應(yīng)用于艦船編隊的無人機(jī)基站群組網(wǎng)的設(shè)計方案及計算和性能仿真

a引言

近幾年來我國海洋戰(zhàn)略的實施強(qiáng)度加大，這也使水上交通更加頻繁。在進(jìn)行海事安全管理過程中，安全事故的出現(xiàn)概率相對較高，相關(guān)部門也提升了對于海事監(jiān)督管理工作的重視程度。無人機(jī)具有較強(qiáng)的靈活性、續(xù)航性和較廣的覆蓋面積，能夠在較為廣闊的水域進(jìn)行實施監(jiān)督，為海事工作的有效進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

5G關(guān)鍵技術(shù)——超密集組網(wǎng)(Ultra-Dense Network，UDN)可以在一定程度通過快速資源調(diào)度來提高系統(tǒng)無線資源利用率和頻譜效率，但同時也帶來了系統(tǒng)干擾和信令負(fù)荷加劇等問題。因此，為了解決嚴(yán)重的干擾和頻繁切換帶來的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的以基站為中心發(fā)展到以用戶為中心。較之基于傳統(tǒng)地面基站的用戶為中心網(wǎng)絡(luò)，用戶為中心的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究仍然在起步階段。研究工作主要在用戶為中心的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和移動性增強(qiáng)的方面。其中，首先提出基于本地錨點的雙鏈接體系結(jié)構(gòu)，使用戶為中心的服務(wù)能夠跟隨每個用戶移動。定義了一種以用戶為中心的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為每個用戶構(gòu)建一個動態(tài)基站組，從而無縫地為每個用戶提供服務(wù)，保證用戶始終如一的服務(wù)體驗。

以用戶為中心(User-Centric Network，UCN)的新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為下一代移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。在UCN網(wǎng)絡(luò)中，典型用戶可以根據(jù)自己的需求挑選網(wǎng)絡(luò)資源，形成虛擬小區(qū)網(wǎng)絡(luò)。通過使用UCN服務(wù)，用戶可以按需挑選網(wǎng)絡(luò)資源來創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，從而成為自己的服務(wù)提供商。考慮用戶為中心網(wǎng)絡(luò)寬波束場景，用戶選取周圍站點組成潛在服務(wù)群組為其進(jìn)行多小區(qū)聯(lián)合寬波束傳輸。隨著用戶的移動，用戶的潛在服務(wù)群組不斷動態(tài)更新，小區(qū)邊緣用戶的覆蓋和吞吐量嚴(yán)重下降問題得到解決。

當(dāng)無人機(jī)通信數(shù)據(jù)量較大時，需要較大的帶寬進(jìn)行通信，毫米波技術(shù)可以滿足無人機(jī)進(jìn)行超高速的數(shù)據(jù)傳輸。然而，由于毫米波頻段的路徑損耗嚴(yán)重，通信距離受限。為了提高毫米波頻段的通信距離，窄波束聚集了傳輸能量實現(xiàn)方向性通信。地面基站和用戶之間的波束對準(zhǔn)、波束跟蹤和鏈路中斷后的快速波束恢復(fù)，成為近些年來的研究熱點[7]，目標(biāo)在于設(shè)計新的波束對準(zhǔn)、跟蹤和快速波束恢復(fù)算法，從而減少用戶和基站之間波束對準(zhǔn)的時延、信令開銷和波束選擇的復(fù)雜度，而無人機(jī)站點具有移動性，通過波束掃描進(jìn)行快速波束對準(zhǔn)將更加頻繁。此外，若無人機(jī)和用戶側(cè)都使用面陣天線(Uniform Planar Array，UPA)時，相對于使用線性天線陣列(Uniform Linear Array，ULA)，波束對準(zhǔn)和波束跟蹤方法將更加復(fù)雜。

事實上，基于IEEE 802.11ad/ay的無線局域網(wǎng)已經(jīng)具備毫米波頻段使用面陣天線，支持點到點和點對多點通信的相關(guān)設(shè)計，這兩種無線局域網(wǎng)的波束管理機(jī)制也同樣適用于無人機(jī)之間以及無人機(jī)與地面用戶之間的場景?；贗EEE 802.11ay協(xié)議中的波束管理機(jī)制，無人機(jī)站點群組與地面用戶通過波束掃描選擇最佳波束對作為服務(wù)波束對。隨著無人機(jī)和地面用戶的移動，若服務(wù)波束對無法滿足鏈路性能要求，即對服務(wù)波束對進(jìn)行波束跟蹤。由波束偏移角度和波束主瓣寬度確定需要跟蹤的波束對范圍，驗證以服務(wù)波束對為中心的圓形區(qū)域中的所有波束對的鏈路性能是否滿足要求。

