0 引言

    近幾年來(lái)我國(guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施強(qiáng)度加大，這也使水上交通更加頻繁。在進(jìn)行海事安全管理過程中，安全事故的出現(xiàn)概率相對(duì)較高，相關(guān)部門也提升了對(duì)于海事監(jiān)督管理工作的重視程度^[1]。無(wú)人機(jī)具有較強(qiáng)的靈活性、續(xù)航性和較廣的覆蓋面積，能夠在較為廣闊的水域進(jìn)行實(shí)施監(jiān)督，為海事工作的有效進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

    5G關(guān)鍵技術(shù)——超密集組網(wǎng)(Ultra-Dense Network，UDN)可以在一定程度通過快速資源調(diào)度來(lái)提高系統(tǒng)無(wú)線資源利用率和頻譜效率，但同時(shí)也帶來(lái)了系統(tǒng)干擾和信令負(fù)荷加劇等問題^[2]。因此，為了解決嚴(yán)重的干擾和頻繁切換帶來(lái)的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的以基站為中心發(fā)展到以用戶為中心^[3]。較之基于傳統(tǒng)地面基站的用戶為中心網(wǎng)絡(luò)，用戶為中心的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究仍然在起步階段。文獻(xiàn)[4]和[5]的研究工作主要在用戶為中心的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和移動(dòng)性增強(qiáng)的方面。其中，文獻(xiàn)[4]首先提出基于本地錨點(diǎn)的雙鏈接體系結(jié)構(gòu)，使用戶為中心的服務(wù)能夠跟隨每個(gè)用戶移動(dòng)。文獻(xiàn)[5]定義了一種以用戶為中心的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為每個(gè)用戶構(gòu)建一個(gè)動(dòng)態(tài)基站組，從而無(wú)縫地為每個(gè)用戶提供服務(wù)，保證用戶始終如一的服務(wù)體驗(yàn)。

    以用戶為中心(User-Centric Network，UCN)的新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向^[6]。在UCN網(wǎng)絡(luò)中，典型用戶可以根據(jù)自己的需求挑選網(wǎng)絡(luò)資源，形成虛擬小區(qū)網(wǎng)絡(luò)。通過使用UCN服務(wù)，用戶可以按需挑選網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)創(chuàng)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，從而成為自己的服務(wù)提供商。考慮用戶為中心網(wǎng)絡(luò)寬波束場(chǎng)景，用戶選取周圍站點(diǎn)組成潛在服務(wù)群組為其進(jìn)行多小區(qū)聯(lián)合寬波束傳輸。隨著用戶的移動(dòng)，用戶的潛在服務(wù)群組不斷動(dòng)態(tài)更新，小區(qū)邊緣用戶的覆蓋和吞吐量嚴(yán)重下降問題得到解決。

    當(dāng)無(wú)人機(jī)通信數(shù)據(jù)量較大時(shí)，需要較大的帶寬進(jìn)行通信，毫米波技術(shù)可以滿足無(wú)人機(jī)進(jìn)行超高速的數(shù)據(jù)傳輸。然而，由于毫米波頻段的路徑損耗嚴(yán)重，通信距離受限。為了提高毫米波頻段的通信距離，窄波束聚集了傳輸能量實(shí)現(xiàn)方向性通信。地面基站和用戶之間的波束對(duì)準(zhǔn)、波束跟蹤和鏈路中斷后的快速波束恢復(fù)，成為近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)^[7]，目標(biāo)在于設(shè)計(jì)新的波束對(duì)準(zhǔn)、跟蹤和快速波束恢復(fù)算法，從而減少用戶和基站之間波束對(duì)準(zhǔn)的時(shí)延、信令開銷和波束選擇的復(fù)雜度，而無(wú)人機(jī)站點(diǎn)具有移動(dòng)性，通過波束掃描進(jìn)行快速波束對(duì)準(zhǔn)將更加頻繁。此外，若無(wú)人機(jī)和用戶側(cè)都使用面陣天線(Uniform Planar Array，UPA)時(shí)，相對(duì)于使用線性天線陣列(Uniform Linear Array，ULA)，波束對(duì)準(zhǔn)和波束跟蹤方法將更加復(fù)雜^[8]。

