CN112492649A - 空中基站无线回传方法、系统、存储介质、设备及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信网络技术领域，公开了一种空中基站无线回传方法、系统、存储介质、设备及应用，计算通过多个地面基站联合传输无线回传信号时的链路速率；计算空中基站接入链路的传输速率；计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；选出使网络和速率最大的地面基站集合作为本次迭代拟选取的无线回传节点；判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；经过本轮迭代选取地面基站，判断网络的和速率增加；空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法计算各地面基站的预编码和功率。本发明通过空中基站临近多个地面基站采用联合传输的方案解决单个地面基站作为无线回传节点所造成的负载不均衡问题。

Description

空中基站无线回传方法、系统、存储介质、设备及应用

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，尤其涉及一种空中基站无线回传方法、系统、存储介质、设备及应用。

背景技术

目前：随着无人机技术的不断发展，其在移动通信领域的应用不断深入。无人机不仅能够作为移动通信终端享受蜂窝网络提供的通信服务，而且可以作为移动通信基础设施的载体，为通信终端提供通信服务。其中，将通信基站部署于无人机上设计成为空中基站(无人机基站)成为研究的热点。空中基站能够广泛应用应急通信场景，例如自然灾害导致地面基站损毁，电力中断导致地面基站故障等。为恢复移动通信故障区域的通信服务，移动通信运营商一般会使用应急通信车恢复故障区域的通信服务。然而，这种方式时效性差，部署位置易受实际场地制约。鉴于此，空中基站成为快速恢复通信故障区域的移动通信服务的潜在技术之一。然而，空中基站的移动特性也带来了新的问题，其中回传方法是影响空中基站传输性能的关键技术之一。由于空中基站的移动特性，其回传方式只能通过无线传输的方式。为妥善解决空中基站的无线回传问题，需要妥善解决两个关键问题。一是无线回传使用何种频谱资源，二是采用哪个回传节点。首先，无线回传使用的频段可以是专用频段或者系统的通信频段，使用专用频段会降低频谱资源的利用率，而使用系统的通信资源又会造成无线回传链路与其余通信链路之间的干扰。其次，空中基站的回传节点一般选取临近的地面基站或专门部署专用的回传节点。使用地面基站的作为回传节点会加重地面基站的负载，而使用专用的回传节点需要部署额外的基础设施。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)无线回传使用的频段是专用频段，使用系统的通信资源又会造成无线回传链路与其余通信链路之间的干扰。

(2)空中基站的回传节点一般选取临近的地面基站或专门部署专用的回传节点，使用地面基站的作为回传节点会加重地面基站的负载，而使用专用的回传节点需要部署额外的基础设施。

解决以上问题及缺陷的难度为：使用系统的通信资源虽然能够提高频谱资源利用率，但是会造成空中基站无线回传链路与其余通信链路的干扰。因此，合理设计各基站的无线传输方法，能够在减轻网络干扰的基础上提高系统的性能。然而，系统各基站的无线传输参数往往相互耦合，联合设计地面基站和空中基站的传输方案在数学上是相当困难的问题。同时，使用地面基站联合传输的方法会使传输方案的搜索空间以指数级增大，极大提高计算的复杂度。

解决以上问题及缺陷的意义为：首先，本发明的无线回传使用系统的通信资源，能够提高网络频谱资源利用率。其次，使用现有的地面基站作为无线回传节点，避免网络运营商部署专用的无线回传节点，降低网络建设和运营的成本。第三，本发明使用的地面基站联合传输无线回传信号的方法能够有效降低网络中无线回传链路与接入链路之间的干扰，从而提高网络传输性能。最后，本发明设计的迭代搜索算法能够缩小最优解的搜索空间，有效降低算法的计算复杂度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种空中基站无线回传方法、系统、存储介质、设备及应用。

本发明是这样实现的，一种空中基站无线回传方法，所述空中基站无线回传方法包括：

从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

计算此时空中基站接入链路的传输速率；

计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；

经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则跳转至从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则转至空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率；

空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

进一步，所述空中基站无线回传方法从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，即对于j∈(B\E)，其中集合E表示已选择的用于无线回传的地面基站集合，计算通过地面基站集合(E∪j)传输无线回传信号时的链路速率

其中，回传节点的选取准则函数为：

进一步，所述空中基站无线回传方法计算此时空中基站接入链路的传输速率

进一步，所述空中基站无线回传方法计算空中基站以集合(E∪l)中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率R₀：

