[发明专利]一种无人机辅助蜂窝网络中无人机部署方法

权利要求书

1.一种无人机辅助蜂窝网络中无人机部署方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：信息收集和建立模型

步骤1.1基站收集信息：根据信息来源的不同，基站收集信息过程主要包括三个过程：

(1)用户向基站反馈信息，包括用户位置信息以及用户通信过程中所需的信干比阈值；基站根据上述信息可估计用户密度λ_c；

(2)无人机向基站反馈信息，包括发射功率μ_u，天线阵列的主瓣增益G_m、旁瓣增益G_s、半功率波束宽度无人机飞行高度的法规范围，其中最低高度为h_m和最大高度为h_M；无人机向基站反馈位置，基站根据位置信息可估计无人机密度λ_u；

(3)基站通过网络侧获取其他系统信息；包括地面基站密度λ_g、基站发射功率μ_g、地面链路的路径损耗模型、空对地链路的路径损耗模型；所述的地面链路的路径损耗模型为α_g是地面路径损耗指数，并且α_g＞2，x是地面基站的位置；所述的空对地链路的路径损耗模型α_y是无人机和用户通信的路径损耗指数，α_y＞2，其中LOS链路的路径损耗指数为α_L和NLOS链路的路径损耗指数为α_N，y是无人机在地面上的投影位置，以及h是无人机的飞行高度；

步骤1.2建立模型：依据收集的信息中的地面基站密度和用户密度，将地面基站和用户这两种网络节点的空间位置分布分别建模为两个相互独立泊松点过程模型Φ_g和Φ_c，各自的密度分别为λ_g和λ_c；空对地的链路状态是建模成一个概率视距传输模型，其中信道条件以概率p_L为LOS传播链路而以概率1-p_L为NLOS传播链路，其中，p_L为LOS概率；

根据收集信息中的主瓣增益、旁瓣增益和半功率波束宽度，建立无人机的平顶天线阵列方向图模型：

其中，φ∈(-π/2,π/2]是发送波束所对应的到达角相对于垂直向下方向的夹角；小尺度信道衰落建模为瑞利衰落，衰落因子g_x服从指数分布；

步骤二：选择无人机部署方案参数和用户分类

步骤2.1无人机部署主要包括无人机的位置部署和无人机的波束覆盖两个部分，具体为：

第一部分：设定排斥区域，降低排斥区域内部的用户所受到的来自无人机通信的干扰，提高排斥区域内部的用户通信性能；具体地，设置地面基站的区域，将无人机的空间位置部署于基站的排斥区域外或控制排斥区域内的无人机飞向排斥区域外的随机位置，且所有无人机位于相同高度h，则此时无人机的空间分布建模为密度λ_u的标签化泊松洞过程，记为Φ_u，其中每个点的标签是无人机的飞行高度h；

第二部分：无人机垂直波束覆盖，进一步降低无人机对排斥区域内部用户的干扰；每个无人机垂直向下进行波束覆盖，其中波束的主瓣宽度为则无人机在地面上的主瓣覆盖区域的半径为根据无人机的平顶天线阵列方向图模型，当用户位于主瓣覆盖区域中，无人机波束增益为G_m，而当用户不位于主瓣覆盖区域中，无人机波束增益为G_s；

步骤2.2用户接入机制，基于基站的排斥区域和无人机的主瓣覆盖区域，用户被分为三类：1)位于排斥区域内部的用户连接到最近地面基站进行通信，记为地面中心用户；2)位于排斥区域外部以及无人机的主瓣覆盖区域内的用户连接到最近无人机进行通信，记为无人机用户；3)位于排斥区域外部但位于无人机的主瓣覆盖区域外的用户连接到最近地面基站进行通信，记为地面边缘用户；

步骤三：性能评估与寻优

步骤3.1评估过程：基于步骤一所建立的模型以及采用步骤二所提出的无人机部署与用户接入方法，先依具体场景及需求选取一个关键性能指标，随后在给定的一组参数设置采用随机几何理论的分析方法对三类用户评估所选的关键性能指标，其中，参数包括基站排斥区域大小和无人机的飞行高度；

所述排斥区域的设置，为在排斥半径D的取值范围内，选取不少于两个值；所述飞行高度的设置，为在无人机高度h的取值范围内，选取不少于两个值；随后分析三类用户在采用所提无人机部署和用户接入方法所能够获得的性能，即分析所提无人机部署和用户服务方法在不同排斥区域大小和无人机高度的情况下，所取得的收益效果；

所述关键性能指标包含链路级指标以及网络级指标，依具体场景及需求而定：

1)链路级指标：用户成功概率，表示为其中A_GC,A_UU和A_GE分别是地面中心用户、无人机用户和地面边缘用户占总体用户的比例，和分别是地面中心用户、无人机用户和地面边缘用户在信干比门限θ_c,θ_u和θ_e下的成功概率；具体表达式有理论上界结果和近似结果两种类型；理论上界为：

其中，I_g1是来自同频基站对地面中心用户的干扰；是来自同频无人机对地面用户的干扰上界；I_g2是来自同频基站对无人机用户的干扰；是来自同频无人机对无人机用户的干扰上界；I_g3是来自同频基站对地面边缘用户的干扰；是来自同频无人机对地面边缘用户的干扰上界；和分别是干扰I_g1,I_g2，I_g3，和的Laplace变换；f₁(r),f₂(r)和f₃(r)分别是地面中心用户、无人机用户和地面边缘用户到各自服务站点的距离分布；近似结果为：

其中，是来自同频无人机对地面用户的干扰近似；是来自同频无人机对无人机用户的干扰近似；是来自同频无人机对地面边缘用户的干扰近似；和分别是干扰和的Laplace变换；

2)网络级指标包括区域频谱效率、网络能量效率；所述区域频谱效率表示为：

其中λ_g和λ_u分别是地面基站和无人机的密度；所述网络能量效率表示为

其中，ASE是网络的区域频谱效率；λ_g和λ_u分别是地面基站和无人机的密度；ξ_g和ξ_u分别是地面基站和无人机消耗的总功率；

步骤3.2寻优过程：采用步骤3.1的评估过程，设置多组不同排斥区域和飞行高度以进行关键性能指标的评估，并基于所得的分析结果，选择性能最大值所对应的排斥半径和飞行高度作为最优激活区域和最优飞行高度，并以此时的排斥半径和飞行高度取值作为最终的排斥区域和无人机高度设置；

步骤四：实施无人机部署方案

步骤4.1基于所评估得到的最优排斥区域和最优高度，由地面基站反馈给无人机，控制其部署于最优排斥区域外且飞行于最优高度；

步骤4.2地面基站把分类信息反馈给用户，用户按接收到的指令进行接入网络，其中地面中心用户与和地面基站进行通信，无人机用户和无人机进行通信以及地面边缘用户与和地面基站进行通信。