5G無人機應(yīng)用中的毫米波波束管理問題研究

張愷嘉，楊瑞峰，郭開陽，侯 杰

（1.國網(wǎng)山西省電力公司繁峙縣供電公司，山西 繁峙 034300；2.國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西 忻州 034099）

0 引言

無人駕駛航空器(UAV）簡稱無人機，目前已經(jīng)成為商業(yè)、公共服務(wù)和個人消費應(yīng)用的重要工具，經(jīng)過了近十多年的發(fā)展，其市場有了非常明顯的增長，是目前的信息產(chǎn)業(yè)。無人機可以廣泛應(yīng)用于電力、農(nóng)業(yè)、運輸、天然氣、石油、醫(yī)療衛(wèi)生和公共事業(yè)服務(wù)等領(lǐng)域。對于無人機而言，高速度、超高可靠、低時延是其三大特性，為了保證無人機的飛行安全，無疑5G移動網(wǎng)絡(luò)是其最佳的通信解決方案。

第五代移動通信(5th Generation Mobile Communi cation，5G）技術(shù)目前已經(jīng)商用，5G已成為實現(xiàn)高速度、超高可靠性、低時延和海量機器類通信的最佳通信方案。為了更好地滿足超高速率、海量連接和超低時延的需求，各大研究機構(gòu)及專業(yè)人士都在爭相努力為5G網(wǎng)絡(luò)的更好發(fā)展添磚加瓦。一些新興的應(yīng)用場景也對5G網(wǎng)絡(luò)提出了挑戰(zhàn)。目前5G商用的是6 GHz以下的中低頻段，隨著中低頻段利用率越來越高，對于人工智能、高清視頻、云服務(wù)等數(shù)據(jù)流量爆炸式增長的應(yīng)用而言，可能需要更多的流量資源和更好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量來滿足其應(yīng)用服務(wù)的需求。相比中低頻段而言，開發(fā)和使用6 ZGHz以上的毫米波頻段將提供更多額外的帶寬資源，進(jìn)而解決擁擠堵塞的問題。雖然毫米波優(yōu)勢明顯，但也面臨著若干挑戰(zhàn)：第一，衰減嚴(yán)重，隨著電磁波頻率的不斷增加，傳輸需要經(jīng)歷的路徑損耗也會變得越來越大，很明顯毫米波的損耗要比5G中低頻段高很多；第二，穿透、繞射能力差，相比FR1頻段，毫米波對應(yīng)的FR2頻段對于障礙物的繞行能力較弱。歸納以上兩點可以發(fā)現(xiàn)毫米波面臨的首要問題就是持續(xù)有效的覆蓋問題，波束賦形就是為了解決這一問題而誕生的。5G NR中的波束管理包括波束的掃描、測量、確認(rèn)、上報以及失敗恢復(fù)5個部分。本文首先對無人機應(yīng)用場景及通信能力進(jìn)行闡述，其次對毫米波段的NR系統(tǒng)中的波束管理過程進(jìn)行闡述，最后對無人機應(yīng)用中面臨的波束管理難題及解決方案進(jìn)行探討。

1 無人機通信能力要求

1.1 無人機應(yīng)用場景

無人機是利用無線遙控和程序控制的不載人飛機。其涉及傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、信息處理技術(shù)、智能控制技術(shù)以及航空動力推進(jìn)技術(shù)等，是信息時代高技術(shù)含量的產(chǎn)物。無人機價值在于形成空中平臺，結(jié)合其他部件擴展應(yīng)用，替代人類完成空中作業(yè)［1］。目前無人機應(yīng)用在以下幾個領(lǐng)域中優(yōu)勢突出，且經(jīng)濟(jì)增長點較快。分別是：物流運輸、農(nóng)業(yè)植保、巡檢、安防、救援、測繪、直播、多機編隊飛行、未來云端AI自主飛行等。每種應(yīng)用場景對無人機通信能力的要求側(cè)重點都有所不同，但都對通信能力都有一些共性的需求。下面對無人機應(yīng)用場景中通信能力的基本要求做闡述。

1.2 無人機應(yīng)用場景對通信能力的基本要求

對于無人機而言，高速度、超高可靠、低時延是其三大特性。從通信能力指標(biāo)來看，主要有以下幾個方面的要求。

(1）上下行速率要求：對于不同的應(yīng)用場景，上行速率的要求在200 kbp~100 Mbps。下行速率的要求在300 kbp~50 Mbps。

(2）業(yè)務(wù)面端到端時延要求：對于不同的應(yīng)用場景至少要保證在20~500 ms。

(3）控制面端到端時延要求：對于不同的應(yīng)用場景至少要保證在10~100 ms。

(4）定位精準(zhǔn)度要求：不同的應(yīng)用場景下，至少要保證在0.5~1 m。

(5）覆蓋高度要求：不同的應(yīng)用場景下，至少要保證在100 m以上。

(6）覆蓋范圍要求：農(nóng)村，城市、無人區(qū)等。

綜上所述，從無人機對通信能力的要求可以看出，目前的5G通信技術(shù)是無人機應(yīng)用場景的通信最佳方案。5G網(wǎng)聯(lián)無人機的無人機終端和地面控制終端均通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸，并通過業(yè)務(wù)服務(wù)器加載各類場景的應(yīng)用［2］。如圖1所示為5G聯(lián)網(wǎng)無人機整體解決方案。

