CN113645641B - 一种空地用户共存的无人机网络对空天线参数配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空地用户共存的无人机网络对空天线参数配置方法，在所述方法中，地面基站增加向上倾斜的专用天线，为空中用户提供服务。具体地，由于在现有场景中无人机用户由基站侧天线有限的旁瓣增益提供服务，再加上无人机用户的高视距传播概率，使其相比地面用户会接收到更严重的干扰，严重影响无人机的性能，因此本发明提出在基站增加了对空天线。由地面基站侧向上倾斜的天线为无人机用户提供服务，而由基站侧向下倾斜的天线为地面用户提供服务，那么用户受到的累积干扰将包括向上倾斜天线的干扰和向下倾斜天线的干扰两方面。通过无人机用户和地面用户的覆盖概率的变化分析了增加对空天线前后的用户性能变化从而确定天线参数配置方法。

Description

一种空地用户共存的无人机网络对空天线参数配置方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及无人机(Unmanned aerial vehicle，简称为UAV)连接蜂窝网络中空地用户共存场景下对空天线参数配置的研究。

背景技术

由于无人机(Unmanned aerial vehicle，UAV)高机动性和灵活部署的特点以及其成本的不断降低，在过去的几年中，无人机已经广泛成为商业和民用应用的解决方案，包括货物交付、搜索救援、精确农业、监视、遥感、通信等。无人机可以为各种现实场景提供可靠和经济有效的无线通信解决方案，一方面，无人机可以作为空中基站，可以向有需要的地区提供可靠、经济、按需的无线通信。另一方面，无人机可以作为空中用户设备，无人机有自己的任务，与地面用户共存，被称为蜂窝连接无人机。特别地是，无人机被发现在枯燥(如延长监视)、肮脏(如喷洒杀虫剂)和危险(如灾难后的搜索和救援)的任务中可以极其有用地取代人类或有人驾驶的飞机，而所有这些应用都依赖于无人机和地面基站之间的可靠通信，特别是当无人机需要一个超视距(line-of-sight，LOS)无线连接时。因此在可预见的未来，无人机的应用范围将更加大大扩大。为了实现这些应用，无人机必须彼此通信，并与地面设备通信。另一方面，传统蜂窝网络中对无线信号传播的研究有着悠久的历史，产生了大量的随机模型，这些模型是在大规模的测量活动的帮助下发展起来的。因此，蜂窝连接无人机被认为是一种有前途的技术，所以将被视为空中用户的无人机与无处不在的无线蜂窝网络连接起来势在必行，这种蜂窝连接的无人机具有广泛的通信能力。

在目前的蜂窝网络中，地面基站天线为给地面用户提供满意的覆盖一般向下倾斜，以获得较大的天线增益，减少小区间干扰。然而，由于无人机的飞行高度可能高于地面基站，在接入蜂窝网络时可能通过地面基站的天线旁瓣或反射信号服务，这导致无人机用户的性能明显低于地面用户。因此，如何为空中和地面用户实现高质量的三维覆盖是一个具有挑战性的问题，这就需要针对未来蜂窝网络提出新的天线设计方案。

发明内容

本发明考虑空地用户共存场景下对空天线参数配置方法，在地面基站增加向上倾斜的专用天线，为空中用户提供服务。具体地，由于在现有场景中无人机用户由基站侧天线有限的旁瓣增益提供服务，再加上无人机用户的高视距传播概率，使其相比地面用户会接收到更严重的干扰，严重影响无人机的性能，因此本发明提出在基站增加了对空天线，那么用户受到的累积干扰将包括向上倾斜天线的干扰和向下倾斜天线的干扰两方面。通过无人机用户和地面用户的覆盖概率的变化分析了增加对空天线前后的用户性能变化从而确定对空天线参数配置方法。