进一步，所述空中基站无线回传方法选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点：

所述空中基站无线回传方法判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件，即判断是否满足：

经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则转至空中基站的无线回传节点集合为E，据此按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

计算此时空中基站接入链路的传输速率；

计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；

经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则跳转至从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则转至空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率；

空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

计算此时空中基站接入链路的传输速率；

计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；

经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则跳转至从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则转至空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率；

空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述空中基站无线回传方法的空中基站无线回传系统，所述空中基站无线回传系统包括：

链路速率计算模块，用于从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

传输速率计算模块，用于计算此时空中基站接入链路的传输速率；

实际传输速率计算模块，用于计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

无线回传节点选取模块，用于选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

终止条件判断模块，用于判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；

和速率处理模块，用于经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率；

预编码和功率计算模块，用于空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

进一步，所述空中基站无线回传系统还包括：由一个空中基站及其临近的若干地面基站共同组成，其中一个地面基站出现故障无法提供通信服务；

空中基站作为应急网络接入点为通信故障区域的用户提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式；地面基站的回传通过光纤等有线媒介连接到数据中心；空中基站的无线回传链路与接入链路使用相同的频谱资源；空中基站采用全双工通信方式，同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号；空中基站从邻近的地面基站中选择一组地面基站传输器无线回传信号。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述空中基站无线回传方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明拟使用系统的通信资源来传输无线回传信号，同时通过空中基站临近多个地面基站采用联合传输的方案解决单个地面基站作为无线回传节点所造成的负载不均衡问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的空中基站无线回传方法流程图。

图2是本发明实施例提供的空中基站无线回传系统的结构示意图；

图2中：1、链路速率计算模块；2、传输速率计算模块；3、实际传输速率计算模块；4、无线回传节点选取模块；5、终止条件判断模块；6、和速率处理模块；7、预编码和功率计算模块。

图3是本发明实施例提供的空中基站无线回传系统的模型示意图。

图4是本发明中基站位置随机分布条件下的一次实验结果示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种空中基站无线回传方法、系统、存储介质、设备及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的空中基站无线回传方法包括以下步骤：

S101：从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

S102：计算此时空中基站接入链路的传输速率；

S103：计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

S104：选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

S105：判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；

S106：经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则跳转至S101进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则转至S107；

S107：空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

本发明提供的空中基站无线回传方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的空中基站无线回传方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的空中基站无线回传系统包括：

链路速率计算模块1，用于从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

传输速率计算模块2，用于计算此时空中基站接入链路的传输速率；

实际传输速率计算模块3，用于计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

无线回传节点选取模块4，用于选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

终止条件判断模块5，用于判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；

和速率处理模块6，用于经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率；

预编码和功率计算模块7，用于空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明的网络由若干地面基站和一个空中基站共同组成，空中基站用于替换网络中故障的地面基站，为通信故障区域的移动用户提供通信服务。地面基站通过光纤等有线媒介连接到数据中心，用于传输回传信息，其传输容量远大于地面基站的数据传输速率。

其中一个地面基站出现故障无法提供通信服务，空中基站作为应急网络接入点为通信故障区域的用户提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式，地面基站的回传通过光纤等有线媒介连接到数据中心，空中基站的无线回传链路与接入链路使用相同的频谱资源，空中基站采用全双工通信方式，可同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号，空中基站从邻近的地面基站中选择一组地面基站来传输器无线回传信号。

本发明中，系统从空中基站周围的地面基站集合(B)中选取一组地面基站(E)作为空中基站的无线回传节点，即集合E中的地面基站同时向空中基站传输无线回传信号。

由此可得，空中基站的服务用户i的接入链路的传输速率

可表示为：

其中，上标a表示接入链路，下标0表示空中基站。p_0,i表示空中基站分配给其服务用户i的功率，h_0,i表示服务用户到空中基站之间信道，w_0,i表示空中基站向用户i的预编码向量。

