空天地海一體化網(wǎng)絡中的高能效頻譜共享方法

李俊峰 劉承驍 馮偉 葛寧

【摘 ?要】

空天地海一體化是后5G時代網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢，是支撐偏遠地區(qū)、近海等區(qū)域寬帶信息覆蓋的重要手段，其中各子系統(tǒng)共享頻譜會引入同頻干擾，降低協(xié)同覆蓋性能。為此，考慮無人機編隊和衛(wèi)星系統(tǒng)的頻譜共享問題，研究高能效資源分配技術，基于隨機矩陣理論和分塊坐標下降方法，提出功率和頻譜資源的聯(lián)合分配算法。仿真結果表明，所提算法可有效保證頻譜共享性能，提升無人機編隊通信的能量效率。

【關鍵詞】空天地海一體化網(wǎng)絡;頻譜共享;無人機編隊;資源分配;能量效率

0 ? 引言

隨著5G的全球商用，移動通信網(wǎng)絡進入新的發(fā)展階段。與3G、4G網(wǎng)絡不同，5G支持高可靠、低時延、大連接等新型業(yè)務，在服務人的通信需求的同時，可有效服務物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的傳感器、操作手、智能體等。新的服務對象常常超出人的常規(guī)活動范圍，分布在偏遠地區(qū)或近海等區(qū)域，如運油管線監(jiān)控節(jié)點、海上探測浮標、海上鉆井平臺控制器等。但當前網(wǎng)絡仍以城區(qū)、部分郊區(qū)等區(qū)域的覆蓋為主，偏遠地區(qū)和近海區(qū)域仍普遍缺乏寬帶、高質(zhì)量的通信服務。如何消除數(shù)字鴻溝，使得網(wǎng)絡能夠有效服務可能在全球范圍廣域分布的通信對象，是推動5G與垂直行業(yè)深度融合，并牽引未來6G發(fā)展的重要問題。

空天地海一體化網(wǎng)絡是未來6G的可能形態(tài)。綜合運用衛(wèi)星、無人機、地面網(wǎng)絡等設施立體協(xié)同地高效覆蓋全球區(qū)域是空天地海一體化網(wǎng)絡的關鍵[1]。衛(wèi)星覆蓋范圍大，但往往通信速率有限，通信時延較大;無人機可以機動部署，但是續(xù)航能力有限，也往往難以在極端天氣條件下部署;地面網(wǎng)絡可以直接沿用5G新技術，但是在偏遠地區(qū)和近海等區(qū)域網(wǎng)絡設施部署受限。因此，一體化網(wǎng)絡設計應充分考慮不同子系統(tǒng)的優(yōu)劣勢，因地制宜，以開放、彈性的總體網(wǎng)絡架構兼收并蓄各個子系統(tǒng)的優(yōu)勢，形成網(wǎng)絡覆蓋的合力[1]。為實現(xiàn)一體化組網(wǎng)，首先需要解決的是頻譜使用問題。在頻譜受限條件下，靈活地共享頻譜是必由之路。

針對單個無人機的一體化網(wǎng)絡簡單場景，文獻[2]考慮無人機與地面基站的多點協(xié)作模型，通過優(yōu)化發(fā)射功率，提升地面用戶的服務性能，并降低對衛(wèi)星系統(tǒng)的同頻干擾。文獻[3]考慮近海場景，在無人機對衛(wèi)星的干擾約束下，優(yōu)化無人機飛行軌跡和資源分配策略，實現(xiàn)無人機對目標船只的伴隨覆蓋。為了規(guī)避一體化網(wǎng)絡的同頻干擾，文獻[4]嘗試采用自由空間光通信建立衛(wèi)星與無人機的空中鏈路，而無人機與地面用戶的傳輸鏈路采用微波頻段通信。這些研究為一體化網(wǎng)絡設計奠定了重要基礎。但是單個無人機往往載荷受限，因此以多個無人機構成無人機編隊是提升網(wǎng)絡機動覆蓋能力的可行途徑。文獻[5]考慮兩個無人機協(xié)作轉發(fā)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的方案，實現(xiàn)災后地區(qū)通信網(wǎng)絡的快速重建。文獻[6]考慮使用多個無人機構成空中多小區(qū)，通過優(yōu)化調(diào)整無人機發(fā)射功率，提升無人機編隊通信的能量效率。由于空間分布更廣，無人機編隊在一體化網(wǎng)絡中的頻譜共享會帶來更復雜的同頻干擾，這是現(xiàn)有研究尚未有效解決的問題。

