本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種在海洋通信中對(duì)用戶進(jìn)行覆蓋的設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：

相較于陸地通信，海洋通信的通信速率低、成本高，而且海洋用戶通常與提供通信的基礎(chǔ)設(shè)備距離遠(yuǎn)，需要通信基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋距離遠(yuǎn)大于陸地網(wǎng)絡(luò)。目前為海洋通信用戶提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、船舶自動(dòng)認(rèn)證系統(tǒng)(Automatic identification System,AIS)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展遇到以下幾個(gè)方面的問題：一是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的高成本和低通信速率無法滿足海洋通信的需求。二是海洋無線自組織網(wǎng)絡(luò)雖可靈活組網(wǎng)，但安全性能低、通信距離短且通信質(zhì)量低。雖然相關(guān)的研究試圖將傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于海洋通信并提高其通信性能，但由于自組織網(wǎng)絡(luò)存在著通信的距離短、可靠性差、信息傳輸速率低等特性，無法支持高質(zhì)量的海上用戶通信。三是基于AIS的岸基網(wǎng)絡(luò)主要支持低速率的數(shù)據(jù)傳輸，并且針對(duì)特殊的應(yīng)用，如船舶定位，且需要特殊的收發(fā)裝置。

目前隨著智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的大量普及，攜帶這些設(shè)備的海上用戶依然想獲得在陸地上時(shí)的高質(zhì)量通信服務(wù)，而現(xiàn)有的海洋通信技術(shù)無法滿足這些需求。另一方面，陸地通信發(fā)展更加迅速，隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，陸地移動(dòng)蜂窩網(wǎng)的通信質(zhì)量及覆蓋能力都遠(yuǎn)非目前的海洋通信所能匹及。尤其是大規(guī)模分布式天線技術(shù)的引入，使得移動(dòng)蜂窩網(wǎng)對(duì)邊緣用戶的覆蓋能力提高，為陸地用戶提供無縫通信服務(wù)。因此，將移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到海洋通信中以提高通信質(zhì)量并降低成本，有著廣闊的前景和應(yīng)用價(jià)值。近年來一些學(xué)者也試圖將不同的移動(dòng)通信技術(shù)(wimax，wifi，LTE等)引入到海洋通信中來。

然而，由于通信場景的不同，將陸地的通信方案引入到海洋通信中面臨著許多挑戰(zhàn)，其主要的區(qū)別有以下三個(gè)方面：(1)用戶和服務(wù)設(shè)備的分布是不同的。用戶聚集在船上，而這些船分布在航線上。由于環(huán)境惡劣，海洋上的基站建設(shè)艱難，基站無法像陸地一樣環(huán)繞用戶；(2)船舶密度較低，而在一個(gè)小面積內(nèi)(船)的用戶密度高；(3)通信鏈路的距離遠(yuǎn)大于地面網(wǎng)絡(luò)，但用戶的服務(wù)質(zhì)量需求不變。

因此，如何根據(jù)海洋通信場景的特殊性及通信需求設(shè)計(jì)為海洋用戶提供良好覆蓋且不需要特殊的用戶設(shè)備或付出較高的通信代價(jià)是需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種在海洋通信中對(duì)用戶進(jìn)行通信服務(wù)的設(shè)備和方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了一種在海洋通信中用于為用戶提供通信服務(wù)的方法，該方法包括以下步驟：

(1)估計(jì)船上所有用戶總的通信速率需求R_i；

(2)根據(jù)船上所有用戶總的通信速率需求計(jì)算K根分布式天線服務(wù)時(shí)對(duì)船只的覆蓋概率；

(3)根據(jù)所計(jì)算的覆蓋概率判斷為達(dá)到船只的通信服務(wù)需求所需要的天線數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種在海洋通信網(wǎng)絡(luò)中用于在多天線與海洋用戶設(shè)備之間轉(zhuǎn)發(fā)、傳遞信息的設(shè)備，該設(shè)備包括：

(1)信息接收和發(fā)送裝置，用于接收基站天線或用戶發(fā)送的信息，并發(fā)送信息給用戶或天線；

(2)覆蓋概率估計(jì)裝置，用于根據(jù)通信速率需求估計(jì)當(dāng)前用戶群的覆蓋概率；

(3)確定裝置，用于根據(jù)當(dāng)前的覆蓋概率確定服務(wù)天線及服務(wù)天線個(gè)數(shù)。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1示出在海洋通信網(wǎng)絡(luò)中岸基天線與船上設(shè)備通信的一個(gè)示意圖；

