本發(fā)明涉及無線協(xié)作通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法。

背景技術(shù)：

1、無人機(jī)(unmanned?aerial?vehicle,uav)因其部署靈活性和機(jī)動(dòng)性，廣泛應(yīng)用于協(xié)作通信、應(yīng)急通信和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。無人機(jī)中繼提供了良好的機(jī)動(dòng)性和靈活性，無人機(jī)部署在空中，視距(line?of?sight,los)連接概率高，鏈路性能好。

2、現(xiàn)階段，在基站(base?station,bs)與用戶設(shè)備(user?equipment,ue)通信中，就基于空-地(air-to-ground,a2g)信道路徑損耗(path?loss,pl)優(yōu)化無人機(jī)部署而言，早在2016年，就有現(xiàn)有技術(shù)指出無人機(jī)高度和位置對提高通信性能至關(guān)重要，提出了一種無人機(jī)3d部署策略，以最大化無人機(jī)覆蓋用戶數(shù)為目標(biāo)，優(yōu)化無人機(jī)位置；2024年，有現(xiàn)有技術(shù)根據(jù)a2g信道的pl，以最大化無人機(jī)覆蓋面積為目標(biāo)確定無人機(jī)最佳高度。然而，這些現(xiàn)有的方法和策略由于受到實(shí)際應(yīng)用場景的限制，很難達(dá)到最佳的無人機(jī)位置或高度，存在無法保證基站與用戶設(shè)備之間端到端中斷性能的問題。

3、因此，為解決以上問題，需要一種基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，能夠從部署的若干系留無人機(jī)中選擇最佳的無人機(jī)，從而提高基站與用戶設(shè)備之間的端到端中斷性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，能夠從部署的若干系留無人機(jī)中選擇最佳的無人機(jī)，從而提高基站與用戶設(shè)備之間的端到端中斷性能。

2、本發(fā)明的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，包括：

3、在設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)部署若干系留無人機(jī)；

4、以信道路徑總損耗最小為目標(biāo)，從若干系留無人機(jī)中選擇目標(biāo)無人機(jī)；

5、將目標(biāo)無人機(jī)作為基站與用戶設(shè)備之間通信的協(xié)作無人機(jī)。

6、進(jìn)一步，所述信道路徑總損耗為bs-tuav鏈路的信道路徑損耗與tuav-ue鏈路的信道路徑損耗之和；其中，tuav表示系留無人機(jī)，bs表示基站，ue表示用戶設(shè)備。

7、進(jìn)一步，所述bs-tuav鏈路的信道路徑損耗與所述tuav-ue鏈路的信道路徑損耗均為krf、kmm以及kfs中任意一種；其中，krf,kmm,kfs分別是rf、mmwave和fso的信道路徑損耗；rf表示射頻通信、mmwave表示毫米波通信和fso表示自由空間光通信。

8、進(jìn)一步，根據(jù)如下公式計(jì)算信道路徑損耗krf：

9、

10、其中，分別是rf發(fā)射天線和接收天線增益，λrf是rf信號(hào)波長，d是rf發(fā)射天線與接收天線之間的距離，pldb為附加空-地信道路徑損耗。

11、進(jìn)一步，根據(jù)如下公式計(jì)算信道路徑損耗kmm：

12、

13、其中，分別是mmwave發(fā)射天線和接收天線增益，λmm是mmwave信號(hào)波長，d是mmwave發(fā)射天線與接收天線之間的距離，αmm為分子吸收引起的附加衰減常數(shù)，pldb為附加空-地信道路徑損耗。

14、進(jìn)一步，根據(jù)如下公式計(jì)算信道路徑損耗kfs：

15、

16、其中，分別是fso發(fā)射波束和接收透鏡增益，λfs是fso光波波長，d是fso發(fā)射器與接收透鏡之間的距離；αfs為大氣衰減常數(shù)；fso接收透鏡增益r0是fso接收透鏡有效孔徑的半徑。

17、進(jìn)一步，根據(jù)如下公式計(jì)算附加空-地信道路徑損耗pldb：

18、

19、其中，均是附加損耗；

20、pnlos＝1-plos；θ＝tan-1(h/d′)是tuav的仰角，h是bs與tuav之間的高度差，d′是tuav與bs之間的水平距離；a與b是因子系數(shù)。

