[发明专利]机载毫米波通信波束赋形与位置部署方法

说明书

本发明公开了机载毫米波通信波束赋形与位置部署方法，属于机载毫米波空地通信领域。首先构建包括无人机基站和用户的机载毫米波下行通信的三维场景，无人机基站给每个用户分别通过毫米波信道发送数据，分别建立二维波束赋形结构和三维波束赋形结构下的信道模型。然后利用二维波束赋形和三维波束赋形下的信道模型，建立无人机位置和波束赋形的优化模型；利用近似波束的增益替代实际的波束增益，降低变量维度后，再使用网格化搜索法求解出UAV‑BS的最优二维位置(x^*,y^*)。最后将UAV‑BS固定在最优二维坐标(x^*,y^*)，使用蜂群算法求解波束赋形向量w的最优解。本发明最大程度地提高机载毫米波通信系统的容量，降低计算复杂度。

技术领域

本发明属于机载毫米波空地通信领域，涉及毫米波通信与无人机平台的结合，具体是机载毫米波通信波束赋形与位置部署方法。

背景技术

近年来，随着移动互联网的高速发展，无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)以其高机动性和低成本的优点受到学术界和工业界的广泛关注，被应用到移动通信中，实现广域覆盖与按需增强，增大网络容量。

得益于UAV在空中的灵活移动性，它可以被快速部署到不易建设地面基站或地面基站受损的位置，比如森林、海洋或受灾地区等，提供必要的通信服务。UAV作为空中基站或是通信中继节点的优势很明显，由于UAV在一定高度上飞行，它与地面用户终端(UserEquipment,UE)之间更容易存在视距(Line of Sight,LOS)链路，而不像地面基站，与UE之间大概率会有障碍物遮挡，LOS链路存在的概率低，传播损耗更大。

随着无人机通信的发展，对带宽的要求越来越高，而频谱资源越来越紧张。毫米波通信(Millimeter Wave Communication，mmWave)频段在30～300GHz之间，带宽极宽，具有丰富的频谱资源，可以使数据传输速率达到1Gbps，峰值甚至可达几十Gbps，特别是针对第五代移动通信(5G)与后5G时代(Beyond 5G，B5G)的应用场景，毫米波通信在高吞吐量、大带宽、高速率低时延和稳定连接等方面是能够满足需求的。

毫米波波长极短，依据弗里斯传输公式，高频段电磁波在传播过程中路径损耗会十分严重，传播距离受限，有时遇到障碍物，还会遮挡收发两端的LOS径。虽然毫米波信号传播性能不甚理想，但是得益于毫米级的波长，天线尺寸及间距都可以做得很小，因而易于集成大规模阵列天线，单位体积内的天线数量更大，可通过波束赋形技术，形成窄波束，将信号能量和阵列增益集中在特定的方向上，从而信号可以在空间中实现指向性传输，弥补短波长造成的传播损耗，并且抗干扰能力强。波束赋形技术对未来移动通信系统或者其他毫米波系统比如WLAN、卫星通信等具有重要的意义。

毫米波信号具有衍射少、传播损耗高和传播距离受限的特性，而恰好可以利用UAV与UE之间更容易存在LOS径的特点，将毫米波通信与UAV通信结合起来，优势互补，增强覆盖。并且，毫米波波段的阵列天线尺寸很小，非常适合搭载在UAV上，设计定向的波束，让信号沿LOS径传播。另外，若空中有多架UAV相互组网，服务于地面多个UE，毫米波定向波束的优势体现在，可以避免各UAV之间的空空链路与UAV、UE之间的空地链路之间产生干扰。基于这些优势，机载毫米波通信应用前景可观，值得研究。

无人机通信对带宽要求越来越高，所以将毫米波通信应用于无人机平台将是未来的发展趋势。虽然毫米波带宽很宽，但频段高导致信号在自由空间的衰减十分严重，所以需要使用波束赋形技术来提高阵列增益，弥补传播损耗，增大系统容量。

发明内容

本发明针对机载高移动性使能的UAV部署问题，提供了一种机载毫米波通信波束赋形与位置部署方法，在无人机基站(Unmanned Aerial Vehicle Base Station，UAV-BS)服务多个地面用户的场景下，通过选择部署无人机的位置与设计毫米波波束赋形，最大化系统容量。