    事實(shí)上，基于IEEE 802.11ad/ay的無(wú)線局域網(wǎng)已經(jīng)具備毫米波頻段使用面陣天線，支持點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的相關(guān)設(shè)計(jì)，這兩種無(wú)線局域網(wǎng)的波束管理機(jī)制也同樣適用于無(wú)人機(jī)之間以及無(wú)人機(jī)與地面用戶之間的場(chǎng)景。基于IEEE 802.11ay協(xié)議中的波束管理機(jī)制，無(wú)人機(jī)站點(diǎn)群組與地面用戶通過波束掃描選擇最佳波束對(duì)作為服務(wù)波束對(duì)。隨著無(wú)人機(jī)和地面用戶的移動(dòng)，若服務(wù)波束對(duì)無(wú)法滿足鏈路性能要求，即對(duì)服務(wù)波束對(duì)進(jìn)行波束跟蹤。由波束偏移角度和波束主瓣寬度確定需要跟蹤的波束對(duì)范圍，驗(yàn)證以服務(wù)波束對(duì)為中心的圓形區(qū)域中的所有波束對(duì)的鏈路性能是否滿足要求。

    本文構(gòu)建了用戶為中心的無(wú)人機(jī)基站群組網(wǎng)，為船舶編隊(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)，并結(jié)合無(wú)人機(jī)基站的移動(dòng)性、信道變化的復(fù)雜性以及無(wú)人機(jī)基站的能源限制，給出適合該場(chǎng)景的用戶初始接入方案設(shè)計(jì)，包括波束掃描流程與算法設(shè)計(jì)，并針對(duì)波束信令開銷進(jìn)行計(jì)算和性能仿真。

1 系統(tǒng)模型

1.1 組網(wǎng)架構(gòu)

    假設(shè)每個(gè)旋翼無(wú)人機(jī)支持多波束，與附近的無(wú)人機(jī)建立方向性波束鏈路，為了提供較高速率的無(wú)線回傳鏈路，無(wú)人機(jī)基站群組中的一個(gè)無(wú)人機(jī)作為數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)回傳到地面基站(該無(wú)人機(jī)可視為無(wú)人機(jī)基站群組的控制中心)，該無(wú)人機(jī)與地面基站的回傳鏈路仍為方向性波束，如圖1所示。

    考慮到在實(shí)際場(chǎng)景（如補(bǔ)盲場(chǎng)景）中地面基站的數(shù)目較少，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本文只分析如下場(chǎng)景：

1.2 波束模式模型

    毫米波天線為面陣天線，為了覆蓋到所有的方向，可以布置兩個(gè)毫米波天線面陣分別位于無(wú)人機(jī)的上下方，地面的站點(diǎn)和用戶同樣采用毫米波天線面陣進(jìn)行波束對(duì)的掃描跟蹤，本文在用戶側(cè)采用的發(fā)送接收模式如圖2所示。

    用戶側(cè)可以裝配多個(gè)面陣天線，包括以下3種工作方式：

    (1)一次只有一個(gè)面陣被激活，且面板轉(zhuǎn)換的時(shí)延為毫秒級(jí)；

    (2)一次有多個(gè)面陣被激活，但一次只有一個(gè)面陣用于數(shù)據(jù)傳輸；

    (3)一次有多個(gè)面陣被激活且可以用于數(shù)據(jù)傳輸。如圖1所示，本文中考慮用戶側(cè)有兩個(gè)面陣可以同時(shí)被激活，但只有一個(gè)被用于數(shù)據(jù)傳輸。

