基于距離的無人機(jī)功率控制方案*

殷永旸 王良明 傅健

（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 南京 210094）

1 引言

“無人機(jī)”全稱為無人駕駛飛機(jī)，可由人通過無線電遙控遠(yuǎn)程操控，也可利用其自帶的機(jī)載計(jì)算機(jī)以及預(yù)設(shè)的程序完全自主飛行［1］。近幾年來，由于無線通信領(lǐng)域技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型電池的推廣使用，無人機(jī)行業(yè)得以蓬勃發(fā)展。5G 是為滿足不斷增長的移動(dòng)通信需求而發(fā)展的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G 所帶來的最大改變是同時(shí)實(shí)現(xiàn)人與人之間、人與物之間、物與物之間的通信，達(dá)到萬物互聯(lián)的美好愿景［2］。將5G 技術(shù)與無人機(jī)的結(jié)合，可以彌補(bǔ)無人機(jī)在時(shí)延和傳輸信號質(zhì)量等各方面產(chǎn)生的問題［3］。

對于傳統(tǒng)的功率控制方案考慮的公平性，希望控制小區(qū)內(nèi)的所有用戶的信噪比在同一個(gè)目標(biāo)值［4］。功率控制方案分為開環(huán)功率控制［5］和閉環(huán)功率控制［6］。開環(huán)功率控制方案相較于閉環(huán)控制方案，減少基站回復(fù)路徑損耗所帶來的信令開銷，是一種低復(fù)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(fā)射功率，較難實(shí)現(xiàn)，無法在實(shí)際中運(yùn)用。而分布式功率控制只要每個(gè)用戶的進(jìn)行各自的功率控制，實(shí)現(xiàn)較為簡單，也是目前研究的重點(diǎn)，并取得了大量的研究成果［10］。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化組織在R15 規(guī)范中規(guī)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(jī)用戶來說，飛行高度較高并距離主服務(wù)基站較遠(yuǎn)，會(huì)使鄰區(qū)的用戶業(yè)務(wù)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾［12］。為了滿足無人機(jī)以及其他地面終端需求，本文設(shè)計(jì)了一種針對無人機(jī)用戶的基于無人機(jī)與基站距離的功率控制方案。本方案是一種開環(huán)的分布式功率控制方案，可以有效地削弱無人機(jī)對于地面用戶的干擾，改善基站的整體通信質(zhì)量。

2 無人機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

無人機(jī)在各個(gè)垂直行業(yè)的應(yīng)用不斷豐富的同時(shí)，也給現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡(luò)帶來了新的挑戰(zhàn)，產(chǎn)生了新的問題，這些問題也在制約著無人機(jī)的發(fā)展。嚴(yán)重的地面用戶干擾就是制約無人機(jī)用戶和地面用戶共存的主要挑戰(zhàn)［13］。

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

圖1 無人機(jī)干擾示意

就下行通信而言，無人機(jī)系統(tǒng)還會(huì)收到除了主服務(wù)基站外的許多相鄰小區(qū)的下行信號，導(dǎo)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(jī)因?yàn)橄噍^于其他地面用戶所在的信道質(zhì)量較好，使得許多相鄰的地面基站受到影響，這會(huì)導(dǎo)致其他地面用戶的通信性能下降，從而使整體通信質(zhì)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(jī)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(shí)現(xiàn)。開環(huán)功率控制方案相較于閉環(huán)控制方案，減少基站回復(fù)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(qū)中用戶的信噪比達(dá)到一致，其公式如下：

式（1）中SINRtarget代表目標(biāo)信噪比，PSDTx代表終端發(fā)射功率，Iserving代表終端所在小區(qū)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(dá)到的最大發(fā)射功率。這種傳統(tǒng)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(biāo)信噪比一致，但是這種控制方法不適用于無人機(jī)用戶。

對于無人機(jī)而言距主服務(wù)基站的距離較遠(yuǎn)、高度較高會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)與其視距信道概率的增加，使得無人機(jī)用戶通信信號強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他地面用戶，給地面的其他用戶和基站帶來嚴(yán)重的干擾［15］。并且當(dāng)無人機(jī)的飛行距離越遠(yuǎn)，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(qū)的干擾程度也越大。所以當(dāng)使用傳統(tǒng)功率控制方法時(shí)，過大的無人機(jī)發(fā)射功率會(huì)使得整體的通信質(zhì)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(jī)的功率控制問題。公式可以改寫為

式（2）中β為補(bǔ)償因子，PL是用戶估計(jì)的信道路徑損耗。這里可以按照距主服務(wù)基站的距離的不同對無人機(jī)進(jìn)行分組，并且設(shè)置不同的β值，通過對于路徑補(bǔ)償因子的調(diào)整，來降低飛行距離較遠(yuǎn)的無人機(jī)的通信功率。根據(jù)文獻(xiàn)［16］的結(jié)論，對于距主服務(wù)基站的距離在50m 以內(nèi)的無人機(jī)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(yuǎn)基站用戶的分界點(diǎn)，將無人機(jī)按照距主服務(wù)基站的距離分成3 組，具體的分組方案如下：0～50m 的無人機(jī)與地面終端用戶采用相同的功率配置方案；50m～200m 的無人機(jī)采用較低功率配置方案，調(diào)小補(bǔ)償因子β；對于距離在200m以上的無人機(jī)采用低功率配置方案，繼續(xù)調(diào)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(yàn)證

4.1 仿真參數(shù)配置

對于基于距離的功率控制方案通過無人機(jī)5G通信仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，仿真場景和參數(shù)配置見表1。

表1 基于距離功率控制部分仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果與分析

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

在對照組中，地面終端用戶取β=0.8，無人機(jī)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(jī)用戶距離小于50m 時(shí)：β=0.8；小于200m時(shí)：β=0.76；大于200m時(shí)：β=0.74。

從表2 中可以看出對于不同距離的無人機(jī)調(diào)整補(bǔ)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(shí)也會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)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(jī)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(huì)造成無人機(jī)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(jī)用戶性能下降幅度較小，因此在無人機(jī)對地面用戶有強(qiáng)烈干擾的時(shí)候可以考慮本方案。

5 結(jié)語

本文針對無人機(jī)應(yīng)用中面臨的對于地面用戶的干擾關(guān)鍵問題進(jìn)行詳細(xì)分析，由于現(xiàn)在沒有適合無人機(jī)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(jī)功率控制方案。本方案為開環(huán)的分布式功率控制方案，相較于傳統(tǒng)功率控制方案增加了補(bǔ)償因子，并且根據(jù)無人機(jī)與基站距離不同，調(diào)整補(bǔ)償因子的值。通過仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，雖然無人機(jī)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(qū)整體的通信質(zhì)量得到了較大改善。本方案的應(yīng)用，可以有效地降低無人機(jī)用戶對于其他地面用戶的干擾，優(yōu)化整體通信質(zhì)量，從而可以滿足無人機(jī)在各個(gè)垂直行業(yè)的部署需要。