站的功率大于等于零；

c、所有近海小区对远海终端的干扰之和小于等于预设阈值。

进一步地，所述最小用户速率是指用户速率在小尺度衰落下平均值的最小值。

进一步地，所述构建优化问题模型之前，还包括：

根据每一近海小区基站的位置与近海终端的位置确定每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道；根据每一近海小区基站的位置与远海终端的位置确定每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道。

另一方面，本发明实施例提供一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置，包括：

构建模块，用于基于每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道、每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道构建优化问题模型；所述优化问题模型的目标为：最大化所有近海用户中的最小速率；

计算模块，用于计算所述优化问题模型的最优解，并根据所述最优解确定每一近海小区所有基站的发射功率。

进一步地，所述优化问题模型的约束条件为：

b、任一目标近海小区的任一基站的功率大于等于零；

c、所有近海小区对远海终端的干扰之和小于等于预设阈值。

进一步地，还包括确定模块，所述确定模块用于根据每一近海小区基站的位置与近海终端的位置确定每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道，根据每一近海小区基站的位置与远海终端的位置确定每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道。

再一方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述第一方面提供的方法的步骤。

又一方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述第一方面提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法及装置，在海域通信场景下，通过优化分配近海小区无人机和岸基基站的功率，在满足对卫星网络干扰限制条件的基础上，可以最大化通信链路的最小速率，保障近海用户获取通信资源的公平性，实现对近海区域的信号覆盖。

附图说明

图1为本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法示意图；

图2为本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络场景示意图；

图3为本发明实施例提供的不同条件下仿真性能比较示意图；

图4为本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置示意图；

图5为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法，其执行主体为星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置。该方法包括：

步骤S101、基于每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道、每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道构建优化问题模型；所述优化问题模型的目标为：最大化所有近海用户中的最小速率。

具体来说，首先，根据每一近海小区(简称小区)的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道、每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道构建优化问题模型，该优化问题模型的目标为：最大化所有近海用户中的最小速率。

根据近海小区基站位置信息和近海终端位置信息来确定每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道。根据近海小区基站位置信息和远海终端的位置信息来确定每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道。

近海终端(也称近海用户)是指位于近海小区覆盖范围内的终端，近海终端由近海小区的基站提供通信服务。远海终端(也称卫星用户)是指近海小区覆盖不到的范围内的终端，远海终端由卫星提供通信服务。近海小区的基站包括岸基基站和/或无人机基站，近海终端由近海小区的岸基基站和/或无人机基站协同提供通信服务。

步骤S102、计算所述优化问题模型的最优解，并根据所述最优解确定每一近海小区所有基站的发射功率。

具体来说，在确定优化问题模型之后，计算该优化问题模型的最优解，最优解为每一近海小区所有基站的最优发射功率，根据该最优解确定每一近海小区所有基站的发射功率。

计算该优化问题模型的最优解的过程中，首先需要简化目标函数，降低求解复杂度。

然后，初始化每个近海小区的发射功率，在各近海小区采用功率均分的策略使其满足对卫星用户的干扰限制，并且给定算法迭代的终止门限。

最后，在迭代过程中，求解优化问题，一直到迭代结束，获取该优化问题模型的最优解。

本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法，在海域通信场景下，通过优化分配近海小区无人机和岸基基站的功率，在满足对卫星网络干扰限制条件的基础上，可以最大化通信链路的最小速率，保障近海用户获取通信资源的公平性，实现对近海区域的信号覆盖。

基于上述任一实施例，进一步地，所述优化问题模型的约束条件为：

b、任一目标近海小区的任一基站的功率大于等于零；

c、所有近海小区对远海终端的干扰之和小于等于预设阈值。

具体来说，在本发明实施例中，以近海小区的每个小区发射功率和卫星用户(远海终端)干扰功率为限制条件，具体约束条件如下：

任一近海小区的所有基站的功率之和小于等于该近海小区的总发射功率。

为任一近海小区的任一基站分配的功率大于等于零。

所有近海小区对远海终端的干扰之和小于等于预设阈值。

基于上述任一实施例，进一步地，所述最小用户速率是指用户速率在小尺度衰落下平均值的最小值。

具体来说，在本发明实施例中，最小用户速率是指用户速率在小尺度衰落下平均值的最小值。

基于上述任一实施例，进一步地，所述构建优化问题模型之前，还包括：

具体来说，在本发明实施例中，在构建优化问题模型前，首先需要根据近海小区基站位置信息和近海终端位置信息来确定每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道。根据近海小区基站位置信息和远海终端位置信息来确定每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道。

