CN114900842A - 基于d2d通信的扩大海上通信范围的网络架构 - Google Patents

基于d2d通信的扩大海上通信范围的网络架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构，包括：卫星，用于为整个海域提供有时间间隔的窄带信号覆盖；微基站，部署在移动平台或固定平台上，微基站在所述卫星或者宏基站的管理下，覆盖一设定面积的用户设备；宏基站在通信范围内可为空中设备和海上平台提供信息回传服务；空中设备部署微基站，与所述卫星和宏基站建立无线通信链路，沿着预定轨迹飞行，与海上平台建立D2D通信链路，对海上服务需求较大的区域及时增加部署；海上平台部署微基站，微基站之间或是与空中设备建立D2D通信链路增强覆盖，其中，所述微基站间D2D通信包括对附近邻居的检测、协同空中设备动态目标追踪的组网，以及对无线电资源进行分配和管理。

Description

基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构。
背景技术
随着海洋活动的日益频繁和海洋经济的快速发展，对海域无缝宽带覆盖的需求愈发迫切。智慧海洋、海上运输等离不开信息传输，因此可靠、高效的海上通信对促进海洋经济发展乃至实现海洋强国至关重要。传统海洋通信系统主要包括海上无线通信系统、海洋卫星通信系统、蜂窝移动通信系统及综合上述3种网络优点的集成海洋通信系统。海上无线通信系统可以提供中远距离覆盖，但数据传输速率低且通信距离受限；蜂窝移动通信系统作为陆地蜂窝网络的沿伸，数据传输速率相对提升但覆盖的海域范围有限；海洋卫星通信系统可以实现海域全覆盖，但成本极高。加之海洋通信环境恶劣以及通信基础设施的缺乏，上述通信方式已无法满足海洋物联网等新型应用对通信的需求，束缚了海洋经济的进一步发展。
为了扩大海上覆盖范围，为海上用户提供高速率、低成本的信息服务，无线自组网技术以其灵活性和可扩展性被广泛应用于海上通信，Yau等人提出连接各类船舶、浮标和信标等建立海上无线多跳网络，提供无线宽带服务，但通信链路易中断，信息传输不稳定。为了保证通信链路的可靠性，增强海上通信覆盖，Guan等人提出将基站部署在移动平台，利用塔载基站构建多跳视线链路，连接海上网络与地面网络，进一步为海上用户提供广域无缝的网络信息覆盖。Wang等人亦利用可部署的基站，在岸上基站或船基无法覆盖的区域，利用无人机进行动态覆盖，以增强海上通覆盖面及通信质量。现阶段提出的扩大海上通信的体系架构，大多利用空天地海混合网络来增强海上覆盖，这也是未来发展的必然趋势。但是由于海上通信环境复杂，目前研究仍存在网络拓扑结构的高动态性、部分覆盖薄弱以及缺乏高效统一的管理机制等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构，旨在通过邻居节点发现方法及合理的节点组网算法，以应对用户分布不均匀和高移动性；并设计了相应的资源管理方案以提升资源利用率。该架构在传统海洋通信体系架构的基础上，可以根据不同场景，为用户选择合适的通信方式，实现用户设备之间高效的信息交互，进一步提高整个网络系统的吞吐量、扩大海洋通信的覆盖面积及通信带宽，改善海洋用户的服务质量。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构，包括：
卫星，用于为整个海域提供有时间间隔的窄带信号覆盖；
宏基站，包括部署在岸上的岸上宏基站或海上的海上宏基站，覆盖一设定范围内的海域，为覆盖范围内的设备提供无线通信服务；
其中，岸上宏基站，为近海海域内覆盖的设备提供通信服务，海上宏基站，为海上覆盖范围内的设备提供通信服务；所述宏基站与卫星、空中设备、海上平台进行通信，为空中设备和海上平台提供信息回传服务，以及对微基站进行管理和调度；
空中设备，用于部署微基站，沿着预定轨迹飞行，与海上平台建立D2D 通信链路，对海上服务需求较大的区域及时增加部署；
海上平台，用于部署微基站，微基站之间或是与空中设备建立D2D通信链路增强覆盖，
