基于距離的無人機功率控制方案*

殷永旸 王良明 傅健

（南京理工大學能源與動力工程學院 南京 210094）

1 引言

“無人機”全稱為無人駕駛飛機，可由人通過無線電遙控遠程操控，也可利用其自帶的機載計算機以及預設的程序完全自主飛行［1］。近幾年來，由于無線通信領域技術的不斷進步，新型電池的推廣使用，無人機行業得以蓬勃發展。5G 是為滿足不斷增長的移動通信需求而發展的新一代移動通信系統，5G 所帶來的最大改變是同時實現人與人之間、人與物之間、物與物之間的通信，達到萬物互聯的美好愿景［2］。將5G 技術與無人機的結合，可以彌補無人機在時延和傳輸信號質量等各方面產生的問題［3］。

對于傳統的功率控制方案考慮的公平性，希望控制小區內的所有用戶的信噪比在同一個目標值［4］。功率控制方案分為開環功率控制［5］和閉環功率控制［6］。開環功率控制方案相較于閉環控制方案，減少基站回復路徑損耗所帶來的信令開銷，是一種低復雜度的控制方案，降低使用成本［7］。功率控制還可分為集中式［8］和分布式功率控制［9］兩種方案。集中式功率控制需集中控制所有用戶的發射功率，較難實現，無法在實際中運用。而分布式功率控制只要每個用戶的進行各自的功率控制，實現較為簡單，也是目前研究的重點，并取得了大量的研究成果［10］。3GPP 標準化組織在R15 規范中規定對于PUSCH采用部分功率控制方案［11］。

然而，不同于地面用戶，對于無人機用戶來說，飛行高度較高并距離主服務基站較遠，會使鄰區的用戶業務產生嚴重的干擾［12］。為了滿足無人機以及其他地面終端需求，本文設計了一種針對無人機用戶的基于無人機與基站距離的功率控制方案。本方案是一種開環的分布式功率控制方案，可以有效地削弱無人機對于地面用戶的干擾，改善基站的整體通信質量。

2 無人機面臨的挑戰

無人機在各個垂直行業的應用不斷豐富的同時，也給現有的無線通信網絡帶來了新的挑戰，產生了新的問題，這些問題也在制約著無人機的發展。嚴重的地面用戶干擾就是制約無人機用戶和地面用戶共存的主要挑戰［13］。

對于大多數無人機而言，其基本上位于200m以下的空中，四周較為空曠。無人機和地面基站之間主要是視距通信，使之相較于地面用戶設備，受到的干擾更大，如圖1所示。

圖1 無人機干擾示意

就下行通信而言，無人機系統還會收到除了主服務基站外的許多相鄰小區的下行信號，導致糟糕的下行鏈路性能［14］。另一方面，上行通信場景中，無人機因為相較于其他地面用戶所在的信道質量較好，使得許多相鄰的地面基站受到影響，這會導致其他地面用戶的通信性能下降，從而使整體通信質量的惡化。因此，需要對于地面用戶干擾采取有效的抑制措施。

3 針對無人機的5G解決方案

對于其他地面用戶干擾抑制，可以通過功率控制方案來實現。開環功率控制方案相較于閉環控制方案，減少基站回復路徑損耗所帶來的信令開銷，過程較為簡單。早先的功率控制是讓小區中用戶的信噪比達到一致，其公式如下：

式（1）中SINRtarget代表目標信噪比，PSDTx代表終端發射功率，Iserving代表終端所在小區的干擾功率，PLserving代表基站與終端之間的信道路徑損耗功率，PSDmax代表終端所能達到的最大發射功率。這種傳統的功率控制方法主要針對的是普通地面用戶和基站之間的通信，其目的也是使得目標信噪比一致，但是這種控制方法不適用于無人機用戶。

對于無人機而言距主服務基站的距離較遠、高度較高會導致無人機與其視距信道概率的增加，使得無人機用戶通信信號強度遠大于其他地面用戶，給地面的其他用戶和基站帶來嚴重的干擾［15］。并且當無人機的飛行距離越遠，其與其他地面基站信道為視距信道的概率也越大，對于鄰區的干擾程度也越大。所以當使用傳統功率控制方法時，過大的無人機發射功率會使得整體的通信質量下降。為了削弱這些干擾帶來的影響，本文采用基于距離分組的功率控制方案來針對性的解決無人機的功率控制問題。公式可以改寫為

式（2）中β為補償因子，PL是用戶估計的信道路徑損耗。這里可以按照距主服務基站的距離的不同對無人機進行分組，并且設置不同的β值，通過對于路徑補償因子的調整，來降低飛行距離較遠的無人機的通信功率。根據文獻［16］的結論，對于距主服務基站的距離在50m 以內的無人機可以按照地面上的用戶終端處理。并將200m作為近基站用戶和遠基站用戶的分界點，將無人機按照距主服務基站的距離分成3 組，具體的分組方案如下：0～50m 的無人機與地面終端用戶采用相同的功率配置方案；50m～200m 的無人機采用較低功率配置方案，調小補償因子β；對于距離在200m以上的無人機采用低功率配置方案，繼續調小β的值。基于距離的功率控制方案流程如圖2所示。

圖2 基于距離的功率控制流程

4 仿真驗證

4.1 仿真參數配置

對于基于距離的功率控制方案通過無人機5G通信仿真平臺進行仿真分析，仿真場景和參數配置見表1。

表1 基于距離功率控制部分仿真參數

4.2 仿真結果與分析

對于β的具體取值需要綜合考慮無人機的實際部署情況和環境影響，這里給出了一組參考取值并給出了結果對比分析。

在對照組中，地面終端用戶取β=0.8，無人機用戶也取β=0.8。

在采用距離分組的功率控制分組中，地面終端用戶取β=0.8，無人機用戶距離小于50m 時：β=0.8；小于200m時：β=0.76；大于200m時：β=0.74。

從表2 中可以看出對于不同距離的無人機調整補償因子β的大小，使得其他地面終端用戶的通信速率提高，但是同時也會導致無人機的通信速率的降低。對于功率控制組地面終端的邊緣用戶可以獲得22%的性能增益，50%的終端獲得41%的性能增益，平均用戶吞吐量獲得21%性能增益。對于無人機用戶的功率控制方案中，邊緣用戶造成7%的性能下降，50%的終端造成6%的性能下降，平均用戶吞吐量有4%的下降。

表2 基于距離的功率控制通信速（Mbps）

這種以距離分類的功率控制方案雖然會造成無人機用戶的性能下降，但是相較于地面終端用戶的性能大幅提升，無人機用戶性能下降幅度較小，因此在無人機對地面用戶有強烈干擾的時候可以考慮本方案。

5 結語

本文針對無人機應用中面臨的對于地面用戶的干擾關鍵問題進行詳細分析，由于現在沒有適合無人機的功率控制方案，針對性地提出了一種基于距離分組的無人機功率控制方案。本方案為開環的分布式功率控制方案，相較于傳統功率控制方案增加了補償因子，并且根據無人機與基站距離不同，調整補償因子的值。通過仿真實驗的結果可以看出，雖然無人機用戶的性能相較于之前有一些下降，但是其他的地面用戶性能均有較大的提升，使得小區整體的通信質量得到了較大改善。本方案的應用，可以有效地降低無人機用戶對于其他地面用戶的干擾，優化整體通信質量，從而可以滿足無人機在各個垂直行業的部署需要。