面向無人機毫米波基站的多波束優化設計

王磊 顧勇 仲偉志 李鵬輝 朱秋明

摘要：為了保證無人機毫米波基站多波束覆蓋區域內通信容量的同時，降低硬件成本和系統復雜度，本文提出采用一種基于混合波束成形結構的波束優化設計方法。該方法首先從多波束混合成形系統結構入手，而后基于多波束總體頻譜效率最大化問題分別對數字預編碼器和射頻移相預編碼器進行設計，達到降低系統射頻鏈數目的目標。仿真試驗表明，該波束設計方法可以在獲得較好波束增益的同時降低系統復雜度，從而提高無人機目標覆蓋區域內用戶的通信質量。

關鍵詞：無人機基站；毫米波；波束覆蓋；波束設計

中圖分類號：TN928文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.011

基金項目：航空科學基金（2017ZC52021）；南京航空航天大學研究生創新基地（實驗室）開放基金（kfjj20191501）

由于無人機具有低成本、可快速部署、廣覆蓋等特征，在農業植保、氣象環保監測、災后救援、通信中繼等民用領域中發揮著越來越重要的角色[1-3]。近年來，無人機作為空中通信基站已成為一個研究熱點。無人機空中基站平臺相較于傳統的地面小區基站具有一些無法比擬的優勢[4]，如在地震、洪水、泥石流等自然災害發生后，地面基礎通信設施遭到損壞，通信處于阻塞癱瘓的狀態，而無人機空中基站能在較短時間內快速恢復部分應急通信功能。此外，無人機空中基站在演唱會、城市商圈等通信需求大的熱點地區，可以快速部署并提供服務。因此，部署無人機空中基站己經成為解決特定場景下通信困難的高效方案[5-6]。然而當前無人機通信頻段遠遠不能滿足未來5G通信網絡中大連接場景下的多樣化業務需求，因此，擁有巨大的免許可帶寬的毫米波頻段被認為是解決無人機通信的重要解決方案[7]。由于毫米波頻段比較高，雨霧等天氣因素會導致較高的路徑傳播損耗，所以使用具有強方向性增益的波束成形技術是彌補毫米波通信路徑損耗的必然趨勢[8-9]。

在以往的研究中，針對無人機基站波束覆蓋方面的研究較少。參考文獻[10]提出了一種基于三維波束成形的小型小區通信容量增強方法，這種動態波束可以自適應地改善接收信號質量，同時更加有效地控制干擾。但是，用這種方法產生的窄光束僅適用于小型蜂窩小區。參考文獻[11]考慮了毫米波蜂窩網絡的覆蓋范圍和速率性能，實現了更高的峰值速率，但沒有提高小區邊緣速率。為了達到中心速率和邊緣速率之間的良好平衡，參考文獻[12]提出了一種結合正交匹配跟蹤算法的寬波束設計方法。以上研究都是針對單區域進行波束覆蓋，當運用在多波束覆蓋時，會面臨較高的系統復雜度和硬件開銷問題。參考文獻[13]和參考文獻[14]將射頻預編碼器與信道的相位相匹配，并將數字預編碼器設置為有效信道的迫零波束形成矢量。雖然該方法實現了可觀的傳輸速率總和，但在射頻鏈數目和特定頻率限制下實現的速率與系統最大容量之間仍然存在差距。

針對無人機毫米波多波束覆蓋小區中存在的系統復雜度較高這一問題，本文以提高多用戶場景下的通信容量和降低系統復雜度為目標，首先基于波束混合成形系統結構，分別對數字預編碼器和射頻移相預編碼器進行設計，而后面向移相器分辨率的限制，在移相器低分辨率的條件下對預編碼器進行優化設計。仿真表明，采用的聯合波束優化方法能有效地提高各覆蓋區域的通信容量的同時降低系統復雜度。

1系統模型

3仿真驗證

為了驗證本文采用的波束設計方法的性能，這里從波束形狀、傳輸速率等角度對該波束設計方法進行評價。考慮一個用戶數為3的多波束覆蓋場景。基站采用面陣天線，每個用戶擁有相同的優先級的單天線接收，即βm= 1，？m。陣元間距為半波長。