    無(wú)人機(jī)之間及無(wú)人機(jī)與地面用戶、地面基站之間的波束采用理想的天線模型建模，歸一化的波束賦形增益為：

1.3 信道模型

    用戶接收功率表達(dá)式為：

其中，d為接收端和發(fā)送端之間的距離，P_t為發(fā)射功率，G_t為發(fā)送端波束賦形增益，G_r為接收端波束賦形增益，λ為波長(zhǎng)，α為路徑損耗指數(shù)。

    若服務(wù)波束對(duì)來(lái)自UAV_i，則無(wú)人機(jī)基站群組中其他無(wú)人機(jī)基站的波束對(duì)對(duì)于該用戶均屬于干擾，用戶側(cè)信干噪比為：

其中，B為波束帶寬，N₀為功率譜密度。

2 用戶初始接入無(wú)人機(jī)基站群組機(jī)制

    假設(shè)無(wú)人機(jī)基站群組處于巡航狀態(tài)，需要考慮用戶為中心網(wǎng)絡(luò)下地面用戶初始接入的無(wú)人機(jī)基站群組方式的變化。考慮無(wú)人機(jī)基站的移動(dòng)性、信道變化的復(fù)雜性及無(wú)人機(jī)基站的能源限制，給出適合該場(chǎng)景的用戶初始接入方案設(shè)計(jì)，包括波束掃描流程與算法設(shè)計(jì)、波束信令開銷計(jì)算和性能仿真。

    在傳統(tǒng)初始波束掃描方案中，主要存在以下缺陷：

    (1)用戶側(cè)只與無(wú)人機(jī)群組中的一個(gè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行波束對(duì)連接，若該鏈路中斷或性能低于要求，缺少快速波束恢復(fù)的設(shè)計(jì)；

    (2)依據(jù)波束偏移角度和波束主瓣寬度確定波束跟蹤范圍，需要驗(yàn)證服務(wù)波束對(duì)周圍的所有波束對(duì)的鏈路性能，造成不必要的波束跟蹤開銷；

    (3)考慮到毫米波無(wú)人機(jī)站點(diǎn)群組被部署在天空，無(wú)人機(jī)之間及無(wú)人機(jī)與地面用戶之間的相對(duì)位置變化頻繁，這就需要無(wú)人機(jī)之間及無(wú)人機(jī)和地面用戶之間頻繁的波束跟蹤以確保實(shí)時(shí)波束對(duì)準(zhǔn)，從而提供可靠的、超高速的無(wú)線傳輸。

    此外，無(wú)人機(jī)的使用壽命受電池的限制，較高頻率的波束訓(xùn)練可能會(huì)浪費(fèi)寶貴的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)會(huì)。

    本節(jié)將具體闡述地面用戶和無(wú)人機(jī)基站群組之間的初始接入機(jī)制，先按步驟說(shuō)明用戶初始接入的整體流程，再給出簡(jiǎn)潔易懂的算法設(shè)計(jì)。

2.1 初始接入流程

    無(wú)人機(jī)基站群組和地面用戶的初始接入方法主要分為以下兩個(gè)部分：

    (1)快速波束掃描階段

    ①波束掃描為上行波束管理過程；

    ②波束掃描為半周期性，在波束掃描周期內(nèi)若出現(xiàn)波束跟蹤和波束恢復(fù)無(wú)法滿足波束鏈路性能，則觸發(fā)下一次波束掃描；

    ③由于無(wú)人機(jī)的部署可能不在同一高度及存在較復(fù)雜的信道變化，優(yōu)先考慮保證波束連接的穩(wěn)定性和連續(xù)性，再考慮波束鏈路性能；

    ④在保證波束鏈路性能的前提下，盡可能減少無(wú)人機(jī)波束掃描的信令開銷和能量開銷。

    (2)波束備份階段

    由于無(wú)人機(jī)基站的移動(dòng)性導(dǎo)致服務(wù)波束鏈路容易發(fā)生中斷，用戶側(cè)具有兩個(gè)天線面陣，其中一個(gè)天線面陣的波束對(duì)可以作為備份波束，從而在發(fā)生鏈路中斷后進(jìn)行快速波束恢復(fù)。

