一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法技术

本发明专利技术提供一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法，所述方法针对使用多个具有上倾天线的蜂窝基站对固定飞行走廊中的无人机提供无线覆盖的场景，利用混合整数非线性规划模型建模上述问题，求解使得基站设置成本

【技术实现步骤摘要】
一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法


[0001]本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法
。

技术介绍

[0002]无人机，也被称为无人驾驶飞行器，由于其广泛的应用前景，正在迅速获得关注
。
常见的无人机应用包括公共安全的搜索和救援
、
商业送货服务和监视等
。
目前，无人机走廊的概念越来越受到关注，它是无人机需要通过的空中通道，以实现无人机交通的安全和可靠流动
。
[0003]为了支持走廊中无人机的超视距操作，蜂窝基站可以作为一个方便的基础设施
。
这类基站的广泛部署能提供无缝无线覆盖
。
然而，为了满足其地面用户的服务要求，现有蜂窝网络中的天线是向下倾斜的
。
如果它们也被用来为无人机服务，就会导致覆盖漏洞
。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法，解决以下技术问题：
[0005]1)
目前缺乏在蜂窝基站使用额外的上倾天线的情形下，如何优化天线设置与上倾角，从而实现高信干噪比
、
低中断概率与低设置成本间的平衡；
[0006]2)
基站天线设置与上倾角的联合优化是一个多维度
、
高复杂性的混合整数非线性规划问题，因此需要研究有针对性的求解算法，减少优化迭代的时间
。
>[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法，所述方法包括以下步骤：
[0008]S101、
对无人机走廊的基站天线优化场景进行分析，获得无人机走廊的多种无线覆盖情况和每种无线覆盖情况对应的判定条件；
[0009]S102、
定义天线设置与上倾角的约束，在不相邻基站间的干扰忽略不计的假定下，分别计算出不同无线覆盖情况下的基站设置成本
、
中断概率和平均信噪比，利用混合整数非线性规划建模使得基站设置成本
、
中断概率
、
平均信噪比三者加权最小化的基站天线设置与上倾角优化问题；
[0010]S103、
利用0‑1符号串编码基站天线设置与上倾角方案，进行交叉操作时，分别对天线设置与上倾角的子编码进行交叉，使用交叉概率和变异概率自适应变化的遗传算法求解最优方案
。
[0011]进一步的，步骤
S101
具体包括以下步骤：
[0012]S201、
将基站天线设置备选点排序后构成备选点集，备选点集的表达式如下：
[0013]V
＝
{V1,...,V
i
,...,V
n
}U{V0}U{V
n+1
}
＝
V
′
U{V0}U{V
n+1
}
[0014]上式中，
V
′
表示
n
个备选点构成的集合，
V0表示无人机走廊的起点，
V
n+1
表示终点，假定起点和终点处均已设置基站；
[0015]S202、
计算不同备选点之间的距离，计算式如下所示：
[0016][0017]上式中，
d
i,j
表示备选点
i
和备选点
j
之间的距离，
(x
i
,y
i
)
和
(x
j
,y
j
)
分别表示备选点
i
和备选点
j
的二维坐标；
[0018]S203、
计算两个基站波束的中心交叉点高度，其计算式如下所示：
[0019][0020]上式中，
α
表示基站天线的上倾角；
[0021]S204、
计算两个基站波束的边缘交叉点高度，其计算式如下所示：
[0022][0023]上式中，
β
表示基站天线的波束宽度；
[0024]S205、
基于步骤
S203
和
S204
的计算结果，分别定义多种无人机走廊无线覆盖情况的判定条件
。
[0025]进一步的，步骤
S205
中，定义无人机走廊无线覆盖情况的判定条件为5种，其中情况一的判定条件为：
[0026][0027]上式中，
h1表示无人机走廊的最低高度；
[0028]情况二的判定条件为：
[0029][0030]情况三的判定条件为：
[0031][0032]上式中，
h2表示无人机走廊的最高高度；
[0033]情况四的判定条件为：
[0034][0035]情况五的判定条件为：
[0036][0037]进一步的，步骤
S102
具体包括以下步骤：
[0038]S301、
定义备选点是否设置基站的决策变量取值范围约束为：
