基于5G基站与无人机的实验仿真实现最大系统覆盖

小序

5G在传输速度和资本使用率等方面较4G系统得到大年夜幅提升,经由过程大年夜规模波束赋形供给的空间自由度,从而在不必要增添基站密度和带宽的前提下大年夜幅度前进频谱效率。基于波束赋形通信要领将是未来移动通信成长的症构造成部分。

跟着无人机技巧成长,分外是无人机的飞行高度、移动半径、续航和载重等能力的大年夜幅提升,可以经由过程机载基站或中继站快速供给给广覆盖能力,成为敷衍突发性灾难中紧急救援的需要手段。然而单一的无人机收集能量难以支持繁杂的信令开销和组网节制,必须斟酌经由过程地面5G基站为无人机与用户之间的波束成形供给大年夜量信令开销,前进系统机能。是以,地面5G基站与高空无人机构成的异构收集成为未来寰宇一体化通信的紧张钻研偏向。

本文在地面5G基站与无人机构成的异构收集架构下,基于波束扫描和下行链路节制导频复用技巧,提出一种可以得到更高波束成形增益的初始波束关联机制,并结合其收集覆盖率数学高低界进行了仿真机能评估。

1 系统模型

1.1 无人机异构收集

异构应急通信收集是由地面公共收集基站和无人机机载基站合营组成的通信收集[6]。如图1所示,地面5G基站供给低频节制旌旗灯号,完成初始波束接入的节制,空中无人机基站为地面用户供给数据办事。

无人机散播在固定高度h平面上,在该高度平面上屈服密度为?姿b的泊松点散播,地面用户屈服密度为?姿u的泊松点散播。假设所有无人机发射功率均为Pt,用户可以根据需求遴选收集资本形成虚拟小区收集,选择办事的无人机群组中无人机与范例用户的光阴的间隔表示为x=

此中,r是无人机与范例用户的水平间隔,h是无人机散播的平面高度。同时,将无人机分为办事群组Φ1以及滋扰群组Φ2。

1.2 信道模型

同时斟酌无人机基站与地面用户之间的视距链路(LoS)与非视距链路(NLoS),路损模型可以表示为无人机与地面用户的水平间隔r的函数:

1.3 多波束模型

在初始波束关联阶段,采纳下行链路练习模型机制,即范例用户与每个无人机基站之间对其存在波束进行穷举搜索,目的在于使范例用户在一个特定偏向上选择最大年夜化某个度量的波束对组合。该特定偏向被确定之后,范例用户会与该偏向上的所有无人机基站进行连接以完成后续的数据传输。采纳分层搜索的措施可以进一步办理穷举要领带来的高练习开销价值,响应的下行链路传输数据波束成形历程经由过程两个步骤来调剂:

(1)节制波束搜索阶段。将应用宽波束成形矢量在搜索历程中找到最佳的波束成形组合对;

(2)数据波束搜索。将上一步节制波束搜索阶段获得的最佳节制波束成形联合对进一步细化,用于后续数据传输历程。

无人机基站侧有效的波束成形增益Db表示为:

此中,A1和A2分腕表示办事群组和滋扰群组无人机的波束宽度,Pt表示无人机发射功率,Du、Db分腕表示用户和无人机基站的波束成形增益, l(ri)表示第 i个无人机基站与范例用户之间的路径损耗,Si表示第i个无人机基站与范例用户之间的小尺度式微,自力加性高斯白噪声表示为z。

2 初始波束联合模型

当范例用户与虚拟小区建立初始物理链路连接时,初始的多波束联合是必弗成少的历程。参考图2所示流程模型,地面基站以低频段旌旗灯号节制无人机高频段基站,与地面用户完成初始多波束接入历程。其主要步骤如下:

(1)类似于传统的地面收集,地面基站经由过程低频旌旗灯号广播初始接入信令;

(2)地面用户向无人机基站发送大年夜致位置信息以完成后续波束成形节制;

(3)无人机基站采纳的波束扫描策略和波束切换道理,将波束对的信息发送到地面基站;

(4)地面基站做出波束对决策并将其转发给范例用户和无人机基站;

(5)范例用户与无人机基站完成初始的多波束接入以进行数据传输。

在范例用户与无人机基站的初始波束匹配阶段,采取最大年夜化信噪比(max SNR)措施作为波束对匹配的决策准则。范例用户会使用每个波束成形组合对来谋略合成SNR,然后将数据发送阶段中应用的最大年夜SNR的波束对作为最佳波束对进行匹配。该历程中,假设每个波束对传输持续光阴足够用来谋略出范例用户处的接管能量。

式中,n和m分腕表示范例用户和无人机基站波束,n=1,2,…,Nu,m=1,2,…,Nb。后续数据传输阶段,范例用户和其办事基站簇内的无人机基站采纳式(6)中所得到的波束成形组合波束图谱进行波束匹配历程,以节约资本开销。该历程中不管移动用户数量若何变更,下行链路的穷举检索措施进行波束扫描的处置惩罚历程维持不变。移动用户的数量并不会影响最佳波束对匹配的结果,削减资本开销的初始波束练习和联合历程模型同样适用于多用户波束系统。

3 系统覆盖率

定义大年夜于阈值T的范例用户接管信干噪比SINR概率为P(T),用以表示初始波束关联阶段无人机异构收集覆盖任机能。

在单路信道模型和范例用户的零旁瓣增益假设下,当且仅当范例用户接管增益为主瓣增益时,范例用户接管SINR大年夜于零。引入两个基础事故:

(1)最佳波束对(OBP)匹配事故:在此事故下,波束关联时所选波束成形/组合对对应无人机基站和范例用户波束成形增益最大年夜值,即:OBP={Db=Gb,Du=Gu};

