面向地面对低空立体容量覆盖的频率资源规划方法技术

本发明专利技术公开了一种地面对低空立体容量覆盖的频率资源规划方法，主要解决现有方法在地对空立体覆盖场景下因信号重叠覆盖导致网络容量低的问题。其实现方案为：采用通用墨卡尔投影的方式获取待覆盖区域中基站的笛卡尔坐标系位置集合，并对其进行三角剖分，将划分得到的底面三角形向低空延展相同高度得到多个三棱柱区域；构建扇区覆盖模型，各三棱柱区域内的三个基站扇区分别对其低、中、高这三个区域进行覆盖；根据覆盖模型对波束配置进行优化，使之满足信号覆盖率需求并寻求信号重叠率最优解；结合频率复用技术采取填色策略对各扇区频率资源进行规划。本发明专利技术降低了同频干扰及越区干扰，提升了地面对低空延展覆盖场景下的网络容量，可用于数据传输。可用于数据传输。可用于数据传输。

【技术实现步骤摘要】
面向地面对低空立体容量覆盖的频率资源规划方法


[0001]本专利技术属于通信
，特别涉及一种频率资源规划方法，可用于为低空范围内用户终端提供稳定的信号服务质量和高效的通信传输速率。

技术介绍

[0002]传统移动通信网络中，信号的覆盖是通过各区域的基站上承载的天线向地面辐射电磁波波束来提供的。进入5G时代，随着高层建筑的增加以及低空无人设备的使用日益广泛，低空用户信号覆盖需求强烈。现有的移动通信系统的覆盖仍旧为面向地面的发散式平面覆盖，致使低空范围内的用户信号覆盖弱，难以满足低空覆盖需求。随着大规模MIMO技术的引入，天线具备了3D波束赋形的能力。相比于传统二维波束赋形的水平维度空间覆盖，它在垂直方向上增加了一个可利用的维度，信号的辐射形式是更为灵活的三维电磁波束，其更强的空间选择性使得信号的覆盖范围选择空间进一步扩大，为二维平面覆盖向三维立体覆盖的转换带来了便利。
[0003]随着高频技术的发展和成本的降低，高频段资源迎来了广阔的发展空间，但当下由于集成电路工艺的局限性，使用高频段资源需要高昂的成本，目前使用的主频段为Sub
‑
6G频段，频带资源仍旧紧张，且若不对系统内使用的频带资源进行划分，所有小区使用同频资源，将存在严重的同频干扰问题；若采用频率复用技术，现有的频率复用方法仅能够解决水平维度邻区边缘的信号干扰问题，由于在地面对低空延展的立体空间覆盖场景中，扇区朝向各异，扇区间关系复杂，存在信号重叠覆盖现象，因而现有方法很难对此场景进行有序规划，使得信号重叠覆盖部分的用户性能受到极大程度的影响，存在干扰强、信号质量差的问题。如何利用好频率资源依然是现有频率资源紧张与复用技术受限的背景下的难题之一。相应地，在网络规划过程中，通过调整波束配置，也会使扇区信号覆盖距离过远，这将导致该站点的信号覆盖到其他站点覆盖的区域，并且在该区域用户端接收到的信号质量较好，造成越区覆盖现象，该现象会造成小区负荷过大，切换路径不理想，可能导致掉话、未接通的问题，为邻区带来严重的干扰。因此，提升频率资源利用率，设计能够降低同频干扰、越区干扰的方法，有效提升通信容量，已成为移动通信运营部门和众多制造商共同面临的焦点问题。
[0004]西安电子科技大学在其申请号为：CN 202111312875.1的专利文献中公开了一种“基于凸多边形剖分的地对空覆盖的场景化波束生成方法”，以解决300m及以上三维区域的覆盖问题，生成新的地对空覆盖场景下的天线波束。其实现方案是：1)采用墨卡尔投影的方式，得到基站位置集合；2)构建三维低空覆盖区域；3)对待覆盖区域进行凸多边形剖分；4)生成各基站的波束配置。该方法存在的不足之处是，仅解决三维空间信号覆盖设计问题，一方面，缺乏网络规划的思想，没有考虑到相邻站点间因基站信号覆盖范围的交叠造成的信号干扰，造成了网络容量的恶化，另一方面，在实际应用中，为单个基站设计多个扇区会导致多天线对基站造成重量负担，。
[0005]李娜等在其论文“基于“四色原理”的蜂窝小区分配及干扰对比”(软件工程，2016，
19(06):8