本文構(gòu)建了用戶為中心的無人機(jī)基站群組網(wǎng)，為船舶編隊進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)，并結(jié)合無人機(jī)基站的移動性、信道變化的復(fù)雜性以及無人機(jī)基站的能源限制，給出適合該場景的用戶初始接入方案設(shè)計，包括波束掃描流程與算法設(shè)計，并針對波束信令開銷進(jìn)行計算和性能仿真。

1、 系統(tǒng)模型

1.1 組網(wǎng)架構(gòu)

假設(shè)每個旋翼無人機(jī)支持多波束，與附近的無人機(jī)建立方向性波束鏈路，為了提供較高速率的無線回傳鏈路，無人機(jī)基站群組中的一個無人機(jī)作為數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)回傳到地面基站(該無人機(jī)可視為無人機(jī)基站群組的控制中心)，該無人機(jī)與地面基站的回傳鏈路仍為方向性波束，如圖1所示。

考慮到在實際場景(如補(bǔ)盲場景)中地面基站的數(shù)目較少，為了簡化設(shè)計，本文只分析如下場景：

1.2 波束模式模型

毫米波天線為面陣天線，為了覆蓋到所有的方向，可以布置兩個毫米波天線面陣分別位于無人機(jī)的上下方，地面的站點和用戶同樣采用毫米波天線面陣進(jìn)行波束對的掃描跟蹤，本文在用戶側(cè)采用的發(fā)送接收模式如圖2所示。

用戶側(cè)可以裝配多個面陣天線，包括以下3種工作方式：

(1)一次只有一個面陣被激活，且面板轉(zhuǎn)換的時延為毫秒級;

(2)一次有多個面陣被激活，但一次只有一個面陣用于數(shù)據(jù)傳輸;

(3)一次有多個面陣被激活且可以用于數(shù)據(jù)傳輸。如圖1所示，本文中考慮用戶側(cè)有兩個面陣可以同時被激活，但只有一個被用于數(shù)據(jù)傳輸。

無人機(jī)之間及無人機(jī)與地面用戶、地面基站之間的波束采用理想的天線模型建模，歸一化的波束賦形增益為：

1.3 信道模型

用戶接收功率表達(dá)式為：

其中，d為接收端和發(fā)送端之間的距離，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)送端波束賦形增益，Gr為接收端波束賦形增益，λ為波長，α為路徑損耗指數(shù)。

若服務(wù)波束對來自UAVi，則無人機(jī)基站群組中其他無人機(jī)基站的波束對對于該用戶均屬于干擾，用戶側(cè)信干噪比為：

其中，B為波束帶寬，N0為功率譜密度。

2、 用戶初始接入無人機(jī)基站群組機(jī)制

假設(shè)無人機(jī)基站群組處于巡航狀態(tài)，需要考慮用戶為中心網(wǎng)絡(luò)下地面用戶初始接入的無人機(jī)基站群組方式的變化?？紤]無人機(jī)基站的移動性、信道變化的復(fù)雜性及無人機(jī)基站的能源限制，給出適合該場景的用戶初始接入方案設(shè)計，包括波束掃描流程與算法設(shè)計、波束信令開銷計算和性能仿真。

在傳統(tǒng)初始波束掃描方案中，主要存在以下缺陷：

(1)用戶側(cè)只與無人機(jī)群組中的一個無人機(jī)進(jìn)行波束對連接，若該鏈路中斷或性能低于要求，缺少快速波束恢復(fù)的設(shè)計;

(2)依據(jù)波束偏移角度和波束主瓣寬度確定波束跟蹤范圍，需要驗證服務(wù)波束對周圍的所有波束對的鏈路性能，造成不必要的波束跟蹤開銷;