21、進(jìn)一步，從若干系留無人機(jī)中選擇目標(biāo)無人機(jī)，具體包括：

22、bs收集經(jīng)過每架tuav的bs-tuav鏈路和tuav-ue鏈路的rf、mmwave和fso信道路徑損耗krf、kmm和kfs，其中，兩條鏈路中的三種信道組合形成9種級(jí)聯(lián)組合模式；在9種級(jí)聯(lián)組合模式中按照信道路徑總損耗升序排列，從每架tuav的9種級(jí)聯(lián)組合模式中選擇排位第一的信道組合構(gòu)成候選級(jí)聯(lián)信道；所有tuav的候選級(jí)聯(lián)信道構(gòu)成級(jí)聯(lián)候選信道集合，從級(jí)聯(lián)候選信道集合中選擇信道路徑總損耗最小的tuav作為目標(biāo)無人機(jī)。

23、進(jìn)一步，所述bs-tuav鏈路以及所述tuav-ue鏈路均選擇具有最大接收信噪比的信道。

24、進(jìn)一步，所述bs-tuav鏈路以及所述tuav-ue鏈路均根據(jù)如下方法選擇信道：

25、預(yù)設(shè)切換閾值γth，如果則切換為fso信道；

26、否則，如果則切換到mmwave信道，否則，切換到rf信道；

27、根據(jù)如下公式計(jì)算信道的接收信噪比

28、

29、其中，rssi為信道的接收信號(hào)功率；為信道的噪聲功率估計(jì)，rf表示rf信道，mm表示mmwave信道，fs表示fso信道。

30、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明公開的一種基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，通過系留無人機(jī)(tethered?uav,tuav)協(xié)作，利用系留線纜為無人機(jī)持續(xù)補(bǔ)充能量，以犧牲一定的機(jī)動(dòng)性為代價(jià)，克服滯空時(shí)間和有效載荷受限問題。從一組系留無人機(jī)中選擇bs-tuav鏈路和tuav-ue鏈路信道路徑損耗之和最小的無人機(jī)作為執(zhí)行協(xié)作通信的無人機(jī)。此外，在協(xié)作通信中，配置射頻、毫米波和fso通信等多種信道，利用不同信道傳播特性，選擇最佳信道，從而提高了基站與用戶設(shè)備之間的端到端中斷性能。

技術(shù)特征：

1.一種基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：所述信道路徑總損耗為bs-tuav鏈路的信道路徑損耗與tuav-ue鏈路的信道路徑損耗之和；其中，tuav表示系留無人機(jī)，bs表示基站，ue表示用戶設(shè)備。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：所述bs-tuav鏈路的信道路徑損耗與所述tuav-ue鏈路的信道路徑損耗均為krf、kmm以及kfs中任意一種；其中，krf,kmm,kfs分別是rf、mmwave和fso的信道路徑損耗；rf表示射頻通信、mmwave表示毫米波通信和fso表示自由空間光通信。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：根據(jù)如下公式計(jì)算信道路徑損耗krf：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：根據(jù)如下公式計(jì)算信道路徑損耗kmm：

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：根據(jù)如下公式計(jì)算信道路徑損耗kfs：

7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：根據(jù)如下公式計(jì)算空-地信道路徑損耗pldb：

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：從若干系留無人機(jī)中選擇目標(biāo)無人機(jī)，具體包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：所述bs-tuav鏈路以及所述tuav-ue鏈路均選擇具有最大接收信噪比的信道。

10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，其特征在于：所述bs-tuav鏈路以及所述tuav-ue鏈路均根據(jù)如下方法選擇信道：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于系留無人機(jī)協(xié)作的基站與用戶設(shè)備通信方法，包括：在設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)部署若干系留無人機(jī)；以信道路徑總損耗最小為目標(biāo)，從若干系留無人機(jī)中選擇目標(biāo)無人機(jī)；將目標(biāo)無人機(jī)作為基站與用戶設(shè)備之間通信的協(xié)作無人機(jī)。在協(xié)作通信中，配置射頻、毫米波和FSO通信等多種信道，利用不同信道傳播特性，選擇最佳信道。本發(fā)明能夠從部署的若干系留無人機(jī)中選擇最佳的無人機(jī)，從而提高了基站與用戶設(shè)備之間的端到端中斷性能。

技術(shù)研發(fā)人員：付泉泳,張導(dǎo),吳維農(nóng),張津銘,劉鈺然,梁柯,陳柯,鐘淘淘,胡豁然,祖雪瑩,趙妍妍,吳純模
受保護(hù)的技術(shù)使用者：國家電網(wǎng)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10