用于无人机中继站的多天线通信方法和系统

1.本发明涉及无线通信技术，尤其涉及用于无人机中继站的多天线通信方法和系统。


背景技术：

2.无人机电子云台可以用于数据通信，其网络架构和处理能力是通信质量的重要指标。《面向空中无线覆盖网络的无人机位置部署与功率分配关键技术研究》（南京邮电大学.涂慧.硕士学位论文）公开了无人机中继功率资源的分配方法，其将系统扩展至多用户，设计面向多用户无线覆盖的无人机基站网络架构。但是该文献尚未考虑不同用户的信道状态。在紧急环境中，无人机基站除了需要承担视距通信外还需要考虑非视距通信，而且对非视距通信的信道质量要求更高。
3.另，cn107800469a公开了一种基于无人机平台中继通信系统，该系统中无人机载中继通信平台采用160度波束宽度机载天线，将通信有效覆盖面积的大幅度提高，实现非视距情况下的正常通信。其收发设备用时分复用方式避免中继站对用户端的信号干扰，提高天线增益阈值，增益达到3～20dbi。但是该案的大增益会造成对其他小区的通信干扰。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供了一种用于无人机中继站的多天线通信方法和系统，调节中继站不同天线的增益，在满足非视距通信的前提下降低无人机信号对相邻小区的干扰。
5.本技术的发明目的可通过以下技术方案实现：一种用于无人机中继站的多天线通信方法，包括以下步骤：步骤1：将无人机布置在中继任务区上空，所述中继任务区具有建筑物，无人机的位置坐标为（x0，y0，z0），无人机至少包括定向天线、全向天线，全向天线的输出功率为p
da
，定向天线的输出功率为p
oa
，无人机在全向天线和定向天线施加预设的基准功率p
re
，p
da
＝p
oa
＝p
re
；步骤2：地面基站建立与多个用户的无中继通信以及经无人机建立与多个用户的中继通信，中继通信用户分布在中继任务区内；步骤3：中继通信用户i将位置参数（xi，yi，zi）上报至无人机；步骤4：无人机生成一信道日志，信道日志将中继通信用户标记为非视距状态或视距状态；步骤5：地面基站根据中继任务区和至少一个基站通信区的小区参考信号接收功率生成功率调整参数g，根据功率调整参数g在全向天线施加第一功率增益g1；步骤6：无人机根据非视距状态的中继通信用户的位置参数调整定向天线的下倾角，并在定向天线施加第二功率增益g2，g2＝－g1；步骤7：中继通信用户i周期性向无人机上报位置参数（xi，yi，zi）和信号接收功率
pi并计算信道损耗，所述信道损耗由视距传播损耗、穿墙损耗和非视距传播损耗组成，再根据信道损耗计算穿墙损耗，若穿墙损耗小于等于阈值下限，返回至步骤4，若穿墙损耗大于阈值上限，进入步骤8；步骤8：无人机根据非视距状态的中继通信用户的位置参数调整定向天线的下倾角并调整第二功率增益g2，g2＝g2 g0，g0为由穿墙损耗确定的增益调整值，再返回步骤7。
6.在本发明中，无人机遍历建筑物的多个参照点，测量各参照点的通信覆盖率以及建筑物外表面的多个轮廓点的位置坐标。
7.在本发明中，根据建筑物外表面的多个轮廓点的位置坐标和无人机的位置坐标生成非视距区域，位于非视距区域内的中继通信用户标记为非视距状态，位于非视距区域外的中继通信用户标记为视距状态。
8.在本发明中，非视距区域由建筑物内部区域和轮廓点与无人机交线限定的区域组成，轮廓点k与无人机的交线方程为：成，轮廓点k与无人机的交线方程为：，轮廓点k的位置坐标为（xk，yk，zk）。
9.在本发明中，中继通信用户i的视距传播损耗为oi，oi＝20logdi a，非视距传播损耗为li，li＝bhi，穿墙损耗为ti，p
oa