圖1 5G網(wǎng)聯(lián)無人機整體解決方案

2 5G NR中的波束管理流程

Massive MIMO是5G NR的一項關(guān)鍵技術(shù)，5G NR中的天線數(shù)量相比LTE中的天線數(shù)量有了大幅增加。多天線通過波束賦型(Beam forming）可以提升兩方面的能力，一是提升頻譜利用率，二是提升資源利用率，滿足覆蓋需求。在LTE中引入波束，能提升小區(qū)容量和頻譜利用率，可以認(rèn)為是錦上添花。而對于NR，整個空口無線設(shè)計基于波束，所有上下行信道的發(fā)送接收都是基于波束來完成的。

以發(fā)送端為例對波束賦型進(jìn)行介紹，天線陣列包含n個天線單元通過移相器實現(xiàn)不同天線單元射頻信號相位偏移(AWV－Antenna Weight Vector天線權(quán)重矢量），生成波束，發(fā)送端原理如圖2所示。不同天線單元個數(shù)波束賦型后的示意如圖3所示，同樣的接收端原理類似，進(jìn)行反向處理：即多個天線單元信號需要經(jīng)過加權(quán)合并。

圖2 波束賦型發(fā)送端原理

圖3 不同天線單元個數(shù)波束賦型后示意

根據(jù)3GPP組織所定義的標(biāo)準(zhǔn)，5G NR中的波束管理機制，總體流程主要包括以下5個過程。

(1）波束掃描：發(fā)送參考信號的波束，在預(yù)定義的時間間隔進(jìn)行空間掃描；波束掃描是一種在一定的間隔內(nèi)將波束按預(yù)定的方向發(fā)射的技術(shù)。

(2）波束測量：基站或者用戶終端測量接收到的波束信號的質(zhì)量。

(3）波束報告：UE上報根據(jù)測量結(jié)果選擇的波束信息發(fā)給基站。

(4）波束選擇：根據(jù)波束選擇準(zhǔn)則，基站或者用戶終端選擇確認(rèn)一個或者多個波束。

(5）波束失敗恢復(fù)：包括波束失敗檢測，發(fā)現(xiàn)新波束，波束恢復(fù)流程［3］。

波束管理在以下兩個階段中起著重要作用，分別是：隨機接入過程期間和呼叫連接之后。如圖4所示為每個過程涉及的流程。

圖4 波束管理

3 5G無人機應(yīng)用中的波束管理面臨的問題及解決方案

下一代5G網(wǎng)絡(luò)通過毫米波通信和波束賦形兩大新技術(shù)，能夠為網(wǎng)聯(lián)無人機提供高質(zhì)量的無線覆蓋，不管是帶寬資源，還是覆蓋質(zhì)量都是其他網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方案無法替代的。但是毫米波也存在衰減嚴(yán)重、穿透繞行能力差等特點。毫米波以上的特點勢必會影響基站與無人機之間的通信波束質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致鏈路中斷。下面對波束管理技術(shù)中的波束快速恢復(fù)和波束選擇進(jìn)行探討。

3.1 波束故障后的快速恢復(fù)

由于無人機飛行過程速度非常高，而且部分應(yīng)用場景的飛行速度有可能是超高速，速度可達(dá)150 km/h以上，所以無人機頻繁的位置變化會導(dǎo)致毫米波波束信號因為受到障礙物或者小區(qū)切換頻繁而產(chǎn)生波束故障。這里要求最明顯的首先是無人機的高速移動會對波束測量的時效提出更高的要求；其次在波束故障的情況下需要快速完成波束的恢復(fù)；波束快速恢復(fù)過程中候選波束選擇機制直接關(guān)系到波束恢復(fù)的時延及成功率。傳統(tǒng)的候選波束選擇方式是選取多個最高接收質(zhì)量的波束，但是這種選擇方式很容易選到一組同時被阻塞的波束，這樣會增加波束恢復(fù)的時延并且會導(dǎo)致反復(fù)的波束選擇失敗，對于無人機的飛行安全是非常嚴(yán)峻的考驗。

