CN111479240B - 无人机通信系统及基于用户分簇的无线传输方法 - Google Patents

无人机通信系统及基于用户分簇的无线传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无人机通信系统及基于用户分簇的无线传输方法，基于用户分簇的无线传输方法主要包括以下步骤：对地面用户进行分簇；在能量效率最大时，计算无人机配备的定向天线的最佳波束宽度；在最佳波束宽度条件下，无人机与地面用户进行数据传输。相较于现有技术，本发明同时考虑用户分簇和能量效率两个方面，一方面仅利用地面用户的位置信息，即可精确设定无人机定向天线的波束宽度，其计算复杂度低，适用于各种典型的空对地无线通信场景；另一方面，采用频分多址技术，在簇内用户数约束条件下基于能量效率最大化原则，提高了无人机通信系统的性能。

Description

无人机通信系统及基于用户分簇的无线传输方法
技术领域
本发明涉及一种无人机通信系统及基于用户分簇的无线传输方法，属于无线通信领域。
背景技术
目前，越来越多的无人机被应用在民用和商业领域，典型的例子包括天气监测、森林火灾探测、紧急搜索和救援、通信等。一方面，无人机可以作为无线中继，提高地面无线设备的连通性，扩大网络覆盖；另一方面，无人机也可以作为移动空中基站，为地面用户提供可靠的下行和上行通信，提高无线网络的容量。
与地面基站相比，使用基于无人机的空中基站的优点是它们可以实现快速部署，使得无人机特别适合应对突发状况。借助低空无人机，可以在大多数情况下建立起可靠的视距通信链路，这使得在距离较远或源端和目的端之间有遮挡物的情况下，能够建立起直接通信或通过中继建立长距离的视距链路。但是受限于无人机的飞行搭载能力、滞空时间等因素，基于无人机的空中基站在实际推广中往往有些困难。因此，如何提高无人机通信质量已经逐渐成为未来无线通信领域中的研究热点。
有鉴于此，确有必要提出一种无人机通信系统及基于用户分簇的无线传输方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机通信系统及基于用户分簇的无线传输方法，以提高无人机的通信性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于用户分簇的无线传输方法，应用于基于无人机作为移动空中基站进行通信的无人机通信系统，主要包括以下步骤：
步骤1、对地面用户进行分簇；
步骤2、在能量效率最大时，计算无人机配备的定向天线的最佳波束宽度；
步骤3、在最佳波束宽度条件下，无人机与地面用户进行数据传输。
可选的，步骤1中，对地面用户进行分簇的具体步骤为：
步骤11、定义无人机个数为N，任意选取N个点作为初始质心；
步骤12、计算得到所有地面用户到N个初始质心的距离；
步骤13、根据地面用户到初始质心的距离大小进行分簇：若地面用户离某个初始质心较近，则将该地面用户分到这个初始质心所包含的簇中；若地面用户到多个初始质心的距离相等并且簇内的地面用户数量未超过设定的限额，则将该地面用户划分到任意簇中；若簇内的地面用户数量超过设定的限额，则重新进行分簇；
步骤14、待地面用户全部完成分簇后，将每个簇内地面用户位置的平均值作为新质心；
步骤15、重复步骤12-步骤14，当步骤14中的新质心与初始质心的数值相等时，停止分簇并输出分簇结果。
可选的，步骤1中，所述地面用户在一定区域内随机分布。
可选的，步骤2中，最佳波束宽度通过迭代算法计算获得，所述迭代算法的步骤具体包括：
步骤S1、初始化定向天线的波束宽度
Figure BDA0002503674600000021
收敛判决门限Δ＝10-4，迭代次数n＝1；
步骤S2、判断
Figure BDA0002503674600000022
是否成立，如果成立则输出最佳波束宽度
Figure BDA0002503674600000023
如果不成立则执行步骤S3；
步骤S3、将
Figure BDA0002503674600000024
的取值代入到g(θB)，计算得到
Figure BDA0002503674600000025
n＝n+1，并执行步骤S2。
可选的，步骤2中，能量效率的计算公式为：