－pi＝ti li oi，其中，视距参数a =20logf 20log (4π/c) 1，f为载波频率，c为光速，b为预设的非视距衰减参数，di为中继通信用户i的视距传播距离，hi为中继通信用户i的非视距传播距离。
10.在本发明中，定向天线的下倾角，m为非视距状态的中继通信用户的数量，θi为中继通信用户i的室外链路偏角。
11.在本发明中，增益调整值。
12.在本发明中，功率调整参数，rsrp0为中继任务区的小区参考信号接收功率，n为相邻的基站通信区的数量，rsrpj为基站通信区j的小区参考信号接收功率。
13.在本发明中，第一功率增益。
14.一种用于无人机中继站的多天线通信系统，包括：地面基站、无人机以及多个用户， 该多天线通信系统用于实现所述用于无人机中继站的多天线通信方法。
15.实施本发明的这种用于无人机中继站的多天线通信方法和系统，具有以下有益效果：中继通信用户上报位置参数，无人机将中继通信用户标记为非视距状态或视距状态，进而估计穿墙损耗。根据穿墙损耗确定定向天线的功率增益，再根据相邻小区的参考信号接收功率调整全向天线的功率增益，可以进一步降低无人机信号对相邻小区的干扰。
附图说明
16.图1为现有的无人机中继站的应急通信示意图；图2为本发明的用于无人机中继站的多天线通信方法的流程图；图3为无人机中继站与地面基站通信小区关系图；图4为本发明的非视距通信的平面链路示意图；图5为图4的三维链路示意图；图6为图5的定向天线的通信链路与建筑物的关系图；图7为本发明的用于无人机中继站的多天线通信系统的框图；图8为本发明的无人机中继站的模块框图；图9为图7的全向天线与第一增益单元的优选示意图；图10为本发明的无人机中继站的结构图；图11为图10中定向天线的示意图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
18.在地震火灾等自然灾害中，部分地面基站出现线路损坏，降低了用户的通信质量（尤其是当区域内存在非视距通信时，存在部分用户无法连接的情况）。现有技术采用临时无人机中继站解决上述问题，参照图1。中继任务区中部分用户位于建筑物内，部分用户位于建筑物外，建筑物内用户存在信号大尺寸衰落，建筑物内用户的非视距通信概率远大于建筑物外用户。室内用户建立的一定是非视距链路，室外用户所建立的链路中有视距成分和非视距成分，通常可能因为其他阻挡和偏角产生非视距通信。
19.现有技术无法直接确定用户是否处于视距通信，通常采用视距概率估计。在现有技术中，视距概率通常采用以下函数估计，视距概率 ，非视距概率p(nlos,ψ)=1-p(los,ψ)。los是指视距通信，nlos是指非视距通信，ψ为无人机定向天线的主瓣中线与用户的室外通信链路的夹角。进一步的，与视距通信概率对应的视距损耗
ꢀꢀ
，非视距损耗
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。η
los
为视距通信链路的大衰落损耗，η
nlos
为非视距通信链路的大衰落损耗。现有的η
nlos
包含室内和穿墙的损耗，经验参数多，数值预测困难。小衰落损耗 。d为基站到用户的视距链路距离、f为载波功率、c为光速。常见的参数取值如下表。
20.本发明可以解决上述非视距通信问题，降低无人机中继站对相邻小区的干扰。本
发明通过坐标关系确定链路状态，并提供不同的功率增益。本发明适用于建筑物、空地混合布置的区域，环境参数取值浮动大，难以估算用户的链路状态。如图2至图6所示，本发明的用于无人机中继站的多天线通信方法包括以下步骤：步骤1：将无人机布置在中继任务区上空，所述中继任务区具有建筑物，无人机的位置坐标为（x0，y0，z0）。无人机至少包括定向天线、全向天线。无人机经定向天线、全向天线与用户和地面基站通信。无人机在全向天线和定向天线施加基准功率p
re
。p
re