圖2示出本發(fā)明一個(gè)方面的一個(gè)實(shí)施例的在海洋通信網(wǎng)絡(luò)中為用戶設(shè)備提供通信覆蓋的流程圖；

圖3示出本發(fā)明另一個(gè)方面的在海洋通信網(wǎng)絡(luò)中岸基天線與船上用戶通信的中繼設(shè)備示意圖；

附圖中相同或相似的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1示出在海洋通信網(wǎng)絡(luò)中岸基天線與船上設(shè)備通信的一個(gè)示意圖。一般地，海洋通信網(wǎng)絡(luò)中可以包括多個(gè)基站天線、中繼設(shè)備(文中簡稱CH)和用戶設(shè)備(文中簡稱CM)。在圖1中，以其中的一組天線和1個(gè)船只i上一個(gè)中繼設(shè)備CH和4個(gè)用戶設(shè)備CM1，CM2，CM3和CM4來示意性地示出基站與海洋用戶之間通信的實(shí)例。在一個(gè)實(shí)施例中，該無線通信網(wǎng)絡(luò)為基于3GPP(the 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴項(xiàng)目)協(xié)議的無線通信網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)選地，該無線通信網(wǎng)絡(luò)可以是LTE(Long Term Evolution，長期演進(jìn))網(wǎng)絡(luò)。用戶設(shè)備可以是任何一種能以無線方式直接或間接和其他用戶設(shè)備和/或基站通信的電子設(shè)備，包括但不限于：手機(jī)、PDA等。中繼設(shè)備為船只上安裝的可以用于收發(fā)基站天線及用戶設(shè)備信息的電子裝置。優(yōu)選地，該LTE網(wǎng)絡(luò)中的各用戶設(shè)備和中繼設(shè)備采用頻分雙工模式(frequency-division duplexing mode，F(xiàn)DD mode)或采用時(shí)分雙工模式(time-division duplexing mode，TDD mode)收發(fā)信息。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，此處所描述的無線通信網(wǎng)絡(luò)和/或中繼設(shè)備和/或用戶設(shè)備是示例性而非限定性的，本方法原理適用于現(xiàn)存以及將來可能存在的其他的無線通信網(wǎng)絡(luò)和/或用戶設(shè)備而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。

如圖1為所示，其中，天線組將信息傳送給船上的收發(fā)裝置(CH)，然后CH將信息發(fā)送給用戶。船i與海岸線的直線距離為d_oi，與天線a_k距離為天線a_k與用戶之間信道的快衰落幅度和編碼增益分別表示為和船舶上安裝收發(fā)器，作為一個(gè)簇頭。地理位置靠近的用戶設(shè)備作為簇成員。簇成員通過簇頭的轉(zhuǎn)發(fā)與基站的天線進(jìn)行通信。這些天線若要為用戶提供有效的通信覆蓋，可通過選擇相應(yīng)的天線組合來滿足對(duì)用戶的通信要求。這里以傳輸速率為例，用R_i來表示i上用戶總的通信速率需求。以一艘船上的用戶為例，R_i取決于所有船上用戶對(duì)速率的需求。

圖2示出本發(fā)明的實(shí)施例的在海洋通信網(wǎng)絡(luò)為用戶設(shè)備提供覆蓋的天線選擇流程圖。

首先，在步驟S21，中繼設(shè)備估計(jì)船上所有用戶總的通信速率需求R_i。具體地，用戶設(shè)備首先計(jì)算其中任一用戶m與船上中繼之間正確傳輸?shù)母怕蚀烁怕逝c設(shè)備的發(fā)送功率、信道質(zhì)量以及用戶的分布相關(guān)。由于本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)于如何檢測該正確傳輸?shù)母怕实募夹g(shù)已經(jīng)知悉，此處不再進(jìn)行贅述。接著，根據(jù)下式計(jì)算用戶設(shè)備到中繼設(shè)備的平均成功傳輸概率

其中，C_i一艘船上用戶的集合，d_φ是一無限小區(qū)域。假設(shè)用戶單位時(shí)間需求的業(yè)務(wù)量為λ，那么從天線到中繼設(shè)備的通信速率需求R_i則可以表示為：

R_i＝λ/P_succ\*MERGEFORMAT (2)

其中，用戶需求業(yè)務(wù)的到達(dá)可以用多種方式進(jìn)行測量，例如建模為服從均值為λ的泊松過程，其到達(dá)速率λ可以在中繼設(shè)備處通過統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間的業(yè)務(wù)需求量獲得。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，此處所描述的業(yè)務(wù)需求速率λ的求解方法是示例性而非限定性的，存在其他的各種估計(jì)或計(jì)算此速率的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。

