CN111954276A - 一种面向无人机基站网络的切换参数设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向无人机基站网络的切换参数设定方法。无人机网络能提供更加灵活的网络架构，为减少用户不必要的切换与数据中断，切换参数需要细致的设定。在所述方法中，通过利用原服务基站与目标基站的配置参数和环境参数以及用户状态，以切换失败概率与乒乓效应概率为指标，设定最优的切换参数。具体为，以基站高度、基站距离、基站发射功率、环境参数和用户速度参数为输入参数，在切换参数(切换触发时间、裕度)的所有可能取值下，估计用户的切换失败概率与乒乓效应概率。设置切换代价因子，将切换失败概率与乒乓效应概率依据切换代价因子得到切换代价参考值，选择切换代价参考值最低时的切换参数，从而完成无人机网络的切换参数设定。

Description

一种面向无人机基站网络的切换参数设定方法

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,面向无人机基站网络的切换参数设定方法。

背景技术

在未来第五代移动通信(B5G)无线电接入网络将无缝且无所不在地连接一切，并与当前的第四代(4G)蜂窝网络相比，支持至少千倍的流量和千亿个已连接的无线设备，以及对可靠性，延迟等的多样化要求。这将导致当前的基础架构面临巨大的容量需求，为了适应这些不断增长的需求，由于流量需求的高动态变化，导致各种需要补盲补热的应急场景下，需要临时部署的无人机基站来支撑，辅助地面基站形成高动态的网络架构。为了满足高动态流量的需求，网络需要更加灵活的网络架构，例如，无人机可以在热点高流量密度地区为地面基站提供支撑，或在需要超可靠的低延迟通信时处理其他紧急情况方面发挥中心作用。所以，凭借无人机基站的种种优点，无人机将在未来5G中成为重要的组成部分。

为了利用无人机的优势并提供更灵活的结构，无人机辅助蜂窝网络被视为满足不断增长的通信需求的解决方案。无人机辅助蜂窝网络可以协调同一区域中的多种类型的小区，例如宏小区和微小区，较高高度的无人机具有很高的与地面用户和无人机的视距连接的可能性，但同时，因为无人机高度可调，无人机基站可能与用户存在较大的高度差，导致用户接收到的信号变弱，并且因为高动态特性，信号波动加剧。这都将导致无人机辅助蜂窝网络中切换失败率和乒乓效应概率要比仅具有宏小区的网络要高得多，因此无人机辅助蜂窝网络中切换参数需要细致的设定。

针对上述挑战，本方案提出了一种面向无人机基站网络的切换参数设定方法，该方法中，每次决定切换参数时，需要依据用户的原服务宏站与目标无人机基站，获得宏站与无人机基站的距离、各自的天线高度以及两者的发射功率，还需要获取用户的移动速度；在计算出切换触发边界的分布以及切换失败边界的分布后，依据以上参数可以计算此次切换在一定切换参数下的切换失败概率与乒乓效应概率。切换触发时间和裕度的取值范围依据所处系统的标准定义；依据获取的用户速度等参数，在系统所有可选的切换参数下，计算所有可能的切换失败概率与乒乓效应概率并设置切换代价因子。比较各个切换参数下的切换代价参量，选择并应用其中切换代价参量最小时的切换参数，从而完成切换参数的设定。

发明内容

本发明面向无人机基站网络，提出了一种切换参数设定方法，无人机基站在地面宏基站覆盖边缘进行部署，宏站用户进入无人机覆盖范围时，系统选择最佳的切换参数。具体地，每次决定切换参数时，依据用户的原服务宏站与目标无人机基站，获得宏站与无人机基站的距离、地面宏站和无人机基站的天线高度以及两者的发射功率，还需要获取用户的移动速度；依据以上参数计算此次切换在一定切换参数下的切换失败概率与乒乓效应概率。依据所处系统的标准定义得出切换触发时间和裕度的取值范围；依据获取的用户速度参数，在系统所有可选的切换参数下，计算所有可能的切换失败概率与乒乓效应概率并设置切换代价因子。比较各个切换参数下的切换代价参量，选择并应用其中切换代价参量最小时的切换参数，从而完成切换参数的设定。

