本申請(qǐng)涉及移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高空平臺(tái)覆蓋預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，移動(dòng)通信技術(shù)迅猛發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)提出了越來(lái)越高的需求。使用搭載有通信設(shè)備的熱氣球、飛艇等平臺(tái)在空中組成基站，可以在多種環(huán)境下作為地面蜂窩通信和衛(wèi)星通信的補(bǔ)充，提升無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)性能，如擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，提升傳輸速率等。且因高空平臺(tái)通信獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，如部署方便，覆蓋面積大，傳輸時(shí)延小，通信成本遠(yuǎn)低于衛(wèi)星通信等，該技術(shù)已引起廣泛關(guān)注。

然而，高空通信技術(shù)的運(yùn)用仍存在不少挑戰(zhàn)，包括高空平臺(tái)最優(yōu)部署、平臺(tái)功率(能量)控制、路徑規(guī)劃等。其中，平臺(tái)的部署方案直接決定了地面用戶(hù)通信質(zhì)量，也決定了通信網(wǎng)絡(luò)的成本，因而需要重點(diǎn)考慮。而平臺(tái)的覆蓋范圍又決定了平臺(tái)的部署方案。因此，對(duì)高空通信平臺(tái)的覆蓋范圍進(jìn)行有效估計(jì)變得尤為關(guān)鍵。

小區(qū)覆蓋指的是用戶(hù)可以穩(wěn)定接收基站信號(hào)的最遠(yuǎn)距離。小區(qū)覆蓋距離與小區(qū)吞吐量之間存在明顯的制約關(guān)系。當(dāng)小區(qū)內(nèi)活躍用戶(hù)數(shù)增多，小區(qū)吞吐量將增大，然而與此同時(shí)，小區(qū)邊緣用戶(hù)收到的干擾將會(huì)加劇，導(dǎo)致邊緣用戶(hù)通信質(zhì)量下降，中斷概率變大。

目前學(xué)術(shù)上主流的地面蜂窩覆蓋估計(jì)方案均基于瞬時(shí)中斷準(zhǔn)則。小區(qū)邊緣用戶(hù)的中斷概率可以表示為小區(qū)半徑和小區(qū)活躍用戶(hù)數(shù)的函數(shù)。該準(zhǔn)則要求小區(qū)邊緣用戶(hù)的中斷概率必須始終低于某一門(mén)限值，也即當(dāng)用戶(hù)的中斷概率高于該門(mén)限值時(shí)，認(rèn)為蜂窩小區(qū)無(wú)法覆蓋到該用戶(hù)。利用該準(zhǔn)則，我們可以對(duì)信號(hào)最遠(yuǎn)傳輸距離進(jìn)行大致估計(jì)。

另外一種網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃常用的覆蓋估計(jì)方案則是基于3D射線跟蹤模型的覆蓋估計(jì)方案。該方案綜合考慮了通信場(chǎng)景的復(fù)雜性，基于實(shí)際環(huán)境，利用3D射線跟蹤法生成電磁場(chǎng)量，進(jìn)而利用該電磁場(chǎng)量計(jì)算不同位置用戶(hù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱，從而實(shí)現(xiàn)覆蓋估計(jì)。

基于瞬時(shí)中斷準(zhǔn)則的覆蓋估計(jì)方案只考慮了小區(qū)活躍用戶(hù)數(shù)對(duì)小區(qū)覆蓋范圍的影響，并未考慮小區(qū)內(nèi)復(fù)雜環(huán)境，如遮擋物分布等具體因素的作用，因而是一種比較粗略的估計(jì)方案。另外，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，當(dāng)SIR只在短時(shí)間內(nèi)低于門(mén)限值時(shí)，并不會(huì)真正導(dǎo)致中斷的發(fā)生。因此，基于瞬時(shí)中斷準(zhǔn)則的覆蓋估計(jì)方案給出的是小區(qū)覆蓋的下限。

現(xiàn)有技術(shù)假設(shè)基站天線到移動(dòng)用戶(hù)天線之間的信道僅僅是針對(duì)城區(qū)/郊區(qū)/鄉(xiāng)村應(yīng)用場(chǎng)景，采用不一樣的大尺度衰落和多徑的小尺度衰落模型，甚至解調(diào)門(mén)限的設(shè)定也是在一個(gè)場(chǎng)景下就用一套多徑小尺度模型來(lái)計(jì)算，這個(gè)在計(jì)算HAP的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)已經(jīng)不再適宜：因?yàn)榧词故窍嗤膽?yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)不同用戶(hù)與基站之間的仰角，其大小尺度信道特征已經(jīng)不一樣了，而不同使用帶寬下的用戶(hù)的解調(diào)能力也產(chǎn)生了很大的變化。以往的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方法已經(jīng)不再適宜直接用于HAP的覆蓋估算。