本发明的空地用户共存的无人机网络对空天线参数配置方法包括以下步骤：

步骤200，根据天线相关参数分别计算向下倾斜天线和向上倾斜天线整体增益。

地面基站侧的向上倾斜向下倾斜天线均为固定辐射模式的定向天线，并具有一定的倾角，地面基站的每个天线都有N_t元素的线性阵列，这些元素沿水平维度是全方位的。在垂直方向上，功率辐射方向图等于阵列因子乘以单个天线的辐射方向图。其中N_t个天线单元是等间距的，相邻的天线单元以一半的波长分开，则向下倾斜天线增益G₁和向上倾斜天线增益G₂的计算分别如式(1)、(2)为：

其中G_m为天线零值的阈值，δ₁和δ₂分别是向下倾斜天线和向上倾斜天线的半功率波束宽度(half power beam width，HPBW)；并且其对应的倾斜角度分别为θ_t1和θ_t2。N_t表示天线的天线单元数；h为用户与基站之间的相对高度，r表示地面基站与用户投影之间的水平距离。

步骤210，通过系统所在环境确定环境参数计算基站到用户是LoS链路的概率以及路径损耗，并分别计算无人机用户和地面用户的信号与干扰比(SIR)。

本发明考虑的系统是干扰受限的，故可以忽略噪声。并且考虑同时具有小尺度和大尺度衰落特征的无线信道。通常而言，大尺度衰落表示接收信号在一定时间内的均值随着传播距离等的变化而呈现出的缓慢变化，小尺度衰落表示接收信号在短时间内的快速变化情况。对于大尺度衰落，基站与用户之间的信道分视距(line-of-sight，LoS)和非视距(non-Line-of-Sight，NLOS)两种路径，视距路径是指用户设备可以看见基站天线，接收信号是含直射成分的；非视距是指用户设备看不见基站天线，接收到的信号会经过阴影衰落或者各种反射、绕射等的影响。

无人机用户的SIR的计算如式(3)：

地面用户的SIR的计算如式(4)为：

其中r₀表示从用户到其服务基站的水平距离，I_G和I_G分别代表无人机用户和地面用户受到的累积干扰，用户是由最近的基站服务的，即以最小的路径损耗连接到基站。因此，用户与服务基站之间的通信链路会受到所有其他相邻非服务基站的干扰，又因用户受到的累积干扰应包括向上倾斜天线的干扰和向下倾斜天线的干扰两方面。其计算如式(5)为：

I＝I₁+I₂ (5)

其中，上述式中I₁代表向下倾斜天线的干扰，I₂代表向上倾斜天线的干扰，对地面用户而言，累积干扰I_G计算方式如式(6)为：

I＝I₁+I₂＝∑_i∈Φ\{0}P₁G₁(r_i)l_v(r_i)Ω_v+∑_i∈ΦP₂G₂(r_i)l_v(r_i)Ω_v, (6)

对无人机用户而言，累积干扰I_U计算方式如式(7)为：：

I＝I₁+I₂＝∑_i∈ΦP₁G₁(r_i)l_v(r_i)Ω_v+∑_i∈Φ\{0}P₂G₂(r_i)l_v(r_i)Ω_v, (7)

其中v∈{LoS,NLoS}，Φ\{0}表示除开服务基站以外的其他所有基站，P₁代表向下倾斜天线的发射功率，P₂代表向上倾斜天线的发射功率，Ω_v代表小尺度衰落，对于小尺度衰落，一般而言，常用来计算小尺度衰落的信道模型为瑞利衰落信道模型和莱斯衰落信道模型。当主信号减弱达到与其他多径信号分量的功率一样即没有视距信号时，混合信号的包络服从瑞利分布；在接收信号中没有主导分量时，莱斯分布就转变为瑞利分布。也就是说瑞利衰落模型和莱斯衰落模型的区别在于信道中的信号是否存在一个直射成分。但为了得到一个可以表示各种衰落环境的信道衰落模型，本发明信道增益采用Nakagami-m衰落模型，其概率密度函数为：

其中m_LoS和m_NLoS分别表示LoS和NLoS链路的衰落参数，为了便于分析，令衰落参数为整数，Γ(m_v)表示伽马函数。

l_v(r_i)代表基站到用户之间的路损，其计算式为：

其中，α_LoS和α_NLoS分别表示LoS和NLoS的路径损耗指数，A_LoS和A_NLoS分别是LoS和NLoS情况下(r_i ²+h²)^1/2＝1的路径损耗，h为用户与基站之间的相对高度，r_i表示用户到第i个基站的水平距离。

