[发明专利]一种D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖的设计方法

说明书

本发明揭示了一种D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖的设计方法，该方法包括：构建无人机作为空中基站UAV‑BS服务于多个地面用户的一个下行通信系统，初始化无人机的部署高度和波束张角，根据无人机部署信息将目标覆盖区域划分为无人机直接覆盖区域和间接覆盖区域；在无人机网络的基础上，对于无人机的间接覆盖区域的用户，增设D2D通信以进一步扩大覆盖范围，将通信服务从直接覆盖区延伸至间接覆盖区；基于蜂窝通信系统已有的地面用户的分布信息，以及地面用户接入通信网络的公平性，通过积分求解的方式确定直接覆盖区域和间接覆盖区域的用户功率开销；将D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖问题构建成一个二重变量优化问题。

技术领域

本发明涉及一种D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖的设计方法，可用于D2D辅助无人机通信技术领域。

背景技术

近些年来，随着全球蜂窝网络覆盖需求的增加，无人机结合蜂窝网络能够以低成本、高移动性的方式支持无人机通信，同时也为建立新的专用地面网络提供了可能性。在城市流量热点密集地区，传统蜂窝基站的覆盖范围不能满足需求，抑或是在灾害场景中，地面原有的通信基础设施受损，此时无人机可依据其高机动性和部署方便的特点快速对目标区域进行覆盖或是业务分流，具有广阔的应用场景。

与地面基站相比，无人机基站对环境变化的适应性更强，可以快速为灾害地区提供大范围的可靠通信。无人机在移动通信中有着广泛的应用和诸多优点，但是还存在着能耗问题需要改进，由于机载能量存储有一定的限制，无人机无法做到长时间的远程工作，因此，降低无人机能耗也是研究的主要问题。

作为5G关键技术之一，D2D通信是一种能够在运营商授权频段内应用、复用蜂窝用户资源、允许邻近设备之间直接交换信息的技术，能够减小设备到设备传输时延、提高系统网络性能和效率，在充分利用通信资源的同时应对数据流量的爆炸式增长，符合“绿色通信”节能减排的基本要求。将D2D通信引入UAV场景下的应急通信中，可以进一步提高灾难场景下的数据传输速率，改善灾区的移动通信质量。

鉴于此，有必要提出一种D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖的设计方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖的设计方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种D2D辅助无人机基站实现目标区域全覆盖的设计方法，

该方法包括以下步骤：

S1：构建无人机作为空中基站UAV-BS服务于多个地面用户的一个下行通信系统，初始化无人机的部署高度和波束张角，根据无人机部署信息将目标覆盖区域划分为无人机直接覆盖区域和间接覆盖区域；

S2：在无人机网络的基础上，对于无人机的间接覆盖区域的用户，增设D2D通信以进一步扩大覆盖范围，将通信服务从直接覆盖区延伸至间接覆盖区；

S3：基于蜂窝通信系统已有的地面用户的分布信息，以及地面用户接入通信网络的公平性，通过积分求解的方式确定直接覆盖区域和间接覆盖区域的用户功率开销；

S4：无人机的部署高度和波束张角决定无人机的直接覆盖区域范围，将D2D通信辅助的无人机基站覆盖问题构建成一个二重变量优化问题，将S1步骤中初始化的无人机的部署高度和波束张角作为迭代起点，在保证用户QoS的前提下，求解优化目标为最小化系统总功率开销时的无人机部署高度和无人机波束张角。

优选地，在S1步骤中，建立本方法的系统模型，有：

假设一个D2D通信辅助无人机基站的下行通信系统，无人机配备有一个固定波束宽度为2θ∈[0，π]的定向天线，充当基站的角色服务于K个地面用户，目标覆盖区域是半径为R的一个圆形区域，用户均匀分布在该区域，用户密度表示为