本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法，在海域通信场景下，通过优化分配近海小区岸基基站、无人机功率，在满足对卫星网络干扰限制条件的基础上，可以最大化通信链路的最小速率，保障近海用户获取通信资源的公平性，实现对近海区域的信号覆盖。

下面以一个具体的例子对上述各实施例中的方法进一步说明：

在海域通信场景下，假设共有K个近海小区，每个小区中有一个目标移动用户(这个由系统的调度策略决定，随着系统调度策略改变，目标用户群发生变化是进行相应更新)，在第k个小区，有N_k个岸基基站和P_k个无人机基站进行协同服务，近海小区间通过回程链路相连接来实现信道信息共享。岸基基站和无人机基站无法覆盖的远海区域通过卫星网络进行通信。所有的用户共用相同的频段，岸基基站、无人机基站和远海终端均假设带有单根天线，近海终端带有M_k根天线。

考虑每个近海小区只有一个通信终端的场景。定义H^(k,i)为第i个近海小区的基站(包括岸基基站和无人机基站)与第k个近海小区的近海终端之间的信道矩阵，

h′⁽ⁱ⁾为第i个近海小区的基站与远海终端之间的信道矩阵，

它们的表达式如下：

H^(k,i)＝S^(k,i)L^(k,i)

h′⁽ⁱ⁾＝s′⁽ⁱ⁾L′⁽ⁱ⁾

其中，

代表小尺度衰落信道矩阵，矩阵中的每一个元素都是均值为0，方差为1的独立同分布的循环复高斯变量。

代表大尺度衰落信道矩阵，L和L′为对角阵。为了表达方便，定义

为第n个对角元素，

为L′⁽ⁱ⁾第n个对角元素。

定义

为第i个近海小区的发送信号，n^(k)为第k个近海小区的加性高斯白噪声，它的每一个元素都是均值为0，方差为σ²独立同分布的循环复高斯变量。定义

为第k个小区用户受到的噪声和干扰信号功率在小尺度下的平均值，

的表达式如下：

第k个小区用户可获得的速率用R^(k)(Φ)表示，R^(k)(Φ)的表达式如下：

其中，Φ为系统中所有基站的功率矩阵，Φ＝diag{Φ⁽¹⁾,...,Φ^(K)}，Φ^(k)为第k个近海小区的功率矩阵，假设每个小区的最大发射功率为定值P^(k)，每个小区的发射功率应满足如下条件：

tr(E[x^(k)x(k)H])＝tr(Φ^(k))≤P^(k)

考虑网络间干扰，当卫星用户靠近近海小区的时候，会受到多个小区岸基基站和无人机基站下行信号功率的联合干扰，为了保证卫星网络通信质量，近海小区分配功率时，需要满足对卫星用户的干扰限制条件：

其中，

为卫星用户所能承受的最大干扰功率阈值，E_S′[·]为对小尺度衰落求平均。

利用s′是独立同分布的复高斯变量，可以进行如下转换：

由于很难获取准确的信道小尺度衰落信息，本发明实施例提出只利用大尺度衰落信道信息，来减少系统开销。因此第k个小区用户的速率在小尺度衰落下的平均值

是需要优化的目标，

的表达式如下：

建立并求解优化问题的具体步骤如下：

(1)建立近海小区功率优化问题，以最大化最小用户速率为目标，近海小区的最大发射功率P^(k),k＝1,...,K和对卫星用户干扰功率门限

为限制条件，该优化问题模型用公式表达如下：

s.t.tr(Φ^(k))≤P^(k)