步骤220，基于无人机用户和地面用户的SIR分析空地用户的覆盖性能，并根据无人机用户和地面用户覆盖概率随地面基站密度和天线的半功率波束宽度的变化情况分析了增加对空天线前后的用户性能变化从而确定天线参数配置方法。

覆盖概率是评估无线通信网络性能的重要指标之一，反映整个网络能否对其部署区域实现有效覆盖，也可以等价地认为是随机选择的用户能够达到目标阈值的概率，或是任意时刻达到SIR阈值的用户的平均比例，也可以是任意时刻被覆盖的网络区域的平均比例。在本发明中也将从覆盖概率的角度来评估地面用户和无人机用户下行链路的性能。其计算如式(10)为：

其中T为SIR阈值，是服务基站到用户距离的概率密度函数，其计算如式(11)为：

其中λ为地面基站的密度，r₀表示从用户到其服务基站的水平距离。

代表基站连接用户为LoS链路的概率，其计算如式(12)为：

其中v∈{LoS,NLoS}，a和b是环境常量，由系统所在环境决定，h为用户与基站之间的相对高度，r表示用户到基站的水平距离。另外由于基站与用户之间的信道的选择范围只有LoS和NLoS两种，则选择NLoS链路的概率为

是给定距离r₀及其类型v的条件覆盖概率,地面用户和无人机用户的条件覆盖概率的计算分别如式(13)、(14)为：

其中P₁代表向下倾斜天线的发射功率，P₂代表向上倾斜天线的发射功率，Ω_v代表Nakagami-m传播衰落系数，l_v(r₀)代表路径损耗，I_G和I_G分别代表无人机用户和地面用户受到的累积干扰，T代表接收信噪比的阈值，由用户的对信噪比的需求确定。

通过对比增加向上倾斜天线前后地面用户和无人机用户覆盖概率随着基站密度和天线相关参数的变化曲线，分析对空天线参数设置的方法以及增加对空天线这一方案的可行性。

有益效果

本发明考虑到在现有场景中无人机用户由基站侧天线有限的旁瓣增益提供服务，再加上无人机用户的高视距传播概率，使其相比地面用户会接收到更严重的干扰，严重影响无人机的性能，提出了在基站增加了对空天线为无人机用户服务，有效的解决了如何为空中和地面用户实现高质量的三维覆盖的问题。

覆盖概率是评估无线通信网络性能的重要指标，本发明通过覆盖概率来表征地面用户和无人机用户下行链路的网络性能。根据实际环境情况得到相关参数设置，进而计算出无人机用户和地面用户的覆盖概率，通过可以表征网络性能的覆盖率来对比分析增加向上倾斜天线前后用户覆盖性能的变化，相对于考虑只有向下倾斜天线的基站，在增加了向上倾斜天线情况下可以在地面用户覆盖性能变化较小的前提下使得无人机用户获得链路性能和容量性能的提升。

附图说明

图1是本发明的空地用户共存的无人机网络对空天线参数配置的网络模型示意图；

图2是本发明的算法实施流程图；

图3是空地用户在增加向上倾斜天线前后覆盖概率随基站密度的变化关系图；

图4是空地用户在增加向上倾斜天线前后覆盖率随着向下倾斜天线半功率波束宽度的变化关系图；

具体实施方式

本发明考虑空地用户共存场景下对空天线参数配置方法，在地面基站部署向上倾斜的专用天线，为空中用户提供服务。由于在现有场景中无人机用户由基站侧天线有限的旁瓣增益提供服务，严重影响无人机的性能，因此本发明提在基站增加了对空天线。网络模型如附图1所示，由地面基站侧向上倾斜的天线为无人机用户提供服务，而由基站侧向下倾斜的天线为地面用户提供服务，同时由图可知，用户与服务基站之间的通信链路会受到所有其他相邻非服务基站的干扰，而且用户的累积干扰包括向上倾斜天线的干扰和向下倾斜天线的干扰两方面。