[0039]x
i
∈{0,1},1≤i≤n
[0040]其中
x
i
表征第
i
个备选点是否设置基站的决策变量，当
x
i
＝1时表示设置基站，当
x
i
＝0时表示不设置基站；
[0041]S302、
定义所有设置基站的备选点集合为：
[0042]Ω
＝
{i|x
i
＝
1,1≤i≤n}
＝
{i1,...,i
k
,...,i
|
Ω
|
}
[0043]其中，
i1、...、i
k
、...、i
|
Ω
|
为按照序号从小到大的顺序排列，对任意集合
S
，
|S|
表示其元素个数；
[0044]S303、
计算情况一下相邻两个基站间的中断概率
[0045][0046]上式中，
i0＝0，
i
|
Ω
|+1
＝
n+1
，假设无人机在走廊中均匀分布；
[0047]计算情况一下相邻两个基站间的平均信干噪比
[0048][0049]S304、
计算情况二下相邻两个基站间的中断概率
[0050][0051]计算情况二下相邻两个基站间的平均信干噪比
[0052][0053]上式中，
G
为最大天线增益，
N0为噪声功率，其中，为发射功率，
λ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S101、
对无人机走廊的基站天线优化场景进行分析，获得无人机走廊的多种无线覆盖情况和每种无线覆盖情况对应的判定条件；
S102、
定义天线设置与上倾角的约束，在不相邻基站间的干扰忽略不计的假定下，分别计算出不同无线覆盖情况下的基站设置成本
、
中断概率和平均信噪比，利用混合整数非线性规划建模使得基站设置成本
、
中断概率
、
平均信噪比三者加权最小化的基站天线设置与上倾角优化问题；
S103、
利用0‑1符号串编码基站天线设置与上倾角方案，进行交叉操作时，分别对天线设置与上倾角的子编码进行交叉，使用交叉概率和变异概率自适应变化的遗传算法求解最优方案
。2.
根据权利要求1所述的一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法，其特征在于，步骤
S101
具体包括以下步骤：
S201、
将基站天线设置备选点排序后构成备选点集，备选点集的表达式如下：
V
＝
{V1,...,V
i
,...,V
n
}U{V0}U{V
n+1
}
＝
V
′
U{V0}U{V
n+1
}
上式中，
V
′
表示
n
个备选点构成的集合，
V0表示无人机走廊的起点，
V
n+1
表示终点，假定起点和终点处均已设置基站；
S202、
计算不同备选点之间的距离，计算式如下所示：上式中，
d
i,j
表示备选点
i
和备选点
j
之间的距离，
(x
i
,y
i
)
和
(x
j
,y
j
)
分别表示备选点
i
和备选点
j
的二维坐标；
S203、
计算两个基站波束的中心交叉点高度，其计算式如下所示：上式中，
α
表示基站天线的上倾角；
S204、
计算两个基站波束的边缘交叉点高度，其计算式如下所示：上式中，
β
表示基站天线的波束宽度；
S205、
基于步骤
S203
和
S204
的计算结果，分别定义多种无人机走廊无线覆盖情况的判定条件
。3.
根据权利要求2所述的一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法，其特征在于，步骤
S205
中，定义无人机走廊无线覆盖情况的判定条件为5种，其中情况一的判定条件为：上式中，
h1表示无人机走廊的最低高度；情况二的判定条件为：
情况三的判定条件为：上式中，
h2表示无人机走廊的最高高度；情况四的判定条件为：情况五的判定条件为：
4.
根据权利要求3所述的一种面向无人机走廊的基站天线设置与上倾角优化方法，其特征在于，步骤
S102
具体包括以下步骤：
S301、
定义备选点是否设置基站的决策变量取值范围约束为：
x
i
∈{0,1},1≤i≤n
其中
x
i
表征第
i
个备选点是否设置基站的决策变量，当
x
i
＝1时表示设置基站，当
x
i
＝0时表示不设置基站；
S302、
定义所有设置基站的备选点集合为：
Ω
＝
{i|x
i
＝
1,1≤i≤n}
＝
{i1,...,i
k
,...,i
|
Ω
|
}
其中，
i1、...、i
k
、...、i
|
Ω
|
为按照序号从小到大的顺序排列，对任意集合
S
，
S
表示其元素个数；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：万施霖，张裕汉，
申请(专利权)人：广东翼景信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：