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12)中提出基于“四色原理”的频率资源分配方案，有效提升了网络容量，该方案主要步骤为：1)基于“四色原理”，提出频分和码分结合的资源分配方案，以解决同频干扰问题；2)结合软频率复用SFR技术，调整小区内部与边缘的功率分配，增加系统容量；3)采用扇区水平波宽固定的定向天线，降低小区间干扰，使得系统容量显著提升。该方案的不足之处是，使用场景局限于平面蜂窝系统模型，在地面对低空延展覆盖的场景下难以调整适用。
[0006]时政欣等人在其论文“基于遗传算法的多波束频率复用优化设计”(微波学报，2022，38(02)：86
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90)中提出基于遗传算法的多波束天线多约束条件的频率复用优化设计方法，该方法通过合理的频率分配优化，最大化地减少了同频干扰。其实现步骤为：1)对优化变量进行编码处理；2)计算种群中每个个体的适应度值，保存最佳个体和具有特征的个体；3)通过选择、交叉、变异操作来更新个体，产生新的种群；4)重复2)
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3)步骤，直至满足优化准则或终止条件输出最优个体，完成优化。该方法的不足之处是，仅能够解决传统的同向波束间因旁瓣重叠造成的干扰，而在地对空延展的立体覆盖场景中，造成干扰的主要原因是天线方位角、倾角各异造成的波束间复杂的重叠关系，使用此方法无法有效降低波束间干扰问题，此方法不再适用。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种面向地面对低空立体覆盖的频率资源规划方法，以利用广布的地面站点作为现有资源，对各站点的波束配置进行规划，并针对地面对低空延展的立体覆盖场景中复杂的波束关系设计频率资源分配方案，有效降低同频干扰及越区干扰，实现在地面及低空范围内的高效容量覆盖。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术思路是，利用地面基站通过在被覆盖的各个参考点处满足最小参考信号接收功率RSRP门限值的约束下，以最小化重叠覆盖率为目标，优化各基站波束配置，在扇区优化的基础上通过以同一三棱柱区域内的三个扇区、不同三棱柱区域间同一基站辐射的相邻扇区使用不同频段的“填色”策略对频率资源进行分配，降低重叠覆盖引起的干扰，实现地面对低空区域延展覆盖场景下的高效容量覆盖。
[0009]根据上述思路，本专利技术的技术方案包括如下步骤：
[0010](1)对待覆盖区域中基站位置集合进行三角剖分：
[0011]1a)采用通用墨卡尔投影的方式获取待覆盖区域中的基站位置集合，N个基站在笛卡尔坐标系下的位置坐标(x、y)存入点集P中；
[0012]1b)以N个基站的位置构建一个凸多边形，以该凸多边形为底面向低空延展高度H，得到一个三维的多棱柱区域；
[0013]1c)将多棱柱区域作为待覆盖区域，通过对点集P的三角剖分，将底面凸多边形划分为M个三角形，得到整个待覆盖区域的M个三棱柱区域；
[0014](2)构建扇区覆盖模型：
[0015]2a)在每个三棱柱区域中，将棱上的三个基站的扇区分别对区域内低、中、高这三个区域进行覆盖，即将每个扇区视作以基站位置为顶点向外延展的四棱锥，四棱锥中各个参考点处参考信号接收功率RSRP大于等于设定的门限值，获得由三个四棱锥填充的一个被覆盖的三棱柱；
[0016]2b)将被四棱锥填充的体积与三棱柱总体积之比定义为该区域信号覆盖率，四棱
锥重叠部分的体积与三棱柱总体积之比定义为该区域信号重叠率；
[0017](3)优化波束配置：
[0018]3a)根据扇区覆盖模型对覆盖率进行迭代优化，并调整第三基站覆盖上限h3
max
，得到能够满足覆盖率门限的波束配置；
[0019]3b)在上述波束配置的基础上，构建达到满足覆盖率需求及RSRP约束条件下，以重叠率最小的目标的优化模型；