本发明考虑同时具有小尺度和大尺度衰落特征的无线信道，利用覆盖率对网络性能进行度量，覆盖概率是评估无线通信网络性能的重要指标之一，反映整个网络能否对其部署区域实现有效覆盖，也可以等价地认为是随机选择的用户能够达到目标阈值的概率。通过对比分析无人机用户和地面用户覆盖率在增加向上倾斜天线前后随着网络参数的变化关系，确定天线参数配置方法。

本案例的算法流程如附图2所示，其具体的实施步骤为：

步骤300，根据天线相关参数分别计算向下倾斜天线增益G₁和向上倾斜天线整体增益G₂。地面基站均装有固定辐射模式的定向天线，并具有一定的倾角，地面基站的每个天线都是有N_t元素的线性阵列，这些元素沿水平维度是全方位的。而在垂直方向上，功率辐射方向图等于阵列因子乘以单个天线的辐射方向图。N_t个天线单元是等间距的，相邻的天线单元以一半的波长分开，天线零值的阈值为G_m，向下倾斜天线和向上倾斜天线的半功率波束宽度(half power beam width，HPBW)分别是δ₁和δ₂，且其对应的向下倾斜角度分别为θ_t1和θ_t2。

步骤310，通过系统所在环境确定环境参数计算基站到用户LoS连接的概率和路径损耗，又根据用户与服务基站之间的通信链路会受到所有其他相邻非服务基站的干扰以及用户处的累积干扰是向上倾斜天线和向下倾斜天线的干扰总和，计算无人机用户和地面用户的SIR。

步骤320，通过无人机用户和地面用户的SIR获取无人机用户和地面用户的覆盖概率，用覆盖概率来表征用户的覆盖性能；通过对比分析增加向上倾斜天线前后用户覆盖性能的变化，相比于考虑只有向下倾斜天线的基站，在增加了向上倾斜天线情况下可以在地面用户覆盖性能变化较小的前提下使得无人机用户获得链路性能和容量性能的提升。

仿真结果如附图3和附图4所示。附图3中给出了无人机用户和地面用户在增加向上倾斜天线前后覆盖概率随地面基站密度λ的变化关系图。附图3以地面基站密度为横坐标，可以看到无人机用户和地面用户的覆盖概率都随着基站密度的增大而减小，而且对比分析增加向上倾斜天线也就是对空天线前后的曲线可以看出对于地面用户来说增加向上倾斜天线后会覆盖率相对增加之前有一定的降低，但由附图3可以看出相对于只有向下倾斜天线时最大只降低了9％，而对无人机用户来说，在增加向上倾斜天线前后覆盖概率的增益最大却可达44％，故本发明在基站密度较小时的效果是非常可观的。

附图4给出了无人机用户和地面用户在增加向上倾斜天线前后覆盖率随着向下倾斜天线的半功率波束宽度和天线倾斜角度的变化关系图。附图4以向下倾斜天线的半功率波束宽度δ₁为横坐标，由图可知，无人机用户和地面用户的覆盖概率都随着δ₁的增大而有所增大，对比增加向上倾斜天线前后的曲线可以看出在增加向上倾斜天线前后，地面用户随向下倾斜天线的半功率波束宽度δ₁的曲线变化很小，但由无人机用户的曲线可以看出，在只有向下倾斜天线时，其覆盖率还随着半功率波束宽度δ₁的增大而增大，但增加了向上倾斜天线之后，半功率波束宽度δ₁对无人机用户的性能就几乎无影响了，这是因为当增加向上倾斜天线后，无人机用户由向上倾斜天线的主瓣提供服务，向下倾斜天线的半功率波束宽度δ₁增大对无人机用户的影响只是旁瓣增益变大，而相对主瓣的增益来说基本可忽略不计了。而且对比倾斜角度θ_t1＝θ_t2＝15°和θ_t1＝θ_t2＝20°的无人机用户的覆盖率曲线，当θ_t1＝θ_t2＝15°时，增加对空天线后的无人机用户覆盖率相对增加之前增益为34.9％；而当θ_t1＝θ_t2＝20°时，增加对空天线后的无人机用户覆盖率相对增加之前增益为36％，但增加对空天线前后，天线倾斜角度θ_t1＝θ_t2＝20°时的覆盖概率明显高于θ_t1＝θ_t2＝15°时，这是因为天线倾斜角度变大时，对于同一层的无人机用户对空天线的主瓣影响范围变大。