本发明的面向无人机基站网络的切换参数设定方法包括一下步骤：

步骤200，根据原服务基站和目标基站配置参数与环境参数，获得目标无人机基站切换触发边界和切换失败边界的半径分布。

用户将参考信号接收功率(RSRP)作为判断切换的依据，无人机和地面基站分别具有不同的相同的发射功率。根据传播定律，RSRP可以表示如式(1)为：

其中d_i表示用户与地面基站或者无人机基站之间的水平距离。h_i分别是地面基站和无人机基站的天线高度。α是相应的路径损耗指数。g_i是信道增益，表征信道的小尺度衰落特性，其概率密度函数(pdf)如式(2)为：

其中m表示衰落参数且为整数值，其中

代表的是标准伽玛函数。

考虑来自目标无人机基站和地面基站的RSRP，在切换切换触时刻，用户接收的RSRP满足条件如式(3)为：

主要考虑来自目标基站的干扰，一旦切换用户在切换触发时间到期之前信干噪比低于Q_out，就会发生无线链路中断，并且用户将经历切换失败，在切换失败时刻，用户接收的RSRP满足条件如式(4)为：

用户的切换触发边界由二维平面点组成，在这些二维点上来自地面基站和无人机基站的接收信号强度均满足如式(5)为：

用户的切换失败边界由二维平面点组成，在这些二维点上来自地面基站和无人机基站的接收信号强度均满足如式(6)为：

根据目标基站与原服务宏基站的参数以及环境参数，并引入小尺度衰落的影响，用户触发切换至目标无人机基站的边界和切换失败边界可等效为一个以目标无人机基站在地面投影点为圆心的圆，半径如式(7)为：

其中，

P_HO＝[P_u/P_m]^2/α，P_HOF＝[P_uQ_out/P_m)]^2/α，d是目标基站与原服务宏基站的水平距离，P_m和P_u分别为宏基站和无人机基站的发射功率，h_m和h_u分别为宏基站和无人机基站的高度，γ为裕度，α为路损因子。

两种半径的分布估计的计算式如式(8)为：

其中，

m为小尺度衰落系数，f_gu/gm(x)为两基站小衰值比值的分布函数，其式如(9)为：

在估算切换失败概率和乒乓效应概率时，本方案考虑原地面基站用户在触发测量时前后两次测量的情况。用户终端每测量间隔时间获取并检查一次参考信号接收功率，因此将连续时间分成多个长度为测量间隔Td的时间段。如果由地面基站服务的用户终端获得的参考信号接收功率关系满足式(3)，则启动切换触发时间(TTT)定时器。

需要关注两个时刻：第一个时刻是满足式(3)的时刻，另一个时刻比第一个时刻早Td秒，而因为用户之前的服务情况，第二个考虑的时刻式(3)没有得到满足。在一个测量间隔内，用户移动了Td×v的距离，其中v是用户的平均速度。对于目标无人机基站，由于快速衰落，两个时刻对应于两个切换触发边界半径(r₁和r₂)。对于用户终端，两个时刻对应于两个位置(x₁和x₂)，并且D(x₁,x₂)＝Td×v，D(·)为欧氏距离。

目标无人机基站相对与用户的位置可以用点集L表示如式(10)为：

步骤210，依据测量的用户速度，结合计算出的切换触发边界的半径分布估计，计算出各个切换参数取值下的切换失败概率和乒乓效应概率的估计值。

用户触发切换时与无人机基站的水平距离分布如式(11)为：

其中

r₁和r₂分别为用户触发时，测量前后时刻的无人机基站切换触发边界的半径，T_d是测量间隔，v为用户速度。

用户触发切换时与无人机基站的夹角分布如式(12)为：

用户触发切换后，每次测量时间点与无人机基站的水平距离如式(13)为：

其中，θ为用户运动方向与无人机基站的夹角。

一旦切换用户在切换触发时间到期之前信干噪比低于Q_out，就会发生无线链路失败，并且用户将经历切换失败。通过平均概率空间并考虑初始累积概率，其切换失败概率如式(14)：

切换用户在无人机基站覆盖范围内的停留时间小于一定阈值T_p，然后切换回预先附着的地面基站，则会发生乒乓效应，通过平均概率空间并考虑初始累积概率，其乒乓效应概率如式(15)：

步骤220，比较各个切换参数下的切换代价参量，设定其中切换代价参量最小时的切换参数。

设置代价因子β_HOF和β_pp，这两个值根据切换失败与乒乓效应对用户传输速率的影响设置，影响越大，代价因子越大，切换代价参量如式(16)：

ε＝β_HOFP_HOF+β_PPP_PP (16)