接著，在步驟S22，中繼設(shè)備根據(jù)船上所有用戶總的通信速率需求計(jì)算K根天線服務(wù)時(shí)對(duì)船只的覆蓋概率。具體的，首先估算信道可達(dá)到的最大通信速率，此速率可以根據(jù)分配的帶寬ω₀、接收信噪比η_i等進(jìn)行計(jì)算。接收信噪比η_i取決于發(fā)射端的發(fā)射功率以及天線與中繼設(shè)備間的等價(jià)信道增益H_i,表示如下：

其中，E為發(fā)射功率，N₀為高斯白噪聲的雙邊功率譜密度，H_i為i的服務(wù)天線與i之間的信道矩陣。H_i取決于多個(gè)天線的編碼方式、船只與天線的距離以及信道質(zhì)量等。H_i的均值可以通過對(duì)信道建模進(jìn)行計(jì)算，也可以通過信道估計(jì)得到。本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)于如何估計(jì)多天線信道的技術(shù)已經(jīng)知悉，此處不再進(jìn)行贅述。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，此處所描述等效信道求解方法是示例性而非限定性的，存在其他的各種估計(jì)或計(jì)算此速率的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。

接著，根據(jù)下式計(jì)算K根分布式天線服務(wù)時(shí)對(duì)船只的覆蓋概率：

P_cover＝Pr{w₀log(1+η_i)≥R_i}\*MERGEFORMAT (4)

此處所描述求解覆蓋概率的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各種估計(jì)或計(jì)算此速率的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。K取值范圍為[A-B],A的取值可以從1開始，也可以為經(jīng)驗(yàn)性可用到的天線個(gè)數(shù)，B可以為最大可獲得的天線個(gè)數(shù)，也可為經(jīng)驗(yàn)性可用到的天線個(gè)數(shù)，例如取值范圍為[1-20]。最初的服務(wù)天線或天線集合可以根據(jù)預(yù)先的算法進(jìn)行選擇，如選擇一根距離中繼用戶最近的天線或者隨機(jī)選擇的天線。此處所描述最初天線或天線集合的選擇方法是示例性而非限定性的，存在其他的各種估計(jì)或計(jì)算此速率的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。此處所描述求解覆蓋概率的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各種估計(jì)或計(jì)算此速率的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。

接著在步驟S23中，根據(jù)所計(jì)算的覆蓋概率判斷為達(dá)到船只的通信服務(wù)需求所需要的天線和天線數(shù)。假設(shè)目標(biāo)覆蓋概率表示為P^target，P^target的取值范圍為[0-1]。一般的，P^target的取值接近于1，如在[0.95-0.999]之間。將步驟S22得到的覆蓋概率P_cover與P^target進(jìn)行比較，若P_cover≥P^target，則此時(shí)的天線組合即為最終服務(wù)的天線組合，天線數(shù)則為此時(shí)天線組合中天線的個(gè)數(shù)。反之，若P_cover＜P^target，則添加一根天線，然后返回步驟S22?？梢愿鶕?jù)不同的算法添加新的服務(wù)天線，如在備選天線中選擇此時(shí)按距離中繼設(shè)備最近的天線或者隨機(jī)的選擇天線。此處所描述添加天線的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各種估計(jì)或計(jì)算此速率的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。此處所描述求解覆蓋概率的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各種估計(jì)或計(jì)算此速率的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。

圖3示出本發(fā)明另一個(gè)方面的在在海洋通信網(wǎng)絡(luò)為用戶設(shè)備提供覆蓋的中繼設(shè)備示意圖。

其中選擇裝置31可用于估計(jì)用戶群體需求業(yè)務(wù)的總速率。此速率為各個(gè)用戶需要的通信速率總和。具體地，選擇裝置31可以根據(jù)一個(gè)預(yù)定規(guī)則來估計(jì)用戶需求業(yè)務(wù)的到達(dá)速率。例如，該預(yù)定規(guī)則可以是假定業(yè)務(wù)到達(dá)為泊松分布，到達(dá)速率通過統(tǒng)計(jì)一段觀察時(shí)間內(nèi)的業(yè)務(wù)量除以觀察時(shí)間得到。該預(yù)定規(guī)則也可以是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值得到的值。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，此處所描述的用于預(yù)測業(yè)務(wù)達(dá)到速率的裝置是示例性而非限定性的，存在其他的各種用于選擇傳輸資源的裝置的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。裝置根據(jù)預(yù)測的到達(dá)速率以及平均正確傳輸?shù)母怕使浪阌脩艨偟臉I(yè)務(wù)需求速率，這種估算可以參照上述公式(2)進(jìn)行計(jì)算，也可以根據(jù)其他方式獲得。