    ①步驟1：初次波束掃描搜索過程

    基于天線面陣的結(jié)構(gòu)，每隔固定的距離選擇天線陣子，發(fā)送上行波束進(jìn)行初次波束掃描。如圖3所示，假設(shè){#beamUE，2；#beamUE，5；#beamUE，8；#beamUE，10；#beamUE，13；#beamUE，17；#beamUE，20；#beamUE，24；#beamUE,27}是用戶側(cè)一塊天線陣列面板的初次波束掃描的集合，無(wú)人機(jī)基站群組進(jìn)行接收波束掃描。

    ②步驟2：鏈路性能判決過程

    給定兩個(gè)SINR界限η₁和η₂(η₂>η₁)，若初次波束掃描的信干噪比均低于η₁，則重新選擇一組初次波束掃描的集合；若初次波束掃描的信干噪比存在大于η₁的波束對(duì)，則進(jìn)行步驟3的二次波束掃描搜索過程。

    ③步驟3：二次波束掃描搜索過程

    第二次波束掃描則從初次波束掃描的性能最佳波束附近進(jìn)行，如圖3所示，若初次波束掃描的最佳波束為24，第二次需要掃描{#beamUE，15 #beamUE，23 #beamUE，25}，最佳性能波束在第二次掃描的波束對(duì)和初次掃描所得波束中比較選擇。

    ④步驟4：鏈路性能判決過程

    若此次波束掃描的波束對(duì)性能均低于η₂，則重新進(jìn)行步驟1的初次波束掃描過程；若此次波束掃描的性能最佳波束對(duì)的信干噪比性能大于η₂，則將鏈路性能最佳波束對(duì)作為服務(wù)波束對(duì)。

    ⑤步驟5：波束備份過程

    由于假設(shè)用戶側(cè)具有兩個(gè)獨(dú)立的天線面陣，兩個(gè)天線面陣經(jīng)過如上分層的波束掃描過程選擇了各自的最佳性能波束對(duì)后，經(jīng)過比較將該用戶的信干噪比最佳波束對(duì)作為服務(wù)波束對(duì)，另外一個(gè)天線面陣的性能最佳波束對(duì)則作為備份波束對(duì)。

2.2 算法設(shè)計(jì)

    相應(yīng)的快速波束掃描算法(Fast Beam Sweeping Algorithm)如下：

    (1) 用戶的天線面陣進(jìn)行上行初次波束掃描，選擇每隔一定距離的天線陣子進(jìn)行初次波束掃描；

    (2) 無(wú)人機(jī)基站群組進(jìn)行接收波束掃落，測(cè)量各個(gè)波束對(duì)的信干噪比；

    (3) if 接收到的所有波束對(duì)的信干噪比值都小于η₁，then

    (4)  調(diào)整初次波束掃描的天線陣子，跳轉(zhuǎn)到步驟(1)；

    (5) else if 初次波束掃描中存在波束對(duì)的信干噪比大于η₁，then

    (6)  進(jìn)行第二次波束掃描過程，第二次波束掃描的掃描范圍為初次波束掃描的性能最佳波束對(duì)附近，并測(cè)量各個(gè)波束對(duì)的信干噪比；

    (7)  if第二次波束掃描的所有波束對(duì)的信干噪比均低于η₂，then

    (8)    調(diào)整初次波束掃描的天線陣子，跳轉(zhuǎn)到步驟(1)；

    (9)  else if 在接收到的波束對(duì)中存在波束對(duì)的信干噪比大于等于η₂，then

    (10)    用戶的另一個(gè)天線面陣同樣經(jīng)歷這樣的過程，選出各自天線面陣信干噪比性能最佳的波束對(duì)，經(jīng)過比較將性能最佳的波束對(duì)作為服務(wù)波束對(duì)，性能次優(yōu)的波束對(duì)作為備份波束對(duì)；