通过比较各个切换参数下的切换代价参量，选择并应用其中切换代价参量最小时的切换参数，从而完成切换参数的设定。

有益效果

本发明面向无人机基站网络，提出了一种切换参数设定方法。从无人机辅助蜂窝网络特征出发，综合考虑了基站高度、基站距离、基站发射功率、环境参数和用户速度参数。这些参数的获得方式以及切换参数的修改并不复杂，可以适用于很多的通信系统。

引入切换代价因子，综合考虑切换失败和乒乓效应，通过调整切换参数，可以让用户较早或较晚执行切换，但过早的切换会导致乒乓效应与大量不必要的切换，过晚的切换会令用户受到过强的干扰从而导致切换失败。通过设置切换代价因子，得到切换代价参量，平衡了切换失败与乒乓效应的影响，找到了合适的切换时刻。

方法里的算法可以依据输入的参数可以估计出用户在当前的切换，发生切换失败和乒乓效应的概率，为切换至无人机基站的用户选择合适的切换参数，来最小化切换失败和乒乓效应对用户数据传输的影响。所以，即使在十分复杂架构的无人机辅助蜂窝网络中，此方法也可以部署在各个不同高度、不同发射功率的无人机基站上，并针对不同速度的用户设定最优的切换参数。

附图说明

图1是本发明的无人机网络切换系统模型；

图2是本发明的算法实施流程图；

图3是切换失败概率在一定信道环境下和乒乓效应概率随切换触发时间变化关系的示意图；

图4是切换失败概率在一定高度切换触发时间下和乒乓效应概率随裕度变化关系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

本发明面向无人机基站网络，提出了一种切换参数设定方法。图1为无人机辅助蜂窝网络下切换的系统模型图。主要考虑下行链路，用户目标的无人机基站设置在一定的高度上，空中无人机基站、地面基站和地面用户分别在不同的高度上。无人机基站在地面宏基站覆盖区域的边缘，提供分流。地面基站和无人机基站各自有自己的发射功率。h_m和h_u分别表示地面基站和无人机基站的天线高度。地面基站的高度一般是固定的，而无人机基站的高度由于移动性而可以调整。此外，出于实际考虑，还假设无人机天线高度大于地面基站天线高度大于用户天线高度。

用户连接到接收信号功率最大的地面站或者无人机基站。因此，无人机基站充当地面站的补充，为用户提供透明服务。频谱资源由地面基站和无人机基站重用，所以存在跨层干扰。用户执行参考信号接收功率(RSRP)的测量，以评估相邻各个小区的信号强度与目前服务小区强度的大小关系，并根据这些测量做出切换决策。一旦执行了测量，则用户终端目前的测量结果是否满足进入切换的条件，例如，当来自目标邻小区的信号强度大于来自加上滞后阈值的服务小区的信号强度。

当第一次满足此条件时，用户终端并不会立刻进入切换，用户终端将等待切换触发时间(TTT)的验证，如果在切换触发时间中，接收到的信号仍然满足上述条件，用户终端会向其服务小区发送测量报告以启动实际切换。切换触发时间的使用对于确保减少乒乓效应(因不同小区的链路质量波动而在相邻小区之间进行不必要的切换的现象)至关重要。

如果在TTT之后仍满足切换事件进入条件，则用户向其服务基站发送测量报告后，然后与目标基站进行通信。如果双方都同意并进行切换，则服务基站将切换命令发送至用户终端指示它何时应连接到目标基站。当用户终端向目标基站发送切换完成消息时，切换过程就完成了，这表明切换过程已成功完成。

在该场景中关注切换至无人机基站的宏站用户，宏站用户进入无人机覆盖范围时，系统选择最佳的切换参数。具体地，每次决定切换参数时，依据用户的原服务宏站与目标无人机基站，获得宏站与无人机基站的距离和两种基站的高度以及两者的发射功率，还需要获取用户的移动速度；依据以上参数可以计算此次切换在一定切换参数下的切换失败概率与乒乓效应概率。切换触发时间和裕度的取值范围依据所处系统的标准定义；依据获取的用户速度等参数，在系统所有可选的切换参数下，计算所有可能的切换失败概率与乒乓效应概率并得出切换代价因子。比较各个切换参数下的切换代价参量，选择并应用其中切换代价参量最小时的切换参数，从而完成切换参数的设定，平衡由于无人机信道时变特征以及移动性引起的服务站距离变化，带来的切换性能对数据传输速率的影响。

