[發明專利]機載毫米波通信波束賦形與位置部署方法

有效

• 申請號: 202010047878.6
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111245485B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 肖振宇;董航;朱立鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04B7/0426
• 分類號: H04B7/0426;H04B7/185;H04W16/18;H04W16/22
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 冀學軍

本發明公開了機載毫米波通信波束賦形與位置部署方法，屬于機載毫米波空地通信領域。首先構建包括無人機基站和用戶的機載毫米波下行通信的三維場景，無人機基站給每個用戶分別通過毫米波信道發送數據，分別建立二維波束賦形結構和三維波束賦形結構下的信道模型。然后利用二維波束賦形和三維波束賦形下的信道模型，建立無人機位置和波束賦形的優化模型；利用近似波束的增益替代實際的波束增益，降低變量維度后，再使用網格化搜索法求解出UAV?BS的最優二維位置(x^*,y^*)。最后將UAV?BS固定在最優二維坐標(x^*,y^*)，使用蜂群算法求解波束賦形向量w的最優解。本發明最大程度地提高機載毫米波通信系統的容量，降低計算復雜度。

技術領域

本發明屬于機載毫米波空地通信領域，涉及毫米波通信與無人機平臺的結合，具體是機載毫米波通信波束賦形與位置部署方法。

背景技術

近年來，隨著移動互聯網的高速發展，無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)以其高機動性和低成本的優點受到學術界和工業界的廣泛關注，被應用到移動通信中，實現廣域覆蓋與按需增強，增大網絡容量。

得益于UAV在空中的靈活移動性，它可以被快速部署到不易建設地面基站或地面基站受損的位置，比如森林、海洋或受災地區等，提供必要的通信服務。UAV作為空中基站或是通信中繼節點的優勢很明顯，由于UAV在一定高度上飛行，它與地面用戶終端(UserEquipment,UE)之間更容易存在視距(Line of Sight,LOS)鏈路，而不像地面基站，與UE之間大概率會有障礙物遮擋，LOS鏈路存在的概率低，傳播損耗更大。

隨著無人機通信的發展，對帶寬的要求越來越高，而頻譜資源越來越緊張。毫米波通信(Millimeter Wave Communication，mmWave)頻段在30～300GHz之間，帶寬極寬，具有豐富的頻譜資源，可以使數據傳輸速率達到1Gbps，峰值甚至可達幾十Gbps，特別是針對第五代移動通信(5G)與后5G時代(Beyond 5G，B5G)的應用場景，毫米波通信在高吞吐量、大帶寬、高速率低時延和穩定連接等方面是能夠滿足需求的。

毫米波波長極短，依據弗里斯傳輸公式，高頻段電磁波在傳播過程中路徑損耗會十分嚴重，傳播距離受限，有時遇到障礙物，還會遮擋收發兩端的LOS徑。雖然毫米波信號傳播性能不甚理想，但是得益于毫米級的波長，天線尺寸及間距都可以做得很小，因而易于集成大規模陣列天線，單位體積內的天線數量更大，可通過波束賦形技術，形成窄波束，將信號能量和陣列增益集中在特定的方向上，從而信號可以在空間中實現指向性傳輸，彌補短波長造成的傳播損耗，并且抗干擾能力強。波束賦形技術對未來移動通信系統或者其他毫米波系統比如WLAN、衛星通信等具有重要的意義。

毫米波信號具有衍射少、傳播損耗高和傳播距離受限的特性，而恰好可以利用UAV與UE之間更容易存在LOS徑的特點，將毫米波通信與UAV通信結合起來，優勢互補，增強覆蓋。并且，毫米波波段的陣列天線尺寸很小，非常適合搭載在UAV上，設計定向的波束，讓信號沿LOS徑傳播。另外，若空中有多架UAV相互組網，服務于地面多個UE，毫米波定向波束的優勢體現在，可以避免各UAV之間的空空鏈路與UAV、UE之間的空地鏈路之間產生干擾。基于這些優勢，機載毫米波通信應用前景可觀，值得研究。

無人機通信對帶寬要求越來越高，所以將毫米波通信應用于無人機平臺將是未來的發展趨勢。雖然毫米波帶寬很寬，但頻段高導致信號在自由空間的衰減十分嚴重，所以需要使用波束賦形技術來提高陣列增益，彌補傳播損耗，增大系統容量。

發明內容

本發明針對機載高移動性使能的UAV部署問題，提供了一種機載毫米波通信波束賦形與位置部署方法，在無人機基站(Unmanned Aerial Vehicle Base Station，UAV-BS)服務多個地面用戶的場景下，通過選擇部署無人機的位置與設計毫米波波束賦形，最大化系統容量。