綜上：現(xiàn)有的地面蜂窩覆蓋估算方案中，信道特征、解調(diào)門(mén)限均被假設(shè)與接收機(jī)到基站的距離無(wú)關(guān)，從而可以直接根據(jù)部署場(chǎng)景、信道特征、解調(diào)門(mén)限等信息，計(jì)算出最大可支持的路損，進(jìn)而根據(jù)自由空間衰落模型中路損和距離的關(guān)系，求解出覆蓋的距離。但是高空平臺(tái)通信性能與地面散射物分布、散射物高度、用戶(hù)天線仰角等諸多因素相關(guān)，不同仰角、不同的帶寬使用情況下的無(wú)線信道特征有較大差異，無(wú)法用現(xiàn)有地面蜂窩覆蓋估算的方法來(lái)直接求取覆蓋范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于射線跟蹤法的高空平臺(tái)迭代覆蓋估計(jì)方法，將地面復(fù)雜環(huán)境帶來(lái)的影響納入考慮范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)高空通信平臺(tái)覆蓋范圍較為精確的估計(jì)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，發(fā)明的技術(shù)方案為：高空平臺(tái)覆蓋預(yù)測(cè)方法包括如下步驟：

A.利用射線跟蹤法對(duì)高空通信信道進(jìn)行合理建模；

B.地面環(huán)境參數(shù)設(shè)定，包括評(píng)估區(qū)域的建筑密度、建筑高度分布、建筑尺寸，散射體在建筑物上的分布方式，以及地面用戶(hù)天線仰角θ；

C.求信道參數(shù)，根據(jù)通信環(huán)境參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)撒點(diǎn)模擬，利用射線跟蹤法分析信號(hào)經(jīng)由各個(gè)散射物的傳輸?shù)竭_(dá)接收端的信號(hào)功率，對(duì)接收到的各徑信號(hào)功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量化，得到信道的功率時(shí)延譜，該功率時(shí)延譜與用戶(hù)天線仰角相關(guān)，設(shè)為信道參數(shù)PDP(θ)；

D.信號(hào)參數(shù)設(shè)定，包括載波帶寬BW、載波頻率f、信號(hào)發(fā)射功率P_T、天線增益A、饋線損耗P_lt，噪聲系數(shù)NF；

E.進(jìn)行鏈路仿真獲得覆蓋估計(jì)，將信道參數(shù)PDP(θ)帶入LTE鏈路仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，得到不同SNR下信號(hào)的誤塊率；設(shè)定覆蓋邊緣用戶(hù)的誤塊率門(mén)限值為10％，則根據(jù)仿真得到的SNR-BLER曲線，可以得到10％BLER門(mén)限值所對(duì)應(yīng)的SNR值；根據(jù)該SNR值我們可以估計(jì)高空平臺(tái)覆蓋范圍R如下：

P_T+A-P_loss-P_lt＝P_R (1)

SNR＝P_R-n-NF (2)

P_loss＝20log₁₀f+20log₁₀D+32.4 (3)

$R=\sqrt{D^2-H^2}---\left(4\right)$

其中，BW—波帶寬、f—載波頻率、P_T—信號(hào)發(fā)射功率、A—天線增益、P_lt—饋線損耗，NF—噪聲系數(shù)。

F.用戶(hù)為邊緣用戶(hù)時(shí)，平臺(tái)的覆蓋范圍R需滿(mǎn)足：

R＝H/tanθ (5)

鏈路仿真估計(jì)結(jié)果R<H/tanθ，需要對(duì)θ進(jìn)行修正，減小θ；

當(dāng)R>H/tanθ，則需要增大θ；

G.重復(fù)步驟E、F直至覆蓋估計(jì)R與θ滿(mǎn)足公式(5)。

本申請(qǐng)的有益效果是：本發(fā)明的主要思路是利用射線跟蹤法，綜合考慮地面環(huán)境，包括建筑物密度、高度、用戶(hù)天線仰角等所帶來(lái)的影響，獲得高空通信平臺(tái)信道的功率時(shí)延譜，該時(shí)延譜與用戶(hù)天線仰角相關(guān)。通過(guò)不斷修正仰角，使之與鏈路仿真估計(jì)得到的覆蓋半徑滿(mǎn)足相應(yīng)的幾何關(guān)系，我們能夠獲得高空平臺(tái)覆蓋范圍較為精確的估計(jì)。