根據(jù)3GPP TS 38.213標(biāo)準(zhǔn)，波束恢復(fù)流程主要有4個步驟：分別是波束故障事件觸發(fā)、候選波束檢測、用戶終端波束恢復(fù)請求、基站波束恢復(fù)響應(yīng)。如圖5所示波束恢復(fù)流程［3］。

圖5 波束恢復(fù)流程

在波束故障事件觸發(fā)后，用戶終端在候選波束集合中選擇RSRP值大于門限值的最佳波束，最佳波束可以是一個或者多個。如果候選波束檢測成功，則用戶會進(jìn)入基于費競爭的隨機接入流程。如果用戶終端檢測到的候選波束均不合格，則用戶終端會進(jìn)入基于競爭的隨機接入流程。明顯可以看出，最理想的狀態(tài)是用戶終端能夠成功選擇到波束，進(jìn)行基于非競爭的隨機接入的波束恢復(fù)流程。下面介紹一種提高候選波束檢測成功率的方案。基于強化學(xué)習(xí)的波束檢測，強化學(xué)習(xí)是機器學(xué)習(xí)算法的其中一種，其強調(diào)如何基于環(huán)境反饋獲得最大化收益。無人機的每個位置點對應(yīng)著強化學(xué)習(xí)的狀態(tài)，選擇不同方向的毫米波波束是強化學(xué)習(xí)的動作。通過強化學(xué)習(xí)來分析基站周圍環(huán)境的信號群分布情況，進(jìn)行不斷的探索。探索過程分兩種方式，假設(shè)分別是A過程和B過程。初始化狀態(tài)下設(shè)定集合A為所有發(fā)送波束的索引，集合B為空。通過用戶終端上報的位置信息，基站在集合A和集合B中讀取數(shù)據(jù)，設(shè)定一個概率值P，用于區(qū)分A過程和B過程。A過程從集合A中隨機選擇一個發(fā)送波束，根據(jù)用戶反饋的測量結(jié)果、計數(shù)器信息和探索次數(shù)來判斷其是否存在視距波束，然后計算波速相干時間，判斷其是否加入集合B。B過程從集合B中選擇測試次數(shù)最小的一個發(fā)送波束，同樣根據(jù)用戶反饋的測量結(jié)果、計數(shù)器信息和探索次數(shù)來判斷其是否存在視距波束，然后計算波速相干時間，判斷其是否加入集合A。集合B是探索后可靠性較高的候選波束集合。通過調(diào)整概率P的值可以適應(yīng)因環(huán)境變化等因素對波束探索結(jié)果的影響。將基于強化學(xué)習(xí)候選波束探索后的波束按照其分布情況劃分為若干個集合，從每個集合中選擇權(quán)最佳波束作為某個位置的候選波束。可以避免選擇到同一個位置的一組波束，從而避免因候選波束選擇不當(dāng)而導(dǎo)致的波束恢復(fù)反復(fù)失敗的問題，進(jìn)而提高波束恢復(fù)的性能。

3.2 波束選擇

從圖5可以看到，在全部候選波束檢測失敗后，用戶終端會進(jìn)入基于競爭的隨機接入流程，相比基于非競爭的隨機接入過程，其成功率和時延都給無人機的安全飛行帶來巨大的挑戰(zhàn)。提高其接入成功率和減低時延是評價此過程的兩個重要指標(biāo)，其中波束選擇是該過程的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的波束搜索方法有窮舉掃描算法、分級掃描算法、單邊搜索算法等［4］。基于多小區(qū)協(xié)作的波束搜索方法可以消弱小區(qū)間的干擾，并提高波束選擇的成功率。基于機器學(xué)習(xí)的波束搜索算法在獲取波束樣本之后，使用樣本對機器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行性能測試，選擇性能最好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來解決波束搜索的問題［5］。該方法可以在覆蓋無限接近窮舉搜索算法的同時，一定程度上減少了波束搜索的時間復(fù)雜度，是目前較好的波束選擇方案，可以滿足5G無人機在飛行安全中的低時延要求。

4 結(jié)語

隨著無人機在各個行業(yè)使用的大幅增長，現(xiàn)在已經(jīng)成為基礎(chǔ)建設(shè)、商業(yè)和消應(yīng)用的重要工具。隨著移動網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)，對5G無人機通信解決方案的研究勢在必行。保證5G無人機在飛行過程中的安全是第一要素，無人機飛行速率快，位置切換頻繁，所以對無線側(cè)各項性能指標(biāo)提出了更高的要求。針對無人機的飛行特征，研究發(fā)現(xiàn)波束管理中的波束選擇和故障后的波束恢復(fù)流程是影響5G無人機飛行安全的重要過程，利用人工智能及機器學(xué)習(xí)優(yōu)化以上兩個過程可以有效保障無人機飛行安全。