Φ^(k)≥0

(2)简化目标函数，降低求解复杂度，引入非负变量r、z_k、t_k,n,n＝1,...,N_k+P_k,k＝1,...,K，通过一系列松弛变换，目标函数可以简化成如下表达式：

其中，

并且z_k、t_k,n,n＝1,...,N_k+P_k,k＝1,...,K需满足下述约束条件：

(3)采用功率均分的策略初始化每个小区的发射功率Φ⁰，

并且采用较小功率确保初始值其满足对卫星用户的干扰限制，给定算法迭代的终止门限ε。根据Φ⁰，求解(2)中约束取等号时z_k ⁰和t_k,n ⁰,n＝1,...,N_k+P_k,k＝1,...,K的值，作为迭代初值，在并且给定算法迭代的终止门限ε。

(4)在第s步迭代中，对(2)中t_k,n的约束表达式取对数后在Φ^s-1、z_k ^s-1、t_k,n ^s-1基础上通过进行泰勒展开，求解如下问题，获得第s步迭代结果Φ^s：

其中，

且G_k,k＝0

(5)根据(4)求得的r^s和第s-1步结果r^s-1作差，如果满足迭代终止条件，则迭代结束，Φ^s为求解的功率分配方案，否则重复(2)～(5)，直到迭代终止。

迭代终止条件的表达式如下：

|r^s-r^s-1|≤ε

本发明实例面向海域通信场景下的星空地协同的混合网络，充分考虑网络内部小区干扰和网络间干扰问题，以最大化所有近海用户中的最小速率为目标，利用大尺度衰落信道信息对无人机与地面基站功率进行自适应分配，能够在满足对卫星网络干扰限制的基础上，确保对近海所有用户的协同按需覆盖。

本发明实施例可以在只利用大尺度衰落信道信息的前提下，有效解决近海小区对卫星用户干扰问题，并且通过联合优化多小区无人机和基站的功率分配，可以明显降低各小区之间的相互干扰，实现对近海小区所有用户的覆盖。相比于对通信设备采用平均分配发射功率，可以在控制对卫星用户干扰的前提下，确保覆盖每一位用户的基础上获得最大通信容量。

图2为本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络场景示意图，如图2所示，在覆盖沿海地区的无人机协作的星地共存网络中，包含有K＝3个近海小区，每个小区的半径均假设为r＝300m，在二维平面中，圆心坐标分别为(0,0)、(550,0)、(1100,0)，小区间有部分重叠。每个小区k有N_k个基站，其中N₁＝N₃＝2，N₂＝1，P_k个无人机作为空中基站辅助提供通信服务，其中P₁＝P₃＝1，P₂＝2，近海终端有3根天线，M_k＝3,k＝1,2,3。一个携带单天线的卫星用户在近海小区覆盖范围外行驶，无人机、基站在小区内随机分布，卫星用户的位置在圆心为(550,-600)，半径为r＝300m的小区内随机生成，近海小区的用户分别固定在小区边缘远离海岸侧，其坐标分别为(0,-300)、(550,-300)、(1100,-300)。

与大尺度衰落信道模型相关的参数设置为a＝5.0188，c＝3×10⁸m/s，σ²＝-107dBm，f＝2GHz，迭代门限值ε＝1×10^-4，环境参数(η_LoS,η_NLoS)＝(0.1,21)。基于这些参数，根据实际情况，给定小区功率和卫星用户的干扰门限P^(k)、

以及前述优化问题的迭代方法，可以在保障卫星用户通信质量的同时，优化近海小区功率分配方案。

其中岸基基站和无人机基站动态调整各自的发射功率，动态的地“对准”当下的目标用户，使得他们获得“公平”(通过不断优化最差用户的链路性能实现)的通信服务速率，实现协同按需覆盖。

