基于圆覆盖功率优化的6G无人机基站站址规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于圆覆盖功率优化的6G无人机基站站址规划方法及系统，方法包括以下步骤：根据规划设置网络带宽、载波频率以及飞控中心可同时控制的UAV

【技术实现步骤摘要】
基于圆覆盖功率优化的6G无人机基站站址规划方法及系统


[0001]本专利技术属于本专利技术涉及6G天地一体化网络场景中对天基核心通信设备无人机基站的规划
，具体涉及一种利用几何圆覆盖进行建模来保证对地面用户全覆盖的无人机基站站址规划方法。

技术介绍

[0002]移动通信从最初发展到第五代通信网络(The Fifth Generation Mobile Communication，5G)其通信特点发生了巨大改变，1G时代只能打电话、信号质量差，2G时代称为“文字时代”到3G时代数据传输有所提升4G进入“视频时代”再到5G开启通信技术与互联网技术的融合时代，出现了多种新型无线接入技术和演进技术，但这对于人们日益丰富的需求而言，仍存在大量不足。2019年11月于北京成立了6G的研发专家工作组，标志着我国6G关键技术研发工作正式开始。
[0003]6G相对于5G时代在通信网络整体架构上将发生改变，从而满足未来出现的多种应用场景及通信需求。目前5G网络中基站大多部署在陆地上，这种静态的、单维的通信网络在面对特殊的通信场景或是突发性的通信网络瘫痪时可能无法满足用户的通信需求。6G通信网络将是一个前所未有的全维度全覆盖的超灵活致密网络，它将联合传统地面网络、空中网络、卫星星座网络以及水下网络，实现空天地海一体化的全球覆盖。特别是，热气球、空中飞行艇、无人机(Unmanned aerial vehicle,UAV)等可移动性强且便于部署的空中飞行器的种类和数量增加，建立空中飞行基站作为通信节点的低空网络用于补充静态网络架构将在6G时代发挥重要作用。
[0004]无人机通信网络相比于其他通信而言具有可控性强，灵活性高等优势，能够用于火灾探测、紧急救援等应急通信场景，也能为重要会议、大型赛事等高密度业务场景提供有效的通信服务。同时，近些年来无人机技术也在快速发展，在制造成本、操作可控性以及机体尺寸方面都有巨大改进，这使得无人机通信从军事领域转向公共民事领域，在城市交通、水利管理、战场侦察、林业管理等方面都展开广泛应用。由此可见，无人机通信具有巨大的应用市场及发展潜力。
[0005]无人机通信的发展离不开对无人机通信系统模型及其性能方面的研究。在通信领域，无人机既可以作为空中用户也可以搭载空中基站作为中继或基站。无人机作为空中用户被大规模使用在物联网中，收集来自于地面设备的传感数据等；无人机搭载基站作为中继被用在超密集场景中，可对移动用户进行信号加强以及提供远距离通信；UAV
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BS则更多的用于卸载地面网络的数据量和应急通信方向。无人机通信借助其便捷、受环境影响较小的优势在应急通信方面成为低空网络组成首选。但同时无人机自身的体积小、电池容量低、续航时间有限的特点也给无人机网络带来通信服务时间有限，能效低的问题。另外，无人机飞行高度受限，载重能力受限使得UAV
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BS覆盖范围有所限制。因此，综合考虑无人机的限制因素以及不同场景的通信需求进行合理的位置部署及站址规划技术研究对6G通信技术发展具有深刻影响。
[0006]UAV
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BS站址规划问题的研究目的在于通过位置部署规划来尽可能的提高无人机通信网络的有效性及覆盖性能。一方面，无人机飞行或悬停会对信道产生影响，当无人机靠近地面时可以降低信号的路径损耗，但也有可能增加非直射信号加剧多径效应及小尺度衰落。另一方面，机载基站功率受限导致UAV
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BS覆盖范围有限，部署过多无人机会带来干扰问题，无人机个数过少则无法满足用户需求。
[0007]目前，相关技术仍待发展，大多数站址规划技术依然针对地面网络，基站部署于地面网络，覆盖范围有限，可提供的通信服务容量远不能满足6G天地一体化架构带来的密集服务请求。同时当前站址规划也存在基站覆盖范围重复率高、干扰严重、功率损耗严重的问题，不能很好的做到绿色节能。此外，当前站址规划大多基于长期的目标区域地理交通模式，重新部署灵活性较差，无法保证6G网络无处不在的连接要求。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于圆覆盖功率优化的6G UAV
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BS站址规划方法，利用圆覆盖模型进行无人机站址规划以保证天基无线网络能够实现对地面用户的全覆盖，同时利用最小二乘法进行拟合圆覆盖结果提出系统发射功率函数作为站址规划性能指标，最后利用牛顿迭代求解满足覆盖约束包含最优UAV
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BS部署个数、站址信息及最小系统功率的规划方案。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于圆覆盖功率优化的6G无人机基站站址规划方法，包括以下步骤：
[0010]S1，根据规划要求测量计算目标区域大小，根据业务需求设置网络带宽、载波频率以及飞控中心可同时控制的UAV
‑
BS个数m，对UAV
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BS与地面用户之间进行信道建模及网络能耗建模，得到圆覆盖模型；
