基于无人机的通信网络关键问题与优化研究

冯鲁桐 姜君 杨威

摘要：目前，随着全球蜂窝网络覆盖需求的增加，无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）和蜂窝网络的结合可以用一种成本更为低廉，但又具有高度移动性的手段支撑无人飞行器，并且还提供了建立新的专用地面网络的可能性。在城市中流量热点密集的地区，传统蜂窝基站的覆盖范围不能满足需求时，无人机可依据其高灵活性与部署方便的特点快速对热点区域进行覆盖和业务分流，具有广阔的应用场景。无人机作为空中基站（Aerial Base Station，ABS），当热点区域存在多样或大量的服务需求时，可帮助地面宏基站提供高速率的数据覆盖。而且如果区域内出现流量聚集或者超负载，无人机蜂窝基站还可以实现缓和下行流量的拥塞状况。此外，同时被无人机蜂窝基站和宏基站笼盖的地区用户在选择服务时，可以依据用户优先级、信号强度信息或者与基站的距离信息选择宏基站服务或无人机机载基站。

关键词：无人机;通信网络;规划分析

1无人机基站通信网络规划分析

1.1覆盖规划

覆盖规划有覆盖区域划分、传播模型分析和链路预算。覆盖区域的划界是根据用户分布和等待被覆盖的目标区域中用户对通信服务的需求对目标区域进行的，从而可以初步估计无人机基站的总体部署情况。比如需要考虑在通信要求密集的区域部署更多的无人机基站，对于评估后续无人机基站部署方案的合理性有很大帮助。对于无人机基站的传播模型，无人机基站在空中的通信使用空对空信道（Air-To-Air，A2A），即Los链路，只考虑自由空间的路径损耗，而无人机基站与地面的通信使用空对地信道（Air-To-Ground，A2G），由Los链路和NLos链路组成。链路预算是覆盖规划中起到关键性作用的部分，它计算了无人机基站在整个通信过程中，信号出现加成和消耗，即在满足用户需求的情况下在通信连接中能够出现的最大传输损耗，之后结合信道传播损耗模型来确定无人机基站的覆盖半径，并计算单个无人机基站的覆盖区域。要计算无人机基站的链路损耗及其覆盖能力，首先计算通信过程中最大允许的路径损耗，一般需要针对上行和下行链路分别计算。对于上行链路，最大允许路径损耗由无人机基站接收灵敏度、天线增益、地面用户终端发射功率、天线增益等参数计算得出。下行链路的发起方是无人机基站，接收器是地面用户，所以在计算上与上行链路的相反。无人机基站的笼罩范围通常受上行链路的限制，因此本文仅对上行链路进行预算。

上行链路最大允许路径损耗计算公式：

其中，Pt为地面用户终端发射功率，Gt为发射终端天线增益，Gr为接收终端天线增益，Pr为无人机基站接收灵敏度，Lc为馈线损耗，rth为信噪比门限。

A2G 信道链路损耗计算公式如下：

其中，ηLos和ηNLos分别是Los链路和NLos链路的过度路径损耗。a和b是Sigmoid曲线函数的参数;θ为弧度角，表示无人机基站到地面用戶的通信仰角。d为无人机基站与地面用户在水平面上的距离;f为系统频率;c是光速。当链路损耗为最大允许链路损耗时，无人机基站与地面用户在水平面上的距离d代表无人机基站的覆盖半径。

根据最大允许链路损耗和链路损耗的计算公式，可以计算出无人机基站覆盖半径R和无人机基站到地面用户的通信仰角θ的方程。我们知道，当无人机基站部署在最佳部署高度时，无人机基站的覆盖能力最强，因此可以计算出无人机基站的最大覆盖半径。此外，还需要计算通信信号在A2A信道中传播时的链路损耗，进而得到无人机基站之间的通信距离。利用自由空间路径损耗模型计算A2A信道的链路损耗，其计算公式如下：