本文考慮無人機編隊與衛(wèi)星共享頻譜的一體化網(wǎng)絡場景，研究無人機載荷約束下，無人機編隊功率和頻域子信道的聯(lián)合分配問題，從而滿足無人機編隊對衛(wèi)星系統(tǒng)的干擾約束，并最大化無人機編隊的通信能量效率。本文特色在于：第一，僅僅基于緩慢變化的大尺度信道信息進行資源分配優(yōu)化設計，從而顯著降低系統(tǒng)開銷;第二，所提出的迭代資源分配方法借助隨機矩陣理論和分塊坐標下降方法，計算簡便，并可以快速收斂，適于工程應用。

1 ? 系統(tǒng)模型

如圖1所示，考慮近海區(qū)域的空天地海一體化網(wǎng)絡。其中岸基基站覆蓋近海百公里以內(nèi)的區(qū)域;海事衛(wèi)星全域覆蓋，但以遠海用戶為主;無人機編隊以按需方式部署，填補岸基網(wǎng)絡的寬帶覆蓋盲區(qū)[1]。無人機編隊往往在大范圍內(nèi)隨機移動，衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋范圍也很大，這使得無論衛(wèi)星還是無人機編隊，如果獨占一段頻譜，則該段頻譜在全網(wǎng)無法被有效復用。因此，考慮無人機編隊和衛(wèi)星共享頻譜的場景[7]。

3 ? 仿真驗證與討論

考慮可用子信道數(shù)目為N=6，噪聲功率σ2=-107 dBm。信道參數(shù)設置為：ηLOS=0.1，ηNLOS=21，a=5.018 8，b=0.351 1，c=3×108 m/s，f=2 GHz[8]。關于能耗參數(shù)設置為：c0=2.63，ηk=0.08[6]，Phover=800 W，Na=6。

仿真結果表明，利用經(jīng)典線性規(guī)劃工具求解優(yōu)化問題5可以得到滿足離散約束的優(yōu)化問題3的最優(yōu)解。同時，所提算法僅需要2次迭代就能收斂，適于軟硬件受限條件下的工程應用。

為對比性能，考慮子信道分配的KM算法[10]和輪詢算法、本文算法1、以及等功率分配方法[6]等多種算法的組合。在Pb=-100 dBm，K=3條件下，得到圖2。從仿真結果可以看出，在均使用迭代功率分配算法的條件下，本文算法與能夠得到最優(yōu)匹配方案的KM算法具有幾乎相同的性能，同時其性能遠好于輪詢算法。除此之外，本文提出的算法由于使用了迭代功率分配，性能遠好于其他使用等功率分配的方法。這一結果表明，基于大尺度信道信息的子信道和功率聯(lián)合分配算法對于一體化網(wǎng)絡中無人機編隊能量效率提升均具有顯著作用。

在N=5，Pk=1 W條件下，考慮系統(tǒng)總能效隨無人機編隊高度和干擾門限Pb的變化關系，如圖3所示。可以看出，隨著無人機編隊平均高度的增加，系統(tǒng)總能量效率先升后降。在高度較低時，無人機通信的俯仰角對信道衰減起主要作用，系統(tǒng)能效隨高度升高而減小;而在高度較高時，由遠距離傳輸引發(fā)的自由空間路徑損耗的影響更大，使得信道衰減隨高度升高而增大，能量效率也會隨之降低。此外，從曲線中還可以看出，無人機編隊的最佳高度會隨著干擾門限的變化而變化，這說明在實際應用中，需要綜合考慮各要素設計無人機飛行高度等網(wǎng)絡參數(shù)。

4 ? 結束語

本文考慮空天地海一體化網(wǎng)絡中無人機編隊與衛(wèi)星共享頻譜的資源分配問題?；诼兇蟪叨刃诺佬畔ⅲ岢隽斯β?子信道聯(lián)合分配算法?？稍跐M足同頻干擾約束下，顯著提升無人機編隊通信的能量效率。

參考文獻：

[1] LI X， FENG W， WANG J， et al. Enabling 5G on the ocean： a hybrid satellite-UAV-terrestrial network solution[J]. IEEE Wireless Communications， 2020.

[2] HUA M， WANG Y， LIN M， et al. Joint CoMP transmission for UAV-aided cognitive satellite terrestrial networks[J]. IEEE Access， 2019（7）： 14959-14968.

[3] LI X， FENG W， CHEN Y， et al. Maritime coverage enhancement using UAVs coordinated with hybrid satellite-terrestrial networks[J]. IEEE Transactions on Communications， 2020（68）： 2355-2369.

[4] KONG H， LIN M， ZHU W， et al. Multiuser scheduling for asymmetric FSO/RF links in satellite-UAV-terrestrial networks[J]. IEEE Wireless Communications Letters， 2020（9）： 1235-1239.