其中，所述微基站在所述卫星或者宏基站的管理下，覆盖一设定面积的用户设备，为所覆盖的设备提供信息传输服务，微基站间D2D通信包括对附近邻居的检测、协同空中设备动态目标追踪的组网，以及对无线电资源进行分配和管理。
一种实现方式中，微基站D2D通信包括对附近邻居的检测的步骤，包括：
S21：微基站周期性地发送/接收邻居搜索信号，信号中包含微基站身份信息；
S22：接收到信号的微基站通过接收信号强度RSSI估计发送距离；
S23：接收到信号的微基站通过距离阈值判别是否属于此基站的邻居；
S24：无覆盖模式下，接收到信号的微基站若在上一步骤中判断为发送信号基站的邻居，则反馈指示信息给该发送基站，否则，则不反馈；若在覆盖模式下，接收到信号的微基站若在上一步骤中判断为发送信号基站的邻居，则反馈指示信息给宏基站；反馈信息包含此微基站身份标识，包括是否为无人机或船舶；
S25：微基站若在无覆盖模式下，微基站则基于邻居反馈构建邻居集合；微基站若在覆盖模式下，其邻居集合将在宏基站中存储。
一种实现方式中，所述协同无人机动态目标追踪的组网的步骤，包括：
S31：微基站获取其通信范围内邻居节点的信息并建立通信链路；
S32：微基站之间建立通信链路，获得网络时变图；
S33：根据无人机的参数，计算无人机的位置坐标，根据位置信息对无人机进行分类；
S34：使用最短路径算法计算时变图中节点到节点的最短路径；
具体地，选择其一无人机节点u作为初始接入节点，初始化集合U＝{u}；初始化集合S为海上用户节点；在集合S中选择与初始接入节点距离最近的节点加入集合U，建立无人机与海上用户节点之间的通信链路，同时根据最短路径建立海上节点链路；
S35：选择其他无人机节点作为新的初始接入节点，更新集合S中的与无人机节点的距离，重复S34直至集合S中的节点都已包含在U中，得到当前时刻的通信链路连接模式；
S36：微基站在无覆盖模式下，微基站之间建立通信链路；微基站若在覆盖模式下，由宏基站读取并存储微基站的地理位置信息，计算微基站之间的最短路径，并控制微基站与其他节点建立通信链路；
S37：无人机和船舶都有固定的轨迹，在进行链路切换时，根据当前时刻无人机、船舶的位置和速度，预测后续时刻网络中该节点的位置、邻居的变化，执行步骤S33-S36得到下一时刻的链路连接模式。
一种实现方式中，所述无线电资源进行合理分配和管理的步骤，包括：
S41：微基站向资源调度器发出资源调度许可请求；
S42：微基站在覆盖模式下，通过宏基站对无线电资源进行管理和分配，在宏基站发出调度准许应答后，并缓存微基站待传输的数据，若在无覆盖模式下，网络为D2D通信分配一个资源池，考虑帧结构和资源池配置进行分布式资源分配，用户在资源池中发送用于声明数据消息的资源占用控制消息，在控制消息指定的数据资源位置发送业务数据消息；
S43：在覆盖模式下，宏基站的资源调度器根据调度请求、缓存数据情况为用户分配资源；无覆盖模式下，用户自行选择分配数据资源；
S44：根据功率需求、用户业务优先级以及用户服务质量条件建立资源调度模型，得到优化后的资源分配策略；
S45：在覆盖模式下，宏基站存储相应资源分配策略并做出调度指示；否则，在无覆盖模式下，用户根据资源分配策略自行调度，进行资源分配。
一种实现方式中，所述微基站之间建立通信链路的网络时变图模型表示为G＝(V，E)，V表示图G的顶点，即网络中的节点，包括部署微基站的无人机、船舶和浮标；E表示图G连接两个节点的边，表示节点之间的连接关系。
本发明实施例中，通过改进后的基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构，获得至少以下有益效果：
为解决上述海上通信存在的问题，基于空天地海一体化网络，提出了一种海洋信息传输架构以扩大海上覆盖；设计了一种邻居节点发现方法及合理的节点组网算法，以应对用户分布不均匀和高移动性；并设计了相应的资源管理方案以提升资源利用率。该架构在传统海洋通信体系架构的基础上，可以根据不同场景，为用户选择合适的通信方式，实现用户设备之间高效的信息交互，进一步提高整个网络系统的吞吐量、扩大海洋通信的覆盖面积及通信带宽，改善海洋用户的服务质量。