(3)考慮到毫米波無人機(jī)站點群組被部署在天空，無人機(jī)之間及無人機(jī)與地面用戶之間的相對位置變化頻繁，這就需要無人機(jī)之間及無人機(jī)和地面用戶之間頻繁的波束跟蹤以確保實時波束對準(zhǔn)，從而提供可靠的、超高速的無線傳輸。

此外，無人機(jī)的使用壽命受電池的限制，較高頻率的波束訓(xùn)練可能會浪費(fèi)寶貴的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)會。

本節(jié)將具體闡述地面用戶和無人機(jī)基站群組之間的初始接入機(jī)制，先按步驟說明用戶初始接入的整體流程，再給出簡潔易懂的算法設(shè)計。

2.1 初始接入流程

無人機(jī)基站群組和地面用戶的初始接入方法主要分為以下兩個部分：

(1)快速波束掃描階段

①波束掃描為上行波束管理過程;

②波束掃描為半周期性，在波束掃描周期內(nèi)若出現(xiàn)波束跟蹤和波束恢復(fù)無法滿足波束鏈路性能，則觸發(fā)下一次波束掃描;

③由于無人機(jī)的部署可能不在同一高度及存在較復(fù)雜的信道變化，優(yōu)先考慮保證波束連接的穩(wěn)定性和連續(xù)性，再考慮波束鏈路性能;

④在保證波束鏈路性能的前提下，盡可能減少無人機(jī)波束掃描的信令開銷和能量開銷。

(2)波束備份階段

由于無人機(jī)基站的移動性導(dǎo)致服務(wù)波束鏈路容易發(fā)生中斷，用戶側(cè)具有兩個天線面陣，其中一個天線面陣的波束對可以作為備份波束，從而在發(fā)生鏈路中斷后進(jìn)行快速波束恢復(fù)。

①步驟1：初次波束掃描搜索過程

基于天線面陣的結(jié)構(gòu)，每隔固定的距離選擇天線陣子，發(fā)送上行波束進(jìn)行初次波束掃描。如圖3所示，假設(shè){#beamUE，2;#beamUE，5;#beamUE，8;#beamUE，10;#beamUE，13;#beamUE，17;#beamUE，20;#beamUE，24;#beamUE,27}是用戶側(cè)一塊天線陣列面板的初次波束掃描的集合，無人機(jī)基站群組進(jìn)行接收波束掃描。

②步驟2：鏈路性能判決過程

給定兩個SINR界限η1和η2(η2>η1)，若初次波束掃描的信干噪比均低于η1，則重新選擇一組初次波束掃描的集合;若初次波束掃描的信干噪比存在大于η1的波束對，則進(jìn)行步驟3的二次波束掃描搜索過程。

③步驟3：二次波束掃描搜索過程

第二次波束掃描則從初次波束掃描的性能最佳波束附近進(jìn)行，如圖3所示，若初次波束掃描的最佳波束為24，第二次需要掃描{#beamUE，15 #beamUE，23 #beamUE，25}，最佳性能波束在第二次掃描的波束對和初次掃描所得波束中比較選擇。

④步驟4：鏈路性能判決過程

若此次波束掃描的波束對性能均低于η2，則重新進(jìn)行步驟1的初次波束掃描過程;若此次波束掃描的性能最佳波束對的信干噪比性能大于η2，則將鏈路性能最佳波束對作為服務(wù)波束對。

⑤步驟5：波束備份過程

由于假設(shè)用戶側(cè)具有兩個獨(dú)立的天線面陣，兩個天線面陣經(jīng)過如上分層的波束掃描過程選擇了各自的最佳性能波束對后，經(jīng)過比較將該用戶的信干噪比最佳波束對作為服務(wù)波束對，另外一個天線面陣的性能最佳波束對則作為備份波束對。

2.2 算法設(shè)計

相應(yīng)的快速波束掃描算法(Fast Beam Sweeping Algorithm)如下：

(1) 用戶的天線面陣進(jìn)行上行初次波束掃描，選擇每隔一定距離的天線陣子進(jìn)行初次波束掃描;

(2) 無人機(jī)基站群組進(jìn)行接收波束掃落，測量各個波束對的信干噪比;

(3) if 接收到的所有波束對的信干噪比值都小于η1，then

(4) 調(diào)整初次波束掃描的天線陣子，跳轉(zhuǎn)到步驟(1);