    (11)  end if

    (12) end if

3 性能評(píng)估

3.1 信令開銷計(jì)算

    對(duì)于地面用戶和地面基站或者固定位置無(wú)人機(jī)基站通信的場(chǎng)景，地面用戶利用該天線面陣進(jìn)行初始接入過程中，首先考慮通過詳細(xì)的波束掃描選擇信干噪比最佳的波束對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此信令開銷與用戶側(cè)天線面陣的大小直接相關(guān)。

    基于地面用戶初始接入流程和算法設(shè)計(jì)，可以得到地面用戶初始接入無(wú)人機(jī)基站群組的波束信令開銷表達(dá)式為：

其中，M為天線面陣中天線陣子的數(shù)量，即在傳統(tǒng)方法中需要進(jìn)行波束掃描的波束對(duì)的數(shù)量；N₁為需要初次波束掃描的次數(shù)；N₂為需要二次波束掃描的次數(shù)。

    該公式為基于本文波束掃描算法的最少信令開銷，若天線面陣的形狀為矩形或正方形的長(zhǎng)和寬不滿足為3的倍數(shù)，波束掃描的信令開銷則隨之增多。

3.2 性能評(píng)估

    基于信令開銷計(jì)算方法，分別設(shè)置{N₁，N₂}={1，1}，{2，1}，{2，2}。當(dāng)基于天線面陣進(jìn)行波束掃描時(shí)，分別對(duì)本文提出的波束掃描機(jī)制以及傳統(tǒng)波束掃描機(jī)制進(jìn)行對(duì)比，相應(yīng)的初始接入信令開銷和天線面陣中天線陣子數(shù)目的變化關(guān)系如圖4所示。

    由圖4可以看出：

    (1)隨著天線面陣中天線陣子數(shù)目的增加，兩種機(jī)制的初始接入信令開銷均增加，相比于傳統(tǒng)的波束掃描方法，本文提出的快速波束掃描方法有效降低了初始接入信令開銷。

    隨著天線面陣中天線陣子數(shù)目的增多，兩種方法均需要更多的天線陣子進(jìn)行波束掃描，而本文提出的快速波束掃描方法利用空間相關(guān)性通過分層的波束掃描，即先進(jìn)行初次波束掃描再在初次掃描的信干噪比最佳波束對(duì)附近進(jìn)行第二次波束掃描選擇性能最佳波束對(duì)作為服務(wù)波束對(duì)，從而有效減少了初始接入信令開銷。但相比于傳統(tǒng)的波束掃描方法，本文的快速波束掃描方法選擇的可能不是所有波束對(duì)中性能最佳的波束對(duì)，對(duì)于無(wú)人機(jī)基站高速移動(dòng)的巡航場(chǎng)景，優(yōu)先考慮保證波束鏈路連接的穩(wěn)定性和連續(xù)性，再考慮鏈路性能，因此在波束鏈路的性能和信令能源開銷上需要一個(gè)折中方案。

    (2)由于波束掃描算法中限定了兩個(gè)信干噪比界限和，本文的快速波束掃描過程中選擇的天線陣子對(duì)應(yīng)的波束對(duì)信干噪比性能可能不滿足上述要求，因此需要考慮調(diào)整選擇的天線陣子位置、間隔和數(shù)量，多次進(jìn)行快速波束掃描過程，初始接入信令開銷有所增加，但仍然遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的波束掃描初始接入方法。

4 結(jié)論

    本文重點(diǎn)提出了5G場(chǎng)景下以用戶為中心的無(wú)人機(jī)基站服務(wù)船舶編隊(duì)的初始波束接入的策略設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了信令開銷性能評(píng)估。相比于傳統(tǒng)的波束掃描方法,本文提出的快速波束掃描方法利用空間相關(guān)性通過分層的波束掃描，有效減少了初始接入信令開銷。

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作者信息:

芒  戈1，朱雪田2，侯繼江3

（1.中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京102209；

2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京100048；3.中國(guó)電信股份有限公司，北京100033）