(2)次优波束对(SBP)匹配事故。在此事故下,波束关联时所选波束成形/组合对不能达到无人机基站和范例用户波束成形增益最大年夜值,即SBP={Db=Gb,Du=gu}。

斟酌到这两种仅有的非零SINR覆盖率环境,将系统覆盖率范围概率公式改写为下式:

鄙人行链路的波束练习中,分配给无人机基站的节制导频序列是范例用户用来差别办事基站和其他基站旌旗灯号的紧张依据。是以,为包管范例用户的接管到的办事基站旌旗灯号中没有滋扰,将正交导频序列分配给所有的无人机基站,每个位置上的无人机基站随机复用节制导频。将节制导频复用因子在[0,1]之间取值,即每个无人机基站具有自力同散播概率与办事基站具有相同的导频。为了简化阐发,仅斟酌导频复用的两个特殊环境,即系统覆盖率的高低界。

3.1 系统覆盖率上界

当节制导频因子即是0时,系统节制导频数量趋于无穷大年夜,小区内的所有无人机基站复用不合的正交导频,范例用户能够从接管到的旌旗灯号中准确分辨办事旌旗灯号与其他旌旗灯号。在准正交导频的环境下,滋扰功率相对付噪声功率可以轻忽不计,系统覆盖率P的上界表示为:

证实历程如下:

因为无人机基站在空间内固定高度屈服泊松点历程散播,是以无人机基站与地面用户之间的水平间隔r的概率密度函数可以表示为:

3.2 系统覆盖率下界

当节制导频因子即是1时,系统节制导频数量即是1,小区内的所有无人机复用同样的导频,范例用户不能有效差别办事旌旗灯号与其他旌旗灯号。波束匹配历程中,范例用户将对接管到的总功率(旌旗灯号加滋扰)进行匹配讯断。为了简化阐发,假设范例用户与办事无人机基站进行波束练习匹配的历程与其他无人机基站应用随机波束成形向量发送数据的历程同步。

因为波束关联历程中的相同导频被所有基站复用,弗成避免会孕育发生波束对偏差,从而影响SINR覆盖率范围。为了更好阐发该环境下的系统机能,对OBP进行更深入的定义,即:当最优波束对偏向上最优化波束对形成增益的总功率大年夜于范例用户任何其他偏向上的总功率时,发生OBP事故,响应的OBP事故表达为:

式中,Im(m=1,2,…,Nu)表示第m个波束向量信道上的滋扰功率,同时上式中假设非一样平常性环境下,即第1个波束向量信道r1当选中为办事信道,此时该办事基站与范例用户之间达到最大年夜的波束增益传输。假设范例用户的旁瓣增益为零,当导频复用因子为1时,范例用户接管到的其他滋扰基站发送数据的增益也为零,从而假设SBP事故不发生。该环境下,当发生完全OBP事故时,系统覆盖任机能下界Pc的表达式为:

4 、仿真评估

仿真参数设置中的加性路损因子γLOS和γNLOS分手被假设为1 dB和10 dB,情况常数x、y分手设为11.85和0.136,有效波束成形增益常数C=2,路损系数αLOS和αNLOS分手为2.5和3.7,SINR的阈值设为0 dB。

经由过程仿真对系统覆盖任机能进行验证。根据前述推导,得出系统覆盖率高低界与无人机散播高度之间的关系,如图3和图4所示。同时得到系统覆盖率跟着不合的无人机基站密度、不合的波束宽度和不合路损模型下的变更规律。

由图3可以看出:

(1)当无人机基站密度徐徐增大年夜时,系统覆盖率也随之增大年夜。阐明跟着无人机基站数量增添,信道多样性增添,根据用户为中间收集的多样性增益,系统覆盖率也响应增大年夜。

(2)对付同样基站密度与波束宽度前提下的系统覆盖率而言,跟着无人机基站挂高的增添,无人机基站与范例用户之间的视距链路概率也徐徐增大年夜,但因为无人机挂高增大年夜,基站与用户之间的间隔增大年夜。是以,在系统覆盖率表示的信道质量上呈现最优挂高点的折中。

(3)跟着无人机基站密度的增添,无人机最优支配高度也徐徐低落,这是因为基站密度越大年夜,用户处接管到的同频滋扰也就越强,是以其最优高度越低。

(4)因为本文对系统做出不斟酌用户旁瓣增益的假设,且在准正交导频复用机制下,用户与无人机基站之间存在最佳波束匹配,是以波束宽度对付系统覆盖率的影响较为显着。由图3可以看出,波束宽度越小,有效波束成型增益也就越大年夜,覆盖率响应增添。

由图4可以看出:越密集的无人机基站散播给系统带来越大年夜的覆盖率增益。跟着无人机基站高度的增添,系统达到最大年夜覆盖率,这是因为跟着无人机基站升高,无人机基站与范例用户之间的链路环境越来越抱负,视距链路概率增添。但跟着无人机基站挂高赓续增添,无人机基站与范例用户之间的间隔也随之增添,旌旗灯号强度减弱,覆盖率也响应下降。

5、结论

本文重点钻研5G无人机异构收集下的全导频复用机制的系统覆盖任机能,并给出了系统覆盖率的高低界数学表达式。经由过程机能仿真结果得到实现最大年夜系统覆盖率的无人机挂高和支配密度,为无人机支配规划的实际工程实现供给了理论依据。同时,在初始波束匹配阶段,经由过程最大年夜化信噪比(max SNR)措施作为波束对匹配的决策准则,该措施中范例用户和其办事基站簇内的无人机基站采纳波束匹配阶段的波束成形组合图谱进行波束匹配,达到了节约资本开销的目的。

责任编辑:gt

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