附图说明
图1是本发明提出的微基站间采用D2D通信的空天地海一体化信息传输架构。
图2是本发明微基站间三种通信模式的示意图。
图3是本发明微基站间D2D通信邻居发现方法的流程图。
图4是本发明微基站间D2D通信组网与覆盖方法的流程图。
图5是本发明微基站间D2D通信资源管理方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示，为本发明实施例中的基于微基站间D2D通信的空天地海一体化信息传输网络。卫星通信为全海域提供信号覆盖；空中设备部署微基站作为空中按需接入点，沿着预定轨迹飞行；宏基站覆盖部分海域，保证覆盖范围内海域的高质量服务；在海上，将微基站部署在可利用的移动平台或固定平台上，如船舶、浮标、信标、灯塔等，这些微基站在宏基站或卫星的管理下，覆盖一定面积的用户设备，为其提供信息传输服务。微基站间利用D2D通信进行数据回传、信息交互等任务，可以为相距较远的用户设备提供信息交互的机会并提升海上通信的性能，如图1，D2D终端还可作为信息接入节点，覆盖外的节点通过中继与覆盖内的节点进行信息传递，间接扩大海洋通信的覆盖面积。岸上宏基站和海上宏基站统称为宏基站；在海上，由于实际条件限制，宏基站的覆盖范围有限，使得海上平台要么不被宏基站覆盖，要么在宏基站覆盖下，即或被岸上宏基站覆盖、或被海上宏基站覆盖、或同时被岸上或海上宏基站覆盖，但此时两者中无线覆盖更强的宏基站起主导作用，所以根据实际情况，以下所述宏基站均指可以为微基站提供信号覆盖或者两者中信号覆盖更强的宏基站。
具体来说，如图2所示，微基站的通信模式分为三种。一为中心节点(宏基站或卫星)覆盖模式，即微基站在中心节点覆盖下，此时，微基站可作为信息接入节点，将其覆盖下的设备信息转发至中心节点；二为部分覆盖模式，微基站可与中心节点覆盖下的微基站通信，从而其与中心节点间信息传递可通过中心节点覆盖下的微基站进行中继；三为无覆盖模式，微基站只能与其邻居节点互传信息。
进一步地，用户节点进行信息传输时，在中心节点覆盖范围内的用户可由中心节点直接提供通信服务；在中心节点部分覆盖或无覆盖时，微基站之间可根据用户QoS选择通信模式，如图1。由于发射功率的限制，不在通信范围内的设备，可使用多跳路由通过其他节点进行中转，节省能量消耗。综上所述，根据中心节点覆盖情况，以及用户的QoS和通讯需求自主选择并切换通信模式。
图1实施例中的微基站在以上三种通信模式下，需要提供涉及多方面的通信服务，本实施例提供一种微基站之间邻居发现的方法，其流程示意图如图3所示，包括以下步骤：
S11：微基站周期性地发送/接收邻居搜索信号，信号中包含微基站身份信息。
S12：接收到信号的微基站通过接收信号强度(Receive Signal StrangeIndicator,RSSI)估计发送距离。计算的方法多样，例如采用较为成熟的大尺度衰落计算方式：
PR(dBm)＝A-10·nlg(d) (1)
其中PR是信号的接收功率，A为发送信号传输1m远时接收信号的功率， n为信号传播因子，数值大小取决于无线信号传播环境，d为两个微基站之间的距离。常数A和n决定了接收信号强度和信号传输距离的关系。
S13：接收到信号的微基站通过距离阈值判别是否属于此基站的邻居，例如，阈值大于某一值T，则认为为该基站的邻居，反之，则不是该基站邻居。T的值可根据经验值，可根据网络性能，用户需求等，如宏基站、卫星、或该基站本身决定。
S14：无覆盖模式下，接收到信号的微基站若在上一步骤中判断为发送信号基站的邻居，则反馈指示信息给该发送基站，否则，则不反馈；若微基站在覆盖模式下，接收到信号的微基站若在上一步骤中判断为发送信号基站的邻居，则反馈指示信息给宏基站。反馈信息包含此微基站身份标识，包括是否为无人机或船舶。
S15：微基站若在无覆盖模式下，微基站则基于邻居反馈构建邻居集合；微基站若在覆盖模式下，其邻居集合将在宏基站中存储。
本实施例提供一种微基站之间进行组网的方法，其流程示意图如图4所示，包括以下步骤：