[0011]S2，根据圆覆盖模型，利用二项幂函数拟合圆覆盖策略下小圆个数与半径关系，计算当前场景下每个UAV
‑
BS的覆盖半径；
[0012]S3，计算圆覆盖模型下单个UAV
‑
BS的发射功率寻找满足功率限制的最小UAV
‑
BS部署个数；
[0013]S4，设置牛顿迭代初始值为所述最小UAV
‑
BS部署个数及系统误差η，采用拉格朗日函数进行牛顿迭代计算，判断牛顿迭代计算结果是否满足|n
i+1
‑
n
i
|＜η，如果满足则终止迭代、输出UAV
‑
BS最优部署个数n
opt
＝n
i+1
，否则返回继续进行牛顿迭代计算；
[0014]S5，对S4所得UAV
‑
BS最优部署个数进行取整操作，重新计算系统发射功率并比较得出最小值，更新并输出最少无人机基站个数及对应的圆覆盖策略下小圆位置作为站址规划。
[0015]S1中，对无人机基站与地面用户之间进行信道建模及网络能耗建模，UAV
‑
BS与地面用户之间的信道模型为：
[0016]PL(d,f)＝PL
Fs
(f)+10αlg(d)+ξ
[0017]其中f为载波频率，c为光速，d为信号传输距离，α是衰减指数,α≥2，ξ为阴影衰落项，服从均值为0、方差为σ2的正态分布，上式第一项与f相关参考距离为1m处使用自由空间传播的Friis定律计算得到，第二项是d与路径损失的对数关系，
其中r为UAV
‑
BS在地面上的投影与目标用户之间的水平距离，H为无人机飞行高度。
[0018]S1所述圆覆盖模型中，设计中心UVA
‑
BS与其他UVA
‑
BS之间的使用频分多址方法进行信道复用，UAV
‑
BS与用户之间的通信链路复用采用时分多址方法涉及信道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于圆覆盖功率优化的6G无人机基站站址规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据规划要求测量计算目标区域大小，根据业务需求设置网络带宽、载波频率以及飞控中心可同时控制的UAV
‑
BS个数m，对UAV
‑
BS与地面用户之间进行信道建模及网络能耗建模，得到圆覆盖模型；S2，根据圆覆盖模型，利用二项幂函数拟合圆覆盖策略下小圆个数与半径关系，计算当前场景下每个UAV
‑
BS的覆盖半径；S3，计算圆覆盖模型下单个UAV
‑
BS的发射功率寻找满足功率限制的最小UAV
‑
BS部署个数；S4，设置牛顿迭代初始值为所述最小UAV
‑
BS部署个数及系统误差η，采用拉格朗日函数进行牛顿迭代计算，判断牛顿迭代计算结果是否满足|n
i+1
‑
n
i
|＜η，如果满足则终止迭代、输出UAV
‑
BS最优部署个数n
opt
＝n
i+1
，否则返回继续进行牛顿迭代计算；S5，对S4所得UAV
‑
BS最优部署个数进行取整操作，重新计算系统发射功率并比较得出最小值，更新并输出最少无人机基站个数及对应的圆覆盖策略下小圆位置作为站址规划。2.根据权利要求1所述的基于圆覆盖功率优化的6G无人机基站站址规划方法，其特征在于，S1中，对无人机基站与地面用户之间进行信道建模及网络能耗建模，UAV
‑
BS与地面用户之间的信道模型为：PL(d,f)＝PL
Fs
(f)+10αlg(d)+ξ其中f为载波频率，c为光速，d为信号传输距离，α是衰减指数,α≥2，ξ为阴影衰落项，服从均值为0、方差为σ2的正态分布，上式第一项与f相关参考距离为1m处使用自由空间传播的Friis定律计算得到，第二项是d与路径损失的对数关系，其中r为UAV
‑
BS在地面上的投影与目标用户之间的水平距离，H为无人机飞行高度。3.根据权利要求1所述的基于圆覆盖功率优化的6G无人机基站站址规划方法，其特征在于，S1所述圆覆盖模型中，设计中心UVA
‑
BS与其他UVA
‑
BS之间的使用频分多址方法进行信道复用，UAV
‑
BS与用户之间的通信链路复用采用时分多址方法涉及信道，考虑n个UVA
‑
BS进行站址规划，系统通信能耗是UVA
‑
BS对地总发射功率与UVA
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BS间通信功率的和，即P
ugi
(d)表示用n个UAV
‑
BS对地面用户进行全覆盖时，第i个UAV
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BS所需的发射功率，P
uu
为中心UVA
‑
BS与其他UVA
‑
BS之间的信道分配功率，d为信号传输距离。4.根据权利要求3所述的基于圆覆盖功率优化的6G无人机基站站址规划方法，其特征在于，根据UAV
‑
BS与地面用户之间的信道模型、系统通信能耗以及全覆盖下每个无人机对地面用户服务所需的最小发射功率计算得到保障全覆盖条件下无人机通信系统发射功率：Pn为噪声功率，γ为地面用户的SNR，d
n
为部署n个无人机时每个无人机能连接的最大距
离，P
uu
为中心UVA
‑
BS与其他UVA
‑
BS之间的信道分配功率，n为无人机个数。5.根据权利要求1所述的基于圆覆盖功率优化的6G无人机基站站址规划方法，其特征在于，S2中，根据圆覆盖模型，利用二项幂函数拟合圆覆盖策略下小圆个数M与半径r0的关系，计算当前场景下每个UAV
‑
BS的覆盖半径时，将UAV
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BS站址规划看做小圆覆盖大圆的问题，对一个给定圆形区域放置固定大小的等圆进行全覆盖，每个小圆的半径随着圆的数量的增加而减小，圆覆盖策略下小圆个数与小圆半径关系拟合函数如下：r0(n)＝ax
‑
b
+c其中a、b、c为常数，置信度为95％条件下，a、b、c的置信区间为{(1.725，1.851)；(
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鑫一，申玉洁，孟芸，王威，侯俊，狄陈琪，刘岩，邢艳超，黄子娇，石蒙蒙，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：