Figure BDA0002503674600000031
其中，第i个无人机覆盖范围内的用户数为Mi，即
Figure BDA0002503674600000032
B表示无人机i的总带宽，将总带宽平均分给无人机覆盖范围内的所有地面用户，每个用户所获得的带宽为
Figure BDA0002503674600000033
N0表示功率谱密度，无人机i传输给其覆盖范围内的地面用户功率为Pt，单个无人机所消耗的电路功率为Pc，G表示定向天线增益，PL表示平均路径损耗，具体为：
Figure BDA0002503674600000034
其中，fc表示载波频率，c表示光速，γ表示路径损耗指数，dij表示无人机与地面用户之间的距离，P(LoS)表示LoS概率，具体为：
Figure BDA0002503674600000035
其中，α和β是具有取决于特定环境的恒定值的参数，NLoS概率为P(NLoS)＝1-P(LoS)，ηLoS、ηNLoS分别表示LoS和NLoS链路的额外损耗。
可选的，所述定向天线增益G具体为：
Figure BDA0002503674600000036
其中，
Figure BDA0002503674600000037
表示扇形角，θB表示定向天线的波束宽度，
Figure BDA0002503674600000038
是主瓣增益，而
Figure BDA0002503674600000039
是存在于主瓣之外的天线增益。
可选的，地面用户到无人机的仰角的公式为：
Figure BDA00025036746000000310
其中，hi是无人机的飞行高度，rij表示无人机与地面用户之间的水平距离。
可选的，步骤2的具体步骤为：将簇内地面用户到簇中心的最远距离作为无人机的覆盖半径，在能量效率最大时，得到最佳波束宽度的公式为：
Figure BDA0002503674600000041
其中，Smax(i)表示第i个簇中距离簇中心最远的地面用户到簇中心的距离。
为实现上述目的，本发明还提供了一种无人机通信系统，应用前述的基于用户分簇的无线传输方法，所述无人机通信系统包括N个无人机和M个地面用户，其中M个地面用户在一定区域内随机分布。
可选的，所述无人机通信系统采用频分多址技术，使得各地面用户之间互不干扰。
本发明的有益效果是：本发明同时考虑用户分簇和能量效率两个方面，一方面仅利用地面用户的位置信息，即可精确设定无人机定向天线的波束宽度，其计算复杂度低，适用于各种典型的空对地无线通信场景；另一方面，采用频分多址技术，在簇内用户数约束条件下基于能量效率最大化原则，提高了无人机通信系统的性能。
附图说明
图1是本发明基于用户分簇的无线传输方法的流程图。
图2是图1中步骤1的具体流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明揭示了一种无人机通信系统，所述通信系统包括N个无人机和M个地面用户，其中M个地面用户在一定区域内随机分布，无人机作为移动空中基站，用于为地面用户提供无线服务并进行数据传输。无人机通信系统在该区域内采用频分多址技术，即用户之间不存在干扰问题，在簇内地面用户的数量在约束条件下基于能量效率最大原则，计算无人机配备的定向天线的最佳波束宽度。
如图1所示，本发明还揭示了一种基于用户分簇的无线传输方法，应用于上述基于无人机作为移动空中基站进行通信的无人机通信系统，主要包括以下步骤：
步骤1、对地面用户进行分簇；
步骤2、在能量效率最大时，计算无人机配备的定向天线的最佳波束宽度；
步骤3、在最佳波束宽度条件下，无人机与地面用户进行数据传输。
以下将对步骤1-步骤3进行详细说明。
如图2所示，在步骤1中，所述地面用户在一定区域内随机分布，对地面用户进行分簇的具体步骤为：
步骤11、定义无人机个数为N，任意选取N个点作为初始质心；
步骤12、计算得到所有地面用户到N个初始质心的距离；
步骤13、根据地面用户到初始质心的距离大小进行分簇：若地面用户离某个初始质心较近，则将该地面用户分到这个初始质心所包含的簇中；若地面用户到多个初始质心的距离相等并且簇内的地面用户数量未超过设定的限额，则将该地面用户划分到任意簇中；若簇内的地面用户数量超过设定的限额，则重新进行分簇；