S21：微基站获取其通信范围内邻居节点的信息并建立通信链路。
S22：微基站之间建立通信链路，其网络时变图模型可以表示为G＝(V， E)，V表示图G的顶点，即网络中的节点，包括部署微基站的无人机、船舶和浮标等；E表示图G连接两个节点的边，表示节点之间的连接关系。
S23：根据无人机的参数，计算无人机的位置坐标，根据位置信息对无人机进行分类。
S24：微基站之间进行动态组网时，网络拓扑在某一时刻是固定的，可以使用最短路径算法计算时变图G(V，E)中节点到节点的最短路径。
具体地，选择其一无人机节点u作为初始接入节点，初始化集合U＝{u}；初始化集合S为海上用户节点。在集合S中选择与初始接入节点距离最近的节点加入集合U，建立无人机与海上用户节点之间的通信链路，同时根据最短路径建立海上节点链路。
S25：选择其他无人机节点作为新的初始接入节点，更新集合S中的与无人机节点的距离。重复S24直至集合S中的节点都已包含在U中，得到当前时刻的通信链路连接模式。
S26：微基站在无覆盖模式下，微基站之间建立通信链路；微基站若在覆盖模式下，由宏基站读取并存储微基站的地理位置信息，计算微基站之间的最短路径，并控制微基站与其他节点建立通信链路。
S27：无人机和船舶都有固定的轨迹，在进行链路切换时，根据当前时刻无人机、船舶的位置和速度，预测后续时刻网络中该节点的位置、邻居的变化，执行步骤S23-S26得到下一时刻的链路连接模式。
本实施例提供一种微基站之间资源管理的方法，其流程示意图如图5所示，包括以下步骤：
S31：微基站向资源调度器发出资源调度许可请求。
S32：在覆盖模式下，可以利用宏基站对无线资源进行管理和分配。宏基站发出调度准许应答，并缓存微基站待传输的数据。在无覆盖模式下，由于不存在物理层反馈，相关信道状态信息少，要求D2D终端可以对无线电资源进行分配，网络可以为D2D通信分配一个资源池，考虑帧结构和资源池配置进行分布式资源分配，用户在资源池中发送用于声明数据消息的资源占用等控制消息，然后在控制消息指定的数据资源位置发送业务数据消息。
S33：在覆盖模式下，宏基站的资源调度器根据调度请求、缓存数据等情况为用户分配资源；无覆盖模式下，用户自行选择分配数据资源。
S34：由于微基站不同于宏基站具有较强的数据处理能力，微基站的计算能力较低，对功耗更敏感。可根据功率需求、用户业务优先级以及用户服务质量等条件建立资源调度模型，得到优化后的资源分配策略。
S35：在覆盖模式下，宏基站存储相应资源分配策略并做出调度指示。否则，在无覆盖模式下，用户根据资源分配策略自行调度，进行资源分配。
所提出的微基站间D2D通信的信息传输架构，可以进一步解决背景技术中所涉及的问题，部署微基站并利用D2D通信技术进行信息传输，可以扩大海洋覆盖面积及通信带宽。所提出的邻居节点发现方法及组网算法，可以进一步应对海上节点的移动性，提升通信链路的稳定性；所提出的微基站间资源管理方案，可以提高无线电资源利用率，改善海洋用户的服务质量。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构，其特征在于，包括：
卫星，用于为整个海域提供有时间间隔的窄带信号覆盖；
宏基站，包括部署在岸上的岸上宏基站或海上的海上宏基站，覆盖一设定范围内的海域，为覆盖范围内的设备提供无线通信服务；
其中，岸上宏基站，为近海海域内覆盖的设备提供通信服务，海上宏基站，为海上覆盖范围内的设备提供通信服务；所述宏基站与卫星、空中设备、海上平台进行通信，为空中设备和海上平台提供信息回传服务，以及对微基站进行管理和调度；
空中设备，用于部署微基站，沿着预定轨迹飞行，与海上平台建立D2D通信链路，对海上服务需求较大的区域及时增加部署；
海上平台，用于部署微基站，微基站之间或是与空中设备建立D2D通信链路增强覆盖，
其中，所述微基站在所述卫星或者宏基站的管理下，覆盖一设定面积的用户设备，为所覆盖的设备提供信息传输服务，微基站间D2D通信包括对附近邻居的检测、协同空中设备动态目标追踪的组网，以及对无线电资源进行分配和管理。