由于射線跟蹤法考慮了地面環(huán)境的復(fù)雜性，迭代算法保證了仿真結(jié)果與幾何關(guān)系的一致性，該方案具有較高的精確度，對(duì)于高空通信平臺(tái)部署具有較大的參照價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為高空平臺(tái)覆蓋預(yù)測(cè)方案流程圖；

圖2至7為平臺(tái)下行鏈路在地面用戶(hù)天線仰角為30°的仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，高空平臺(tái)覆蓋預(yù)測(cè)方法包括如下步驟：

A.利用射線跟蹤法對(duì)高空通信信道進(jìn)行合理建模；

B.地面環(huán)境參數(shù)設(shè)定，包括評(píng)估區(qū)域的建筑密度、建筑高度分布、建筑尺寸，散射體在建筑物上的分布方式，以及地面用戶(hù)天線仰角θ；典型環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表格1環(huán)境參數(shù)設(shè)定

C.根據(jù)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)撒點(diǎn)模擬，利用射線跟蹤法分析信號(hào)經(jīng)由各個(gè)散射物的傳輸?shù)竭_(dá)接收端的信號(hào)功率。對(duì)接收到的各徑信號(hào)功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量化，可以得到信道的功率時(shí)延譜。該功率時(shí)延譜與用戶(hù)天線仰角相關(guān)，設(shè)為PDP(θ)，具體數(shù)值如表2所示。

表格2信道功率時(shí)延譜

D.信號(hào)參數(shù)設(shè)定，包括載波帶寬BW、載波頻率f、信號(hào)發(fā)射功率P_T、天線增益A、饋線損耗P_lt，噪聲系數(shù)NF；典型參數(shù)如表3所示。

表格3仿真信號(hào)參數(shù)設(shè)定

E.進(jìn)行鏈路仿真獲得覆蓋估計(jì)，將信道參數(shù)PDP(θ)帶入LTE鏈路仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，得到不同SNR下信號(hào)的誤塊率；設(shè)定覆蓋邊緣用戶(hù)的誤塊率門(mén)限值為10％，則根據(jù)仿真得到的SNR-BLER曲線，可以得到10％BLER門(mén)限值所對(duì)應(yīng)的SNR值；平臺(tái)下行鏈路在地面用戶(hù)天線仰角為30°的仿真結(jié)果如圖2—7所示。

根據(jù)該SNR值我們可以估計(jì)高空平臺(tái)覆蓋范圍R如下：

P_T+A-P_loss-P_lt＝P_R (1)

SNR＝P_R-n-NF (2)

P_loss＝20log₁₀f+20log₁₀D+32.4 (3)

$R=\sqrt{D^2-H^2}---\left(4\right)$

其中，BW—波帶寬、f—載波頻率、P_T—信號(hào)發(fā)射功率、A—天線增益、P_lt—饋線損耗，NF—噪聲系數(shù)。

估算結(jié)果如表4所示。

表格4高空平臺(tái)下行鏈路第一次覆蓋估計(jì)(km)

F.根據(jù)用戶(hù)天線仰角θ和平臺(tái)高度H，由幾何關(guān)系可知，當(dāng)該用戶(hù)為邊緣用戶(hù)時(shí)，平臺(tái)的覆蓋范圍R需滿(mǎn)足

R＝H/tanθ (5)

當(dāng)鏈路仿真估計(jì)結(jié)果R<H/tanθ，我們需要對(duì)θ進(jìn)行修正，減小θ；當(dāng)R>H/tanθ，則需要增大θ。由高空平臺(tái)下行鏈路θ＝30°時(shí)的仿真結(jié)果，以及H/tanθ＝34.64km可以看出，HAP的覆蓋范圍估算過(guò)小，可以增大θ重新進(jìn)行仿真。

G.修正θ，重復(fù)步驟E、F直至覆蓋估計(jì)R與θ滿(mǎn)足公式(5)。