[0020]3c)采用改进的粒子群优化算法进一步寻找信号重叠率最小模型的最优解；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地面对低空立体容量覆盖的频率资源规划方法，其特征在于，包括：(1)对待覆盖区域中基站位置集合进行三角剖分：1a)采用通用墨卡尔投影的方式获取待覆盖区域中的基站位置集合，N个基站在笛卡尔坐标系下的位置坐标(x、y)存入点集P中；1b)以N个基站的位置构建一个凸多边形，以该凸多边形为底面向低空延展高度H，得到一个三维的多棱柱区域；1c)将多棱柱区域作为待覆盖区域，通过对点集P的三角剖分，将底面凸多边形划分为M个三角形，得到整个待覆盖区域的M个三棱柱区域；(2)构建扇区覆盖模型：2a)在每个三棱柱区域中，将棱上的三个基站的扇区分别对区域内低、中、高这三个区域进行覆盖，即将每个扇区视作以基站位置为顶点向外延展的四棱锥，四棱锥中各个参考点处参考信号接收功率RSRP大于等于设定的门限值，获得由三个四棱锥填充的一个被覆盖的三棱柱；2b)将被四棱锥填充的体积与三棱柱总体积之比定义为该区域信号覆盖率，四棱锥重叠部分的体积与三棱柱总体积之比定义为该区域信号重叠率；(3)优化波束配置：3a)根据扇区覆盖模型对覆盖率进行迭代优化，并调整第三基站覆盖上限h3
max
，得到能够满足覆盖率门限的波束配置；3b)在上述波束配置的基础上，构建达到满足覆盖率需求及RSRP约束条件下，以重叠率最小的目标的优化模型；3c)采用改进的粒子群优化算法进一步寻找信号重叠率最小模型的最优解；3d)在信号重叠率最优的波束配置的基础上，设定扇区数目上限为3，将场景中基站扇区数目大于3的扇区进行合并与调整，得到最终波束配置；(4)进行频率资源分配4a)在最终波束配置下，根据三扇区模式及三棱柱覆盖的特点，围绕主频将频谱分为三个带宽相等的使用频段，并根据所使用的频率范围和带宽选择相应的子载波间隔；4b)采用“填色”的频率复用方式，将这三个使用频段分配给同一三棱柱区域内的三个基站的扇区，且同一基站的三个扇区使用频段不同，完成地面对低空立体容量覆盖的频率资源规划。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1c)中的待覆盖区域包含地面及向低空延展高度为H的低空范围的三维立体区域。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2a)中的扇区四棱锥模型参数如下：四棱锥的垂直张角对应波束的垂直波宽，水平张角对应波束的水平波宽，垂直张角角平分线与水平面夹角对应天线上倾角，水平张角角平分线与正北方向夹角对应天线方位角；四棱锥的基站顶点与矩形平面的距离对应最大覆盖距离。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3a)中根据扇区覆盖模型对覆盖率进行迭代优化，实现如下：3a1)固定第一基站覆盖上限h1
max
和第三基站覆盖下限h3
min
，调节第二基站覆盖上限
h2
max
和覆盖下限h2
min
，使信号覆盖体积达到局部最优；3a2)固定第二基站覆盖上限h2
max
和覆盖下限h2
min
，调节第一基站覆盖上限h1
max
和第三基站覆盖下限h3
min
，使信号覆盖体积达到全局最优。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3b)中构建的以重叠率最小的目标的优化模型，表示如下：优化模型，表示如下：优化模型，表示如下：优化模型，表示如下：优化模型，表示如下：其中，表示第m个三棱柱区域内的重叠区域体积，表示第m个三棱柱区域内的覆盖区域体积，V
SUM
表示待覆盖区域总体积，单位均为km3；λ表示设定的RSRP门限值；表示第m个三棱柱区域中第i个基站在最远点处的接收功率，为第m个三棱柱区域中第i个基站天线的发射功率，为第m个三棱柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊宇，徐冬冬，盛敏，李建东，史琰，张子烨，雷松涛，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：