步骤14、待地面用户全部完成分簇后，将每个簇内地面用户位置的平均值作为新质心；
步骤15、重复步骤12-步骤14，当步骤14中的新质心和初始质心的数值相等时，停止分簇并输出分簇结果。
当通过上述步骤将地面用户进行分簇后，每个地面用户只能与一个无人机相关联，无人机与对应簇内的地面用户关联。当无人机位于簇中心时，无人机到簇内所有地面用户的距离最短。
步骤2中，通过迭代算法，可以确定能量效率最大时的最佳波束宽度，此时无人机与地面用户进行数据传输，以使得系统性能最佳。所述迭代算法的步骤具体包括：
步骤S1、初始化定向天线的波束宽度
Figure BDA0002503674600000061
收敛判决门限Δ＝10-4，迭代次数n＝1；
步骤S2、判断
Figure BDA0002503674600000062
是否成立，如果成立则输出最佳波束宽度
Figure BDA0002503674600000063
如果不成立则执行步骤S3；
步骤S3、将
Figure BDA0002503674600000064
的取值代入到g(θB)，计算得到
Figure BDA0002503674600000065
n＝n+1，并执行步骤S2。
具体地，步骤2中，能量效率的公式为：
Figure BDA0002503674600000066
其中，第i个无人机覆盖范围内的用户数为Mi，即
Figure BDA0002503674600000067
B表示无人机i的总带宽，将总带宽平均分给无人机覆盖范围内的所有地面用户，因此每个用户所获得的带宽为
Figure BDA0002503674600000068
N0表示功率谱密度，无人机i传输给其覆盖范围内的地面用户功率为Pt，单个无人机所消耗的电路功率为Pc，G表示定向天线增益，具体为：
Figure BDA0002503674600000069
其中，
Figure BDA00025036746000000610
表示扇形角，θB表示定向天线的波束宽度，
Figure BDA00025036746000000611
是主瓣增益，而
Figure BDA00025036746000000612
是存在于主瓣之外的天线增益，其值极小，可以忽略不计。
PL表示平均路径损耗，具体为：
Figure BDA0002503674600000071
其中，fc表示载波频率，c表示光速，γ表示路径损耗指数，dij表示无人机与地面用户之间的距离，P(LoS)表示LoS概率，具体为：
Figure BDA0002503674600000072
其中，α和β是具有取决于特定环境的恒定值的参数，NLoS概率为P(NLoS)＝1-P(LoS)，ηLoS、ηNLoS分别表示LoS和NLoS链路的额外损耗。
定义地面用户到无人机的仰角的公式为：
Figure BDA0002503674600000073
其中，hi是无人机的飞行高度，rij表示无人机与地面用户之间的水平距离。
步骤2的具体步骤为：将簇内距离簇中心最远的地面用户到簇中心的距离，作为无人机的覆盖半径，在能量效率最大时，得到最佳波束宽度的公式：
Figure BDA0002503674600000074
其中，Smax(i)表示第i个簇中距离簇中心最远的地面用户到簇中心的距离。
综上所述，本发明同时考虑用户分簇和能量效率两个方面，一方面仅利用地面用户的位置信息，即可精确设定无人机定向天线的波束宽度，其计算复杂度低，适用于各种典型的空对地无线通信场景；另一方面，采用频分多址技术，在簇内用户数约束条件下基于能量效率最大化原则，提高了无人机通信系统的性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于用户分簇的无线传输方法，应用于基于无人机作为移动空中基站进行通信的无人机通信系统，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤1、对地面用户进行分簇；
步骤2、在能量效率最大时，计算无人机配备的定向天线的最佳波束宽度；
步骤3、在最佳波束宽度条件下，无人机与地面用户进行数据传输；
其中，步骤1中，对地面用户进行分簇的具体步骤为：