表示地面基站接入链路和无线回传链路对空中基站接入链路的干扰，δ²表示白噪声功率。

空中基站接入链路的传输速率

可以表示为：

其中，上标b表示无线回传链路。p_0,j表示地面基站j分配给空中基站无线回传链路的功率，

表示地面基站j到空中基站之间的无线回传信道。w_j,0表示无线回传链路的预编码向量。

表示地面基站接入链路对无线回传链路的干扰。I_IS表示空中基站的自干扰。δ²表示白噪声功率。

那么，空中基站的实际传输速率R₀可表示为：

本发明采用基于地面基站联合传输的空中基站无线回传方法，从地面基站集合B中选取联合传输无线回传信号的地面基站集合E，以实现网络合速率最大化，即：

其中

本发明使用贪婪算法，每次从剩余的未被选择的地面基站集合中按照选取准则，选取一个地面基站加入上次迭代已经选取的无线回传地面基站中，计算网络的和速率，若满足选择终止条件，则上一次迭代选取的地面基站集合即为无线回传基站集合，若不满足迭代终止条件，则将本次选择的基站加入到无线回传基站集合中进行下一次迭代，直到满足终止条件为止。

贪婪算法定义的每次迭代中地面基站选取准则函数为：

其中

表示基站j在t时刻向空中基站的无线回传链路的传输速率。该准则不仅能够保证无线回传链路的信道质量，而且能够保证地面基站无线回传链路的负载均衡。

每次迭代选取的基站满足：

j^*＝arg max f(j)；

迭代终止条件为：

该式表示增加新的地面基站作为无线回传节点无法提高系统的和速率，因此，上一次迭代的产生的地面基站集合即为用于传输无线回传信号的节点集合。得到用户无线回传的地面基站集合以后，则可以通过迫零算法和注水算法分别求得每个地面基站的发送预编码向量。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空中基站无线回传方法，其特征在于，所述空中基站无线回传方法包括：

从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

计算此时空中基站接入链路的传输速率；

计算空中基站以回传节点集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

判断目前选取的地面基站集合是否满足终止条件；

经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则跳转至从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则转至空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率；

空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

2.如权利要求1所述的空中基站无线回传方法，其特征在于，所述空中基站无线回传方法从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，即对于j∈(B\E)，其中集合E表示已选择的用于无线回传的地面基站集合，计算通过地面基站集合(E∪j)传输无线回传信号时的链路速率

其中，回传节点的选取准则函数为：

3.如权利要求1所述的空中基站无线回传方法，其特征在于，所述空中基站无线回传方法计算此时空中基站接入链路的传输速率

4.如权利要求1所述的空中基站无线回传方法，其特征在于，所述空中基站无线回传方法计算空中基站以集合(E∪l)中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率R₀：

5.如权利要求1所述的空中基站无线回传方法，其特征在于，所述空中基站无线回传方法选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点：

所述空中基站无线回传方法判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件，即判断是否满足：

经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则转至空中基站的无线回传节点集合为E，据此按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

6.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

计算此时空中基站接入链路的传输速率；

计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；

经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则跳转至从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则转至空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率；

空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

计算此时空中基站接入链路的传输速率；

计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；

经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则跳转至从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则转至空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率；

空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

8.一种实施权利要求1～5任意一项所述空中基站无线回传方法的空中基站无线回传系统，其特征在于，所述空中基站无线回传系统包括：

链路速率计算模块，用于从空中基站未选择的地面基站集合中按照回传节点选择准则选取一个地面基站作为本次迭代选择的无线回传基站，计算通过地面基站集合传输无线回传信号时的链路速率；

传输速率计算模块，用于计算此时空中基站接入链路的传输速率；

实际传输速率计算模块，用于计算空中基站以集合中的地面基站作为回传基站时，空中基站的实际传输速率；

无线回传节点选取模块，用于选出使网络和速率最大的地面基站作为本次迭代拟选取的无线回传节点；

终止条件判断模块，用于判断目前的选取的地面基站集合是否满足终止条件；

和速率处理模块，用于经过本轮迭代选取地面基站以后，若网络的和速率增加，则进行下一轮迭代，若网络的和速率不增加，则按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率；

预编码和功率计算模块，用于空中基站的无线回传节点集合，按照线性编码方案和注水算法分别计算各地面基站的预编码和功率。

9.如权利要求8所述的空中基站无线回传系统，其特征在于，所述空中基站无线回传系统还包括：由一个空中基站及其临近的若干地面基站共同组成，其中一个地面基站出现故障无法提供通信服务；

空中基站作为应急网络接入点为通信故障区域的用户提供移动通信服务，其回传采用无线传输的方式；地面基站的回传通过光纤等有线媒介连接到数据中心；空中基站的无线回传链路与接入链路使用相同的频谱资源；空中基站采用全双工通信方式，同时向服务用户发送信号和接收无线回传信号；空中基站从邻近的地面基站中选择一组地面基站传输器无线回传信号。

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求1～5任意一项所述空中基站无线回传方法。

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