2.根据权利要求1所述的基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构，其特征在于，微基站间D2D通信包括对附近邻居的检测的步骤，包括：
S21：微基站周期性地发送/接收邻居搜索信号，信号中包含微基站身份信息；
S22：接收到信号的微基站通过接收信号强度RSSI估计发送距离；
S23：接收到信号的微基站通过距离阈值判别是否属于此基站的邻居；
S24：无覆盖模式下，接收到信号的微基站若在上一步骤中判断为发送信号基站的邻居，则反馈指示信息给该发送基站，否则，则不反馈；若在覆盖模式下，接收到信号的微基站若在上一步骤中判断为发送信号基站的邻居，则反馈指示信息给宏基站；反馈信息包含此微基站身份标识，包括是否为无人机或船舶；
S25：微基站若在无覆盖模式下，微基站则基于邻居反馈构建邻居集合；微基站若在覆盖模式下，其邻居集合将在宏基站中存储；
其中，空中设备为无人机。
3.根据权利要求1或2所述的基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构，其特征在于，所述微基站间D2D通信协同无人机动态目标追踪的组网的步骤，包括：
S31：微基站获取其通信范围内邻居节点的信息并建立通信链路；
S32：微基站之间建立通信链路，获得网络时变图；
S33：根据无人机的参数，计算无人机的位置坐标，根据位置信息对无人机进行分类；
S34：使用最短路径算法计算时变图中节点到节点的最短路径；
具体地，选择其一无人机节点u作为初始接入节点，初始化集合U＝{u}；初始化集合S为海上用户节点；在集合S中选择与初始接入节点距离最近的节点加入集合U，建立无人机与海上用户节点之间的通信链路，同时根据最短路径建立海上节点链路；
S35：选择其他无人机节点作为新的初始接入节点，更新集合S中的与无人机节点的距离，重复S34直至集合S中的节点都已包含在U中，得到当前时刻的通信链路连接模式；
S36：微基站在无覆盖模式下，微基站之间建立通信链路；微基站若在覆盖模式下，由宏基站读取并存储微基站的地理位置信息，计算微基站之间的最短路径，并控制微基站与其他节点建立通信链路；
S37：无人机和船舶都有固定的轨迹，在进行链路切换时，根据当前时刻无人机、船舶的位置和速度，预测后续时刻网络中该节点的位置、邻居的变化，执行步骤S33-S36得到下一时刻的链路连接模式；
其中，空中设备为无人机。
4.根据权利要求1或2所述的基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构，其特征在于，所述无线电资源进行合理分配和管理的步骤，包括：
S41：微基站向资源调度器发出资源调度许可请求；
S42：微基站在覆盖模式下，通过宏基站对无线电资源进行管理和分配，在宏基站发出调度准许应答后，并缓存微基站待传输的数据，若在无覆盖模式下，网络为D2D通信分配一个资源池，考虑帧结构和资源池配置进行分布式资源分配，用户在资源池中发送用于声明数据消息的资源占用控制消息，在控制消息指定的数据资源位置发送业务数据消息；
S43：在覆盖模式下，宏基站的资源调度器根据调度请求、缓存数据情况为用户分配资源；无覆盖模式下，用户自行选择分配数据资源；
S44：根据功率需求、用户业务优先级以及用户服务质量条件建立资源调度模型，得到优化后的资源分配策略；
S45：在覆盖模式下，宏基站存储相应资源分配策略并做出调度指示；否则，在无覆盖模式下，用户根据资源分配策略自行调度，进行资源分配；
其中，空中设备为无人机。
5.根据权利要求3所述的基于D2D通信的扩大海上通信范围的网络架构，其特征在于，所述微基站之间建立通信链路的网络时变图模型表示为G＝(V，E)，V表示图G的顶点，即网络中的节点，包括部署微基站的无人机、船舶和浮标；E表示图G连接两个节点的边，表示节点之间的连接关系。
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