本案例的算法流程如附图2所示，其具体实施步骤为：

步骤300，为引入信道时变的特征，考虑小尺度衰落，所以将无人机覆盖范围建模为半径可变的圆。根据目标无人机基站高度，目标无人机基站与原服务宏站距离，无人机基站和宏基站发射功率以及环境参数，获得目标无人机基站切换触发边界的半径分布估计与切换失败边界的半径分布估计。

步骤310，通过估计用户在切换触发时和之后切换触发时间内在无人机基站覆盖区域内的位置情况，依据测量的用户速度，结合计算出的切换触发边界的半径分布估计，计算出各个切换参数取值下的切换失败概率和乒乓效应概率的估计值。

步骤320，最后基于之前步骤的结果，比较各个切换参数下的切换代价参量，选择并设定其中切换代价参量最小时的切换参数。从而完成了切换参数的设定。

仿真与估计结果如附图3和附图4所示。路径损耗指数设置为4，用户的典型速度设置为30km/h，地面基站与无人机基站的水平距离为150m，无人机基站的典型高度为20m。测量间隔设置为1ms。

附图3中给出了切换触发时间的设置与网络切换失败概率与乒乓效应概率的关系，不同的曲线代表了不同的信道衰落系数。由估计值和仿真值的拟合程度来看，估计值有很高的参考价值。由不同曲线的趋势可知，信道衰落系数上升会让无人机基站的信号功率波动下降，更为稳定信号功率会让发生乒乓效应的概率下降，但会导致来自无人机基站更强的干扰，会导致更多的切换失败。图中切换触发时间的取值为0至1秒，可以看出随着切换触发时间的延长，用户终端会有更多的时间判断是否切换至目标无人机基站，可以显著的减少不必要的切换，即减少乒乓效应，但同时，由于用户的移动，在切换触发时间内会更靠近目标基站，不及时的切换会导致来自目标基站的干扰加剧，进而导致用户的切换失败。所以在切换至无人机基站时，需要设置合适的切换触发时间来平衡切换失败和乒乓效应。

附图4给出了裕度、无人机基站高度与切换失败和乒乓效应概率的关系，切换裕度取值为1～6dB，裕度的加入也是为了减少不必要的切换而导致的用户数据速率波动和过多信令开销。由图可知，由估计值和仿真值的拟合程度来看，估计值有很高的参考价值。设置切换裕度的确可以降低乒乓效应的概率，但同时与切换触发时间相似，延迟切换的判断可能会导致更多的切换失败，所以不能一味的延迟切换的判断。同时，切换失败概率与乒乓概率的变化与无人机的高度也有关，所以参数的设置需要根据无人机基站的具体设置和乒乓效应和切换失败事件综合考虑，同时在无人机基站不同的高度、发射功率配置下，切换参数都需要细致的设定。

Claims (5)

1.一种面向无人机基站网络的切换参数设定方法，其特征在于，包括：无人机辅助蜂窝网络中，无人机基站部署在地面宏小区边缘，距离宏基站一定的距离，部署的高度一定；当宏站用户进入无人机基站覆盖范围时会依据接收到的RSRP切换至无人机基站；本方案依据用户速度、目标基站距原基站距离、基站发射功率等参数，以切换失败概率和乒乓效应概率为关键指标，结合切换代价因子计算出切换代价参量；比较各切换参数下的切换代价参量，当切换代价参量最小时得到最优的切换参数，即切换触发时间和裕度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，满足切换条件的区域和切换失败的区域为以目标基站为圆心的两种圆形区域；每次决定切换参数时，需要依据用户的原服务基站与目标基站，获得原服务基站与目标基站之间的距离与各自的天线高度以及两者的发射功率；依据以上参数可以计算此次切换的切换触发边界的半径分布和切换失败界的半径分布。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，切换参数，即切换触发时间和裕度的取值范围依据所处系统的标准定义；依据获取的用户速度，结合切换触发边界的半径分布和切换失败界的半径分布，在系统所有可选的切换参数下，计算所有可能的切换失败概率与乒乓效应概率。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，切换代价参量为计算出的切换失败概率与乒乓效应概率乘以各自的代价因子再相加，切换失败概率与乒乓效应概率的代价因子由两种事件对用户数据传输的影响有关，影响越大设置的代价因子越大。

5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，比较各个切换参数下的切换代价参量，选择并设定其中切换代价参量最小时的切换参数，从而完成切换参数的设定。

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