步骤11、定义无人机个数为N，任意选取N个点作为初始质心；
步骤12、计算得到所有地面用户到N个初始质心的距离；
步骤13、根据地面用户到初始质心的距离大小进行分簇：若地面用户离某个初始质心较近，则将该地面用户分到这个初始质心所包含的簇中；若地面用户到多个初始质心的距离相等并且簇内的地面用户数量未超过设定的限额，则将该地面用户划分到任意簇中；若簇内的地面用户数量超过设定的限额，则重新进行分簇；
步骤14、待地面用户全部完成分簇后，将每个簇内地面用户位置的平均值作为新质心；
步骤15、重复步骤12-步骤14，当步骤14中的新质心与初始质心的数值相等时，停止分簇并输出分簇结果；
步骤2的具体步骤为：将簇内地面用户到簇中心的最远距离作为无人机的覆盖半径，在能量效率最大时，得到最佳波束宽度的公式为：
Figure FDA0003633980450000011
其中，Smax(i)表示第i个簇中距离簇中心最远的地面用户到簇中心的距离，rij表示无人机与地面用户之间的水平距离，α和β是具有取决于特定环境的恒定值的参数，ηLoS、ηNLoS分别表示LoS和NLoS链路的额外损耗；
步骤2中，最佳波束宽度通过迭代算法计算获得，所述迭代算法的步骤具体包括：
步骤S1、初始化定向天线的波束宽度
Figure FDA0003633980450000021
收敛判决门限Δ＝10-4，迭代次数n＝1；
步骤S2、判断
Figure FDA0003633980450000022
是否成立，如果成立则输出最佳波束宽度
Figure FDA0003633980450000023
如果不成立则执行步骤S3；
步骤S3、将
Figure FDA0003633980450000024
的取值代入到存在于主瓣之外的天线增益g(θB)中，计算得到
Figure FDA0003633980450000025
n＝n+1，并执行步骤S2。
2.根据权利要求1所述的基于用户分簇的无线传输方法，其特征在于：步骤1中，所述地面用户在一定区域内随机分布。
3.根据权利要求1所述的基于用户分簇的无线传输方法，其特征在于：步骤2中，能量效率的计算公式为：
Figure FDA0003633980450000026
其中，第i个无人机覆盖范围内的用户数为Mi，即
Figure FDA0003633980450000027
B表示无人机i的总带宽，将总带宽平均分给无人机覆盖范围内的所有地面用户，每个用户所获得的带宽为
Figure FDA0003633980450000028
N0表示功率谱密度，无人机i传输给其覆盖范围内的地面用户功率为Pt，单个无人机所消耗的电路功率为Pc，G表示定向天线增益，PL表示平均路径损耗，具体为：
Figure FDA0003633980450000029
其中，fc表示载波频率，c表示光速，γ表示路径损耗指数，dij表示无人机与地面用户之间的距离，P(LoS)表示LoS概率，具体为：
Figure FDA0003633980450000031
其中，NLoS概率为P(NLoS)＝1-P(LoS)。
4.根据权利要求3所述的基于用户分簇的无线传输方法，其特征在于：所述定向天线增益G具体为：
Figure FDA0003633980450000032
其中，
Figure FDA0003633980450000033
表示扇形角，θB表示定向天线的波束宽度，
Figure FDA0003633980450000034
是主瓣增益。
5.根据权利要求3所述的基于用户分簇的无线传输方法，其特征在于：地面用户到无人机的仰角的公式为：
Figure FDA0003633980450000035
其中，hi是无人机的飞行高度。
6.一种无人机通信系统，其特征在于：应用权利要求1-5中任一项所述的基于用户分簇的无线传输方法，所述无人机通信系统包括N个无人机和M个地面用户，其中M个地面用户在一定区域内随机分布。
7.根据权利要求6所述的无人机通信系统，其特征在于：所述无人机通信系统采用频分多址技术，使得各地面用户之间互不干扰。
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