一种遮挡效应下无人机基站选择方法技术

本发明专利技术研究和讨论了密集城区下建筑物的遮挡问题，提出了一种遮挡效应下无人机基站选择方法，该方法考虑了波束穿透一次建筑物后仍具有一定能量，即穿透损耗因子不为零的情况，根据密集城区环境参数及穿透损耗因子，确定用户与可连接范围内无人机基站间链路的遮挡情况及链路的穿透损耗。用户选择可连接范围内最近的未被建筑物遮挡的无人机基站作为服务无人机基站，当不存在未被建筑物遮挡无人机基站时，选择最近的被建筑物遮挡一次的无人机基站作为服务基站。在单个无人机基站的覆盖范围较小时，即无人机天线角度较小时，基于提出的考虑遮挡效应的无人机基站选择方法，考虑被建筑物遮挡的无人机基站对用户的服务将有效地提高覆盖率。

【技术实现步骤摘要】
一种遮挡效应下无人机基站选择方法
本专利技术涉及无线通信
，特别涉及未来第五代移动通信(Beyond5thGeneration，B5G)和第六代移动通信(6thGeneration，6G)中无人机基站通信。
技术介绍
面对未来移动数据流量爆炸性增长的需求，无人机通信作为B5G拓展通信空间的主要研究方向之一受到学术界和产业界的广泛关注。地面站点往往部署周期长、成本高，使得现有的地面站点部署方案并不适用于高动态业务场景(如具有大容量需求的补热场景和具有高覆盖需求的补盲场景等)，无法实现由地面移动用户的时空分布按需求接入站点的目标。由于无人机具有低成本、可快速部署、广覆盖等特征，可以作为空中基站为地面用户提供通信服务，一方面可以提高传统蜂窝系统的服务质量，分流热点小区的业务，另一方面可以在灾害地区满足快速通信恢复的需求，作为地面基站通信的有效补充是未来移动通信的主要研究方向。在未来移动通信系统中，无人机作为基站进行无线通信服务是可以满足较高复杂度和动态的数据需求的技术。和现有的地面小区和卫星通信相比，无人机基站通信具有如下优势：较好的移动性使得可以按需快速部署站点，由于与地面用户和宏站之间的链路多为视距(line-of-sight，LOS)径使得数据传输的容量提升。无人机基站通信多用于补盲、补热场景，即为没有部署地面基站和传统通信中断后的地区提供服务，或者用户密集地区提供良好的链路性能和容量提升。此外，无人机基站利用波束服务用户可以有效提高链路质量和用户容量。由于无人机基站常用于补热场景并且地面移动用户在城区场景分布密集，基于实际的宽波束模型，无人机基站的波束俯仰角度和部署高度将直接影响无人机基站的波束覆盖范围。此外，在城区环境下分析无人机信道条件变化时需要考虑建筑物的遮挡效应及其带来的穿透损耗。
技术实现思路
本专利技术研究和讨论了密集城区下建筑物的遮挡问题，提出了一种遮挡效应下无人机基站选择方法，该方法考虑了波束穿透一次建筑物后仍具有一定能量，即穿透损耗因子不为零的情况，用户选择可连接范围内最近的未被建筑物遮挡的无人机基站作为服务无人机基站，当不存在未被建筑物遮挡无人机基站时，选择最近的被建筑物遮挡一次的无人机基站作为服务基站。本专利技术的考虑遮挡效应的无人机基站选择方法包括以下步骤：步骤200，根据无人机部署参数及天线配置确定用户可连接的无人机基站范围。宽波束无人机基站部署在密集城区中距离地面高度h处，天线角度设置为θ，θ∈(0，π/2)，考虑无人机的天线角度对波束增益的影响，无人机基站波束增益G与波束方位角的关系表达式如下其中，波束的旁瓣增益近似为0，则无人机基站只能给在波束覆盖范围内的用户提供服务，在波束覆盖范围外的信号强度几乎为零。因此，用户可连接的宽波束无人机基站的范围为以用户为圆心，半径为htanθ的圆形区域。步骤210，根据获取到的密集城区环境参数，通过三维空间遮挡建模，确定任意用户与其可连接范围内无人机基站间链路的遮挡情况，引入穿透损耗因子，得到链路的穿透损耗。根据阻塞建筑物数量分布确定用户和无人机基站链路的穿透损耗S，其计算式为：S＝γK'，其中，γ为信号通过某个地区的建筑物后的功率损耗比例，即穿透损耗因子。用户的有用信号和干扰信号均需考虑建筑物阻塞的影响。对于具有多面墙壁的大型建筑物和通过建筑物穿透损耗更严重的毫米波波束场景，假设所有建筑物都是不可穿透的，则γ＝0。本专利技术研究宽波束的波束模型，在城区环境下建筑物将对无人机基站波束造成阻挡，建筑物的穿透损耗较小，但仍会对用户造成影响，即γ>0。用户的有用信号和干扰信号均需考虑建筑物的遮挡效应。上式中K'为无人机基站和用户三维空间连线上阻塞建筑物数量，K'服从泊松分布，表达式为：其中，R为用户到无人机基站水平投影的距离；p＝λE[L]E[W]为由建筑物密度λ得到的归一化城市密度，E[L]和E[W]分别为建筑物的平均长、宽，当地面无建筑物时p＝0，当建筑物完全覆盖地面时p＝1；β与建筑物平均长宽及建筑物密度相关，表示为：η为三维空间的建筑物阻塞概率，计算式为：其中，积分上限为用户和无人机基站水平投影连线上对应位置处的建筑恰好阻塞用户与该无人机基站信道的高度。对建筑物的高度分布函数fH(h′b)从地面到高度处进行积分，即得到在二维空间建筑物阻塞用户和无人机基站水平投影连线但三维空间无法阻塞用户与该无人机基站信道的概率，进而得到三维空间的建筑物阻塞概率η。其中，建筑物的高度分布函数fH(h′b)表达式如下，考虑其服从以建筑物平均高度为特征值的瑞利分布，其中，hb为一定范围内建筑物的平均高度。P{K'＝0}＝e-η(βx+p/4)对应信号不经历穿透损耗。当穿透损耗因子较大时，认为K'大于1的概率较小，且信号经过两次及以上建筑物的穿透损耗巨大对用户的影响可以忽略不计。步骤220，根据上述确定的用户与其可连接范围内无人机基站间链路的遮挡情况及链路的穿透损耗，进行无人机基站选择，确定用户服务基站。考虑遮挡效应的无人机基站选择方法规则如下：当用户的可连接范围htanθ内存在LOS径的无人机基站时，用户由LOS径的无人机基站波束服务，即有用信号不存在穿透损耗。用户选取RSRP最大的无人机基站作为其服务基站，此时用户由最近的LOS无人机基站服务，可连接范围内其余无人机基站为干扰基站，干扰基站可能包括LOS径和NLOS径的无人机基站或均为NLOS径的无人机基站。在这种情况下，Htanθ距离内存在无人机的波束没有被建筑物遮挡，即服务无人机到该用户为LOS径的，并且再用户离该服务无人机基站连线的水平投影x内，其他无人机基站到用户的路径均存在建筑物遮挡，由此得到概率密度函数表达式为：其中，μ为无人机基站部署密度，U(x)的表达式为：当用户的可连接范围htanθ内不存在LOS径的无人机基站时，用户由非视距(non-line-of-sight，NLOS)径的无人机基站波束服务，即有用信号存在穿透损耗。信号经过两次及以上建筑物的穿透损耗巨大对用户的影响可以忽略不计，此时用户选择最近的被建筑物遮挡一次的无人机基站作为服务基站，可连接范围内其余无人机基站为干扰基站，并且干扰基站均为NLOS径的无人机基站。在这种情况下，Htanθ距离内所有无人机的波束到该用户的路径均被建筑物遮挡，选择距离最近的无人机作为该用户的服务无人机，即服务无人机到该用户为NLOS径的，则概率密度函数为有益效果本专利技术针对密集城区建筑物对用户-无人机基站链路的遮挡导致用户接收到的无人机基站信号可能存在穿透损耗的情况，提出了一种遮挡效应下无人机基站选择方法。基于已有的宽波束模型，无人机基站的天线角度和部署高度将影响单个无人机基站的覆盖范围，在城区环境下建筑物将对无人机基站波束造成阻挡，而宽波束应用于无人机基站时建筑物的穿透损耗较小，但仍会对用户造成影响，因此当用户的可连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种遮挡效应下无人机基站选择方法，其特征在于，包括：宽波束无人机基站在密集城区中部署，单个无人机基站的覆盖范围有限，用户可连接无人机基站的范围根据无人机基站部署高度和波束宽度决定；获取密集城区环境参数，引入穿透损耗因子，为信号通过建筑物后的功率损耗比例，根据城区建筑物分布参数建立三维空间建筑物阻塞模型，根据阻塞模型和穿透损耗因子确定穿透损耗；根据用户的可连接范围内是否存在LOS径的无人机基站，用户分别选择最近的LOS无人机基站服务或最近的被建筑物遮挡一次的无人机基站作为服务基站。/n