3.1波束形狀

如圖2所示，從波束形狀這一定性角度來看，本文采用的面向多用戶場景下的多波束設計方法產生的波束更規則，對于目標區域覆蓋效果更優。而傳統的多波束設計方法，其產生的波束在區域內的波束會產生較大程度的畸變，影響波束覆蓋性能。

3.2傳輸速率

以上是在波束形狀的角度進行討論，本文在相同仿真參數的條件下，同時對傳輸速率總和這一定量指標進行了仿真試驗。圖3給出了不同方法的傳輸速率總和的仿真結果。

如圖3所示，隨著信噪比的增加，三種方法的傳輸速率都呈現出增長的趨勢，但本文采用的混合波束設計方法較其他兩種方法有更高的傳輸速率總和。而從圖3（a）和圖3（b）的對比可以發現，當射頻鏈數目增加時，各方法傳輸速率總和增加幅度不大，這意味著在設備限制的實際情況下，該波束設計方法亦能提供較高的通信質量，從另一個側面驗證了該方法系統復雜度不高。

3.3量化方法

如圖4所示，在相同分辨率的情況下，本文采用的相角量化策略獲得的傳輸速率比直接量化方法得到的速率高，展現了該方法的有效性，這是因為直接量化方法是根據系統可實現的角度直接對得到的相角進行量化，這樣會造成較大的誤差，而本文的方法策略是在求解相角的過程中將所有可能的值帶入優化函數，找到最優的相角。此外在這兩種方法中，圖4也顯示了隨著分辨率的提高，傳輸速率總和增大的結果，驗證了分辨率越高傳輸速率越高的結論。

4結論

在本文的研究中，研究重點考慮了無人機基站多波束覆蓋背景，針對傳統的多波束覆蓋場景下硬件成本和系統復雜度較高的問題，本文從多用戶場景下的混合波束成形結構入手，基于多波束總體頻譜效率最大化問題對波束進行設計優化，對比了不同波束設計方法，試驗表明本文提出的面向多波束場景下的混合預編碼算法產生的波束能獲得更高的傳輸速率總和，并且針對實際中有限分辨率移相器的限制，提出的改進的相角量化方法相較于經典的直接量化相角方法得到的波束具有更高的傳輸速率，為未來無人機毫米波基站多波束覆蓋的研究應用中提供了一定的參考意義。

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（責任編輯王為）

作者簡介

王磊（1995-）男，碩士。主要研究方向：無人機毫米波通信。

Tel：15651018770E-mail：wangleinuaa@nuaa.edu.cn

顧勇（1996-）男，碩士。主要研究方向：毫米波波束搜索與人工智能等。

Tel：18795992020E-mail：1475510462@qq.com

仲偉志（1980-）女，副教授。主要研究方向：毫米波通信與MIMO技術等。

Tel：13951976651E-mail：zhongwz@nuaa.edu.cn

李鵬輝（1996-）男，碩士。主要研究方向：波束跟蹤。

Tel：15852929506

E-mail：2846745479@qq.com

朱秋明（1979-）男，副教授。主要研究方向：電波傳播環境測試、航空數據鏈技術等。

Tel：13913949577E-mail：zhuqiuming@nuaa.edu.cn

Multi-Beam Optimization Design for UAV Millimeter Wave Base Stations

Wang Lei*，Gu Yong，Zhong Weizhi，Li Penghui，Zhu Qiuming

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： In order to ensure the communication capacity in the multi-beam coverage area of the UAV millimeter wave base station and reduce the hardware cost and system complexity， a beam optimization design method based on a hybrid beamforming structure is proposed. This method starts with the structure of the multi-beam hybrid forming system， and then designs the digital precoder and the RF phase-shifted precoder based on the problem of maximizing the overall spectral efficiency of the multibeam to achieve the goal of reducing the number of system RF chains. Simulation experiments show that the beam design method can achieve better beam gain while reducing system complexity， thereby improving the communication quality of users in the target coverage area of the UAV.

Key Words： UAV base station； millimeter wave； beam coverage； beam design