在上述实际场景下，仿真采用均分策略作为迭代初始值，

其中P＝-10dBm，I为单位矩阵。对卫星用户的干扰限制

设置为-90dBm，近海小区功率门限P^(k),k＝1,2,3从-5dBm变化到20dBm，得到不同约束条件下近海小区的功率分配策略。仿真结果与功率平均分配且忽略对卫星用户干扰限制的情况进行比较。图3为本发明实施例提供的不同条件下仿真性能比较示意图，如图3所示，由仿真结果可以看出，本方案提出的基于大尺度衰落信道信息的功率分配方法能在星空地协同海洋通信网络中，通过合理分配功率有效解决网络间和网络内干扰，实现对无线资源的公平调度，覆盖所有近海用户。相对于功率平均分配的方案，能够确保卫星用户通信质量的同时，实现近海用户的公平性，提升系统容量。为海域通信实现无缝覆盖，解决多网络协同干扰问题，提供有效解决方案。

基于上述任一实施例，图4为本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置示意图，如图4所示，本发明实施例提供一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置，包括构建模块401和计算模块402，其中：

构建模块401用于基于每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道、每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道构建优化问题模型；所述优化问题模型的目标为：最大化所有近海用户中的最小速率；计算模块402用于计算所述优化问题模型的最优解，并根据所述最优解确定每一近海小区所有基站的发射功率。

本发明实施例提供一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置，用于执行上述任一实施例中的方法，通过本实施例提供的装置执行上述某一实施例中所述的方法的具体步骤与上述相应实施例相同，此处不再赘述。

本发明实施例提供的星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置，在海域通信场景下，通过优化分配近海小区无人机和岸基基站的功率，在满足对卫星网络干扰限制条件的基础上，可以最大化通信链路的最小速率，保障近海用户获取通信资源的公平性，实现对近海区域的信号覆盖。

图5为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，该电子设备包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503和通信总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储在存储器503上并可在处理器501上运行的计算机程序，以执行下述步骤：

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

进一步地，本发明实施例提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例中的步骤，例如包括：

进一步地，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述各方法实施例中的步骤，例如包括：

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法，其特征在于，包括：

基于每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道、每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道构建优化问题模型；所述优化问题模型的目标为：最大化所有近海用户中的最小速率；其中，近海小区的基站包括岸基基站和无人机基站，近海终端由近海小区的岸基基站和无人机基站协同提供通信服务；

计算所述优化问题模型的最优解，并根据所述最优解确定每一近海小区所有基站的发射功率；

其中，所述优化问题模型的约束条件为：

b、任一目标近海小区的任一基站的功率大于等于零；

c、所有近海小区中基站的发射信号对远海终端的干扰之和小于等于预设阈值。

2.根据权利要求1所述的星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法，其特征在于，所述近海用户中的最小速率是指用户速率在小尺度衰落下平均值的最小值。

3.根据权利要求1所述的星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法，其特征在于，所述构建优化问题模型之前，还包括：

4.一种星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置，其特征在于，包括：

构建模块，用于基于每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道、每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道构建优化问题模型；所述优化问题模型的目标为：最大化所有近海用户中的最小速率；其中，近海小区的基站包括岸基基站和无人机基站，近海终端由近海小区的岸基基站和无人机基站协同提供通信服务；

计算模块，用于计算所述优化问题模型的最优解，并根据所述最优解确定每一近海小区所有基站的发射功率；

其中，所述优化问题模型的约束条件为：

b、任一目标近海小区的任一基站的功率大于等于零；

5.根据权利要求4所述的星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置，其特征在于，所述近海用户中的最小速率是指用户速率在小尺度衰落下平均值的最小值。

6.根据权利要求4所述的星空地协同海洋通信网络按需覆盖装置，其特征在于，还包括确定模块，所述确定模块用于根据每一近海小区基站的位置与近海终端的位置确定每一近海小区的基站与近海终端之间的大尺度衰落信道，根据每一近海小区基站的位置与远海终端的位置确定每一近海小区的基站与远海终端之间的大尺度衰落信道。

7.一种电子设备，包括存储器、处理器，以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至3任一项所述星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法的步骤。

8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至3任一所述星空地协同海洋通信网络按需覆盖方法的步骤。