为无人机信号收发的最大输出功率。全向天线的输出功率p
da
＝定向天线的输出功率p
oa
＝p
re
。
21.无人机的高度决定通信覆盖率和视距概率，通过迭代通信覆盖率和视距概率可以获得最佳的通信效率。无人机可以遍历建筑物的多个参照点，确定各参照点的通信覆盖率以及建筑物外表面。无人机位于较佳参照点时的位置坐标定义为（x0，y0，z0），建筑物外表面的轮廓点k的位置坐标（xk，yk，zk）。
22.步骤2：地面基站建立与多个用户的无中继通信以及经无人机建立与多个用户的中继通信，中继通信用户分布在中继任务区内。与无人机通信的区域为中继任务区，其他地面基站覆盖的区域为基站通信区（无中继通信），参照图3，部分基站通信区为中继任务区的相邻小区，相邻小区的参考信号接收功率可以视为无人机对相邻小区干扰的指标。
23.步骤3：中继通信用户将位置参数（xi，yi，zi）上报至无人机。无线信号从室外到室内的传播路径如图4，先后发生室外、穿墙、室内传播，参照《室外到室内传播的角墙损失模型和扩展建筑穿透模型》（17届无线通信和移动计算国际会议）。相应的信道损耗由视距传播损耗、穿墙损耗和非视距传播损耗组成。
24.中继通信用户i的视距传播损耗定义为oi。视距传播损耗与视距传播距离有关，oi＝20logdi a。视距参数a =20logf 20log (4π/c) 1，f为载波频率，c为光速。di为中继通信用户i的视距传播距离。非视距传播损耗定义为li，li＝bhi，b为预设的非视距衰减参数，固定室内结构通常取值14至16。hi为中继通信用户i的非视距传播距离。如图5，建筑物外表面与链路的交点坐标为（xu，yu，zi）。视距传播距离 ，非视距传播距离hi＝ 。穿墙损耗定义ti，包括建筑物外墙面和内墙面的损耗。根据链路特性，ti＝ei(1－cosψi)2。在图5中，ψi为无人机定向天线的主瓣中线01与中继通信用户i的室外通信链路02的夹角。因不同中继通信用户的位置不同，墙面厚度材质不同，穿墙损耗参数ei差异较大，预先给定穿墙损耗的误差较大，因此本实施例通过ti＝p
oa
－pi－li－oi计算穿墙损耗（不考虑指向损耗、接收端其他增益）。例如在下行链路中，p
oa
＝36dbm（29dbm 7dbi），pi＝－65dbm，li＝60db，oi＝6db，则ti＝36dbm 65dbm－60db－6db＝35db。
25.步骤4：无人机生成一信道日志，信道日志将中继通信用户标记为非视距状态或视距状态。现有技术通过视距概率区分通信状态，本发明根据无人机获取的建筑物外表面轮廓确定通信状态。本发明将非视距区域外的用户定义为los状态（视距状态），将非视距区域内的用户定义为nlos状态（非视距状态）。本发明不限制建筑物外表面轮廓数据的来源，可以预选存储建筑物的轮廓数据，判断视距状态。位于非视距区域的中继通信用户受到阻挡。位于视距区域外的中继通信用户未受阻挡。信道日志采用例如数组或链表的数据结构，其存储中继通信用户的标识、视距状态或非视距状态以及上次上报的位置数据等。
，m为非视距状态的中继通信用户的数量，室外链路偏角 。室外链路偏角θi为中继通信用户的室外通信链路与水平面的夹角，下倾角β为定向天线主瓣中线与水平面的夹角。因三角形外角等于不相邻的两个内角和，因此在数值上，夹角ψi等于β减去θi，在最佳的通信状态下，ψi=0，β=θi。第二功率增益初始值在数值上与第一功率增益相等，g2＝－g1。第二功率增益用于增强总输出功率，第一功率增益用于削减总输出功率。
31.步骤7：中继通信用户i周期性向无人机上报位置参数（xi，yi，zi）和信号接收功率pi，计算穿墙损耗。穿墙损耗的计算方法如步骤3所示。中继通信用户的参数可以随时钟帧发送，或者间隔10s发送。中继通信用户i周期性向无人机上报位置参数（xi，yi，zi）和信号接收功率pi。