(5) else if 初次波束掃描中存在波束對的信干噪比大于η1，then

(6) 進(jìn)行第二次波束掃描過程，第二次波束掃描的掃描范圍為初次波束掃描的性能最佳波束對附近，并測量各個波束對的信干噪比;

(7) if第二次波束掃描的所有波束對的信干噪比均低于η2，then

(8) 調(diào)整初次波束掃描的天線陣子，跳轉(zhuǎn)到步驟(1);

(9) else if 在接收到的波束對中存在波束對的信干噪比大于等于η2，then

(10) 用戶的另一個天線面陣同樣經(jīng)歷這樣的過程，選出各自天線面陣信干噪比性能最佳的波束對，經(jīng)過比較將性能最佳的波束對作為服務(wù)波束對，性能次優(yōu)的波束對作為備份波束對;

(11) end if

(12) end if

3、 性能評估

3.1 信令開銷計算

對于地面用戶和地面基站或者固定位置無人機(jī)基站通信的場景，地面用戶利用該天線面陣進(jìn)行初始接入過程中，首先考慮通過詳細(xì)的波束掃描選擇信干噪比最佳的波束對進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此信令開銷與用戶側(cè)天線面陣的大小直接相關(guān)。

基于地面用戶初始接入流程和算法設(shè)計，可以得到地面用戶初始接入無人機(jī)基站群組的波束信令開銷表達(dá)式為：

其中，M為天線面陣中天線陣子的數(shù)量，即在傳統(tǒng)方法中需要進(jìn)行波束掃描的波束對的數(shù)量;N1為需要初次波束掃描的次數(shù);N2為需要二次波束掃描的次數(shù)。

該公式為基于本文波束掃描算法的最少信令開銷，若天線面陣的形狀為矩形或正方形的長和寬不滿足為3的倍數(shù)，波束掃描的信令開銷則隨之增多。

3.2 性能評估

基于信令開銷計算方法，分別設(shè)置{N1，N2}={1，1}，{2，1}，{2，2}。當(dāng)基于天線面陣進(jìn)行波束掃描時，分別對本文提出的波束掃描機(jī)制以及傳統(tǒng)波束掃描機(jī)制進(jìn)行對比，相應(yīng)的初始接入信令開銷和天線面陣中天線陣子數(shù)目的變化關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出：

(1)隨著天線面陣中天線陣子數(shù)目的增加，兩種機(jī)制的初始接入信令開銷均增加，相比于傳統(tǒng)的波束掃描方法，本文提出的快速波束掃描方法有效降低了初始接入信令開銷。

隨著天線面陣中天線陣子數(shù)目的增多，兩種方法均需要更多的天線陣子進(jìn)行波束掃描，而本文提出的快速波束掃描方法利用空間相關(guān)性通過分層的波束掃描，即先進(jìn)行初次波束掃描再在初次掃描的信干噪比最佳波束對附近進(jìn)行第二次波束掃描選擇性能最佳波束對作為服務(wù)波束對，從而有效減少了初始接入信令開銷。但相比于傳統(tǒng)的波束掃描方法，本文的快速波束掃描方法選擇的可能不是所有波束對中性能最佳的波束對，對于無人機(jī)基站高速移動的巡航場景，優(yōu)先考慮保證波束鏈路連接的穩(wěn)定性和連續(xù)性，再考慮鏈路性能，因此在波束鏈路的性能和信令能源開銷上需要一個折中方案。

(2)由于波束掃描算法中限定了兩個信干噪比界限和，本文的快速波束掃描過程中選擇的天線陣子對應(yīng)的波束對信干噪比性能可能不滿足上述要求，因此需要考慮調(diào)整選擇的天線陣子位置、間隔和數(shù)量，多次進(jìn)行快速波束掃描過程，初始接入信令開銷有所增加，但仍然遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的波束掃描初始接入方法。

4、 結(jié)論

本文重點提出了5G場景下以用戶為中心的無人機(jī)基站服務(wù)船舶編隊的初始波束接入的策略設(shè)計，并進(jìn)行了信令開銷性能評估。相比于傳統(tǒng)的波束掃描方法,本文提出的快速波束掃描方法利用空間相關(guān)性通過分層的波束掃描，有效減少了初始接入信令開銷。

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