接著，覆蓋概率評(píng)估裝置32根據(jù)用戶總的速率需求以及初始服務(wù)天線個(gè)數(shù)，估計(jì)此時(shí)天線對(duì)用戶群的覆蓋概率。具體地，覆蓋概率評(píng)估裝置32首先檢測用戶所需業(yè)務(wù)的到達(dá)速率，中繼設(shè)備可以估計(jì)其與各用戶間的信息正確傳輸概率。根據(jù)初始天線選擇，估計(jì)此時(shí)的覆蓋概率。最初的服務(wù)天線或天線集合可以根據(jù)預(yù)先的算法進(jìn)行選擇，如選擇一根距離中繼用戶最近的天線或者隨機(jī)選擇的天線。此處所描述最初天線或天線集合的選擇方法是示例性而非限定性的，存在其他的各種估計(jì)或計(jì)算此速率的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。

在一個(gè)實(shí)施例中，可以根據(jù)所估計(jì)的覆蓋概率與目的覆蓋概率進(jìn)行比較。天線選擇裝置33根據(jù)此對(duì)比結(jié)果確定服務(wù)的天線組。目標(biāo)覆蓋概率的取值范圍為[0-1]。一般的，目標(biāo)覆蓋概率的取值接近于1，如在[0.95-0.999]之間。將覆蓋概率與目標(biāo)概率進(jìn)行比較，若覆蓋概率大于或等于目標(biāo)概率，則此時(shí)的天線組合即為最終服務(wù)的天線組合，天線數(shù)則為此時(shí)天線組合中天線的個(gè)數(shù)。反之，天線選擇裝置33則添加一根天線，然后將結(jié)果返回覆蓋概率評(píng)估裝置32?？梢愿鶕?jù)不同的算法添加新的服務(wù)天線，如在備選天線中選擇此時(shí)按距離中繼設(shè)備最近的天線或者隨機(jī)的選擇天線。此處所描述添加天線的方法是示例性而非限定性的，存在其他的各種估計(jì)或計(jì)算此速率的實(shí)現(xiàn)方式而不背離本發(fā)明的精神和范圍，并以引用的方式包含于此。

需要注意的是，本發(fā)明可在軟件和/或軟件與硬件的組合體中被實(shí)施，例如，可采用專用集成電路(ASIC)、通用目的計(jì)算機(jī)或任何其他類似硬件設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的軟件程序可以通過處理器執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)上文所述步驟或功能。同樣地，本發(fā)明的軟件程序(包括相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))可以被存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)中，例如，RAM存儲(chǔ)器，磁或光驅(qū)動(dòng)器或軟磁盤及類似設(shè)備。另外，本發(fā)明的一些步驟或功能可采用硬件來實(shí)現(xiàn)，例如，作為與處理器配合從而執(zhí)行各個(gè)步驟或功能的電路。

另外，本發(fā)明的一部分可被應(yīng)用為計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，例如計(jì)算機(jī)程序指令，當(dāng)其被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，通過該計(jì)算機(jī)的操作，可以調(diào)用或提供根據(jù)本發(fā)明的方法和/或技術(shù)方案。而調(diào)用本發(fā)明的方法的程序指令，可能被存儲(chǔ)在固定的或可移動(dòng)的記錄介質(zhì)中，和/或通過廣播或其他信號(hào)承載媒體中的數(shù)據(jù)流而被傳輸，和/或被存儲(chǔ)在根據(jù)所述程序指令運(yùn)行的計(jì)算機(jī)設(shè)備的工作存儲(chǔ)器中。在此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括一個(gè)裝置，該裝置包括用于存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)程序指令的存儲(chǔ)器和用于執(zhí)行程序指令的處理器，其中，當(dāng)該計(jì)算機(jī)程序指令被該處理器執(zhí)行時(shí)，觸發(fā)該裝置運(yùn)行基于前述根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的方法和/或技術(shù)方案。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化涵括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。此外，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施單數(shù)不排除復(fù)數(shù)。裝置權(quán)利要求中陳述的多個(gè)裝置也可以由一個(gè)裝置通過軟件或者硬件來實(shí)現(xiàn)。