dc：空中无人机基站间的通信距离，f：系统频率。可以从最大允许路径损耗中获取空中无人机基站之间的通信距离，就像计算无人机基站对地面通信的覆盖半径一样。

1.2容量规划

无人机基站无线通信系统的能力可以直接反映其承载能力。而能影响系统容量的因素有很多，其中就包括了无人机基站本身的软硬件配置、带宽资源的划分和整体的通信环境。对容量的规划是要结合覆盖规划一起的，先对指定区域中的通信服务进行大致的分析，以此估计需要多少无人机基站，才能够满足目标区域中的通信需求。在无人机基站网络中，通常情况无人机基站配置是可以满足目标区域的容量需求的，因此本文中参考的都是满足目标区域用户的容量需求而配置的无人机基站。

1.3频率分析

挑选适合的频率时，不仅要知道无人机传输信号的带宽要求、每个频段的无线电波传播特性，还要对无人机的尺寸、天线的尺寸以及通信设备的功率有清晰的了解。

第一，短波频段。这个频段主要依靠电离层反射实现远距离无视线传播。这个频段下通信系统的功率和尺寸通常可以满足无人机的要求。但是，在有限的带宽限制下，无法用于传输电视图像的情况，不过传输单个固定的电视图像是完全可行的。根据传播特点，在此范围内可用的高频带通常在2〜12 MHz之内。

第二，超短波、微波部分的频率（30 MHz）覆盖的距离比较长，这是因为这个频段可以由低频部分进行衍射传播。不过衍射传播功率水平较高，无人机的功率不能实现，并且这个频段需要较大尺寸的天线，所以在无人机使用这个频段时较少的。

第三，微波频段。该频段是无人机通信系统中用的比较多的，相比短波链路，微波链路因为可用带宽更高，所以运动图像传输能力比较好;此外，微波链路的天线尺寸也是相对较小的。可安装在无人机上的微波链路有许多主要应用频段，如Ku频段、X频段、C频段和S频段。微波电路的劣势是视线传播，这在很大程度上限制了覆盖范围，不过因为无人机的范围通常为100至300km，因此空中中继站是肯定必需的，可以是中继无人机或中继卫星。

第四，卫星通信频段。卫星通信是指由人造地球卫星作为中继站的微波数据传输，用途上主要是长距离间的传输。通过卫星通信能够给无人机提供规模较大的数据传输覆盖范围。但卫星通信链路的使用也受到一定程度的限制，例如，军事通信卫星的数量、租赁民用宽带卫星的成本以及用于长距离链路传输的超高增益天线的可用性都是战术无人机无法满足的条件。目前宽带卫星数据链主要受限于高空长途战略无人机，要长时间稳定的保障数据传输的容量和速度。但是，由于战术无人机受限于自身的尺寸和重量，卫星通信链路还不是一种理想的方法。

选择合适的频段后，可以依据无人机通信系统的功能要求以及战场电磁干扰和保密的要求（根据国家无线电频率划分）来选择合适的频率。

2算法场景仿真

首先通过k-means算法将地面所有用户划分成K个族群，然后检测每个集群用户的数量，如果一个簇中的用户数量大于无人机最大服务数量L，则添加派遣一个无人机基站来援助服务。而后，我们将所有的用户划分为新的K=K+1个簇，并检测每个簇的用户数，直到每簇中的用户数不超过L，算法结束。最终k的值为所需部署的基站的数量，每个簇的中心位置为无人机基站在地面用户间的水平投影位置。然后通过多维空间中的欧几里得公式计算每个无人机基站的覆盖半径，其值等于无人机基站的水平投影点到簇中离它最远的用户之间的距离。

根据K-means算法获得以上无人机基站的水平投影位置，而后以路径损耗最小化为目标，获取基站部署高度。我们对城市环境下的无人机基站高度与路径损耗关系进行仿真，通过对比不同覆盖半径下的二者关系发现，随着无人机基站高度的上升，其路径损耗值先单调减小，而后又单调上升，并不是单调关系，即存在一个最小的路径损耗值使得发射功率最小化，从而达到位置优化的目的。此时，最小路径损耗值对应的基站高度，便是我们应当部署的位置高度。

参考文献：

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