32.若穿墙损耗小于等于阈值下限，返回至步骤4。穿墙损耗小于等于阈值下限，预测用户离开建筑物。用户具有趋利移动性，在地震等应急通信场景下，室内用户可能会逐渐转变为室外用户。为此需要根据实际需求，动态调整无人机的位置和资源分配。若穿墙损耗大于阈值上限，进入步骤8。阈值上下限由系统预设，实际案例可取10db、90db。
33.步骤8：无人机根据非视距状态的中继通信用户的位置参数调整定向天线的下倾角并迭代调整第二功率增益g2，再返回步骤7。g2＝g2 g0，g0为由穿墙损耗确定的增益调整值。根据穿墙损耗的生成因素，本发明的增益调整值。中继通信用户收到预测室外的大尺寸衰落，重新调整定向天线的下倾角，以获得更好的通信效率。
34.如图7，本发明的用于无人机中继站的多天线通信系统包括：地面基站、无人机以及多个用户。无人机包括数据发送单元、定向天线、全向天线、数据接收单元、数据处理单元、数据存储单元、第一增益单元、伺服驱动单元、第二增益单元。图8公开了无人机中继站的结构，其主要包括飞控组件、机载组件、收发组件以及蓄电池等。飞控组件包括用于采集自身位置的gps模块、陀螺仪、姿态控制模块等。机载组件除了包含在多天线通信系统中的结构外，还包括用于测距的传感器、散热模块。
35.数据发送单元以基准功率p
re
从全向天线和定向天线发送数据。传输方式例如是tdma多址接入方式。数据接收单元周期性从地面基站信号接收功率调整参数g，以及从中继通信用户接收位置参数（xi，yi，zi）和信号接收功率pi。数据处理单元根据数据接收单元的信号接收功率pi计算信道损耗。数据存储单元存储一信道日志。第一增益单元根据数据接收单元的功率调整参数g在全向天线施加第一功率增益g1。伺服驱动单元根据非视距状态的中继通信用户的位置参数调整定向天线的下倾角。一般，信号收发电路都需要配置放大器，用于功率增益和信号放大。接收功率＝发射功率＋g
发射增益
－损耗＋g
接收增益
。在本发明一个实施例中，第一增益单元可以是额外的信号增强装置。在另一实施例中，也可以将第一增益单元嵌入现有收发电路的放大器，通过调整放大器的参数调整功率增益。第一增益单元可以包括驱动放大器、功率放大器，如图9所示。发射信号经过带通滤波器滤除杂波后进入驱动放大器进行放大，然后通过衰减网络调节前后级放大器间的匹配，再经功率放大器放大，最终经由低通滤波器滤除信号谐波后输出给全向天线。第二增益单元在定向天线施加第二
功率增益g2。第二增益单元的结构可参照第一增益单元，在此不做赘述。
36.数据处理单元周期性监测穿墙损耗，若穿墙损耗小于等于阈值下限，数据处理单元指示数据存储单元更新信道日志，再根据信道日志的数据调整第一增益单元和第二增益单元的参数。若穿墙损耗大于阈值上限，数据处理单元指示定向天线调整下倾角并调整第二功率增益g2。g2＝g2 g0，g0为由穿墙损耗确定的增益调整值。
37.参照图10、图11，伺服驱动单元主要由第一伺服电机81、第二伺服电机82、外吊架83以及内吊架84组成。第一伺服电机81经定位板85安装在主机壳体10底部，第一伺服电机81驱动外吊架83，外吊架83连接内吊架84，定向天线安装在内吊架84上，第一伺服电机81、第二伺服电机82实现对定向天线60下倾角的控制。无人机的主体结构还包括主机壳体10、起落架20、悬臂30、高速电机40、螺旋桨50。主机壳体10用于容纳数据处理单元、数据存储单元等部件，起落架20位于主机壳体10下方，用于支撑并保护定向天线60，全向天线70通常设置在主机壳体10的顶部。悬臂30对称布置，高速电机40、螺旋桨50位于悬臂30末端。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。