【技术特征摘要】
1.一种遮挡效应下无人机基站选择方法，其特征在于，包括：宽波束无人机基站在密集城区中部署，单个无人机基站的覆盖范围有限，用户可连接无人机基站的范围根据无人机基站部署高度和波束宽度决定；获取密集城区环境参数，引入穿透损耗因子，为信号通过建筑物后的功率损耗比例，根据城区建筑物分布参数建立三维空间建筑物阻塞模型，根据阻塞模型和穿透损耗因子确定穿透损耗；根据用户的可连接范围内是否存在LOS径的无人机基站，用户分别选择最近的LOS无人机基站服务或最近的被建筑物遮挡一次的无人机基站作为服务基站。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，宽波束无人机基站部署在密集城区中距离地面高度h处，天线角度设置为θ，考虑无人机的天线角度对波束增益的影响，认为无人机基站只能给在波束覆盖范围内的用户提供服务，在波束覆盖范围外的信号强度几乎为零,则用户可连接的宽波束无人机基站最远距离为htanθ。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取密集城区环境参数，包括建筑物位置分布、高度分布、平均长宽、密度，建立三维空间建筑物阻塞模型，得到无人机基站和用户三维空间连线上阻塞建筑物数量K'的分布，表达式为：



其中，R为用户到无人机基站水平投影的距离，p...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鸿涛，陈雨晴，唐文斐，刘江徽，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11