Claims (4)

1.一种空地用户共存的无人机网络对空天线参数配置方法，其特征在于，包括：地面基站增加向上倾斜的专用天线，为无人机用户提供服务，同时保留向下倾斜的天线为地面用户提供服务，根据天线相关参数确定天线整体增益；无人机用户和地面用户分别由不同天线提供服务，用户受到的累积干扰将包括向上倾斜天线的干扰和向下倾斜天线的干扰两方面，根据空地用户的累积干扰和有用信号确定空地用户的SIR值；通过无人机用户和地面用户的覆盖概率的变化分析增加对空天线前后的用户性能变化从而确定天线参数配置方法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个地面基站侧都有向上倾斜和向下倾斜的天线分别为无人机用户和地面用户提供服务，根据天线相关参数，包括半功率波束宽度δ、天线倾斜角度θ_t、天线的天线单元数N_t和天线零值的阈值G_m，以及用户与基站之间的相对高度h和地面基站与用户投影之间的水平距离r得到天线总体增益，其计算式为

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，无人机用户和地面用户分别由向上倾斜和向下倾斜天线提供服务，即用户受到的累积干扰将包括向上倾斜天线的干扰I₁和向下倾斜天线的干扰I₂两方面，无人机用户受到的累积干扰I_U和地面用户受到的累积干扰I_G的计算式分别为：

I_G＝I₁+I₂＝∑_i∈Φ\{0}P₁G₁(r_i)l_v(r_i)Ω_v+∑_i∈ΦP₂G₂(r_i)l_v(r_i)Ω_v,

I_U＝I₁+I₂＝∑_i∈ΦP₁G₁(r_i)l_v(r_i)Ω_v+∑_i∈Φ\{0}P₂G₂(r_i)l_v(r_i)Ω_v，

其中，Φ表示包括服务基站的所有基站，Φ\{0}表示除开服务基站以外的其他所有基站，P₁代表向下倾斜天线的发射功率，P₂代表向上倾斜天线的发射功率，r_i表示用户到第i个基站的水平距离、G₁(r_i)为第i个基站的向下倾斜天线增益，G₂(r_i)为第i个基站的向上倾斜天线增益，l_v(r_i)代表第i个基站到用户之间的路损，Ω_v代表小尺度衰落，类型v∈{LoS,NLoS}即视距(line-of-sight，LoS)和非视距(non-Line-of-Sight，NLOS)两种路径；

根据空地用户的累积干扰和无人机用户接收到的有用信号P_r(r₀)＝P₁G₁(r₀)l_v(r₀)Ω_v以及地面用户接收到的有用信号P_r(r₀)＝P₂G₂(r₀)l_v(r₀)Ω_v确定空地用户的SIR值，其中r₀表示从用户到其服务基站的水平距离，G₁(r₀)为服务基站的向下倾斜天线增益，G₂(r₀)为服务基站的向上倾斜天线增益，l_v(r₀)代表服务基站到用户之间的路损。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，用覆盖概率来评估无人机用户和地面用户性能，引入基站到用户链路为视距和非视距的概率/>即覆盖概率计算式为：

其中T为SIR阈值，是服务基站到用户距离的概率密度函数，/>是给定距离r₀及其类型v的条件覆盖概率，类型v∈{LoS,NLoS}，L和N分别为LOS和NLOS的简写；

通过无人机用户和地面用户的覆盖概率随着基站密度、天线倾斜角度和半功率波束宽度的变化曲线分析增加对空天线前后的用户性能变化从而确定天线参数配置方法。