面向无人机毫米波基站的多波束优化设计

王磊 顾勇 仲伟志 李鹏辉 朱秋明

摘要：为了保证无人机毫米波基站多波束覆盖区域内通信容量的同时，降低硬件成本和系统复杂度，本文提出采用一种基于混合波束成形结构的波束优化设计方法。该方法首先从多波束混合成形系统结构入手，而后基于多波束总体频谱效率最大化问题分别对数字预编码器和射频移相预编码器进行设计，达到降低系统射频链数目的目标。仿真试验表明，该波束设计方法可以在获得较好波束增益的同时降低系统复杂度，从而提高无人机目标覆盖区域内用户的通信质量。

关键词：无人机基站；毫米波；波束覆盖；波束设计

中图分类号：TN928文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.011

基金项目：航空科学基金（2017ZC52021）；南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金（kfjj20191501）

由于无人机具有低成本、可快速部署、广覆盖等特征，在农业植保、气象环保监测、灾后救援、通信中继等民用领域中发挥着越来越重要的角色[1-3]。近年来，无人机作为空中通信基站已成为一个研究热点。无人机空中基站平台相较于传统的地面小区基站具有一些无法比拟的优势[4]，如在地震、洪水、泥石流等自然灾害发生后，地面基础通信设施遭到损坏，通信处于阻塞瘫痪的状态，而无人机空中基站能在较短时间内快速恢复部分应急通信功能。此外，无人机空中基站在演唱会、城市商圈等通信需求大的热点地区，可以快速部署并提供服务。因此，部署无人机空中基站己经成为解决特定场景下通信困难的高效方案[5-6]。然而当前无人机通信频段远远不能满足未来5G通信网络中大连接场景下的多样化业务需求，因此，拥有巨大的免许可带宽的毫米波频段被认为是解决无人机通信的重要解决方案[7]。由于毫米波频段比较高，雨雾等天气因素会导致较高的路径传播损耗，所以使用具有强方向性增益的波束成形技术是弥补毫米波通信路径损耗的必然趋势[8-9]。

在以往的研究中，针对无人机基站波束覆盖方面的研究较少。参考文献[10]提出了一种基于三维波束成形的小型小区通信容量增强方法，这种动态波束可以自适应地改善接收信号质量，同时更加有效地控制干扰。但是，用这种方法产生的窄光束仅适用于小型蜂窝小区。参考文献[11]考虑了毫米波蜂窝网络的覆盖范围和速率性能，实现了更高的峰值速率，但没有提高小区边缘速率。为了达到中心速率和边缘速率之间的良好平衡，参考文献[12]提出了一种结合正交匹配跟踪算法的宽波束设计方法。以上研究都是针对单区域进行波束覆盖，当运用在多波束覆盖时，会面临较高的系统复杂度和硬件开销问题。参考文献[13]和参考文献[14]将射频预编码器与信道的相位相匹配，并将数字预编码器设置为有效信道的迫零波束形成矢量。虽然该方法实现了可观的传输速率总和，但在射频链数目和特定频率限制下实现的速率与系统最大容量之间仍然存在差距。

针对无人机毫米波多波束覆盖小区中存在的系统复杂度较高这一问题，本文以提高多用户场景下的通信容量和降低系统复杂度为目标，首先基于波束混合成形系统结构，分别对数字预编码器和射频移相预编码器进行设计，而后面向移相器分辨率的限制，在移相器低分辨率的条件下对预编码器进行优化设计。仿真表明，采用的联合波束优化方法能有效地提高各覆盖区域的通信容量的同时降低系统复杂度。

1系统模型

3仿真验证

为了验证本文采用的波束设计方法的性能，这里从波束形状、传输速率等角度对该波束设计方法进行评价。考虑一个用户数为3的多波束覆盖场景。基站采用面阵天线，每个用户拥有相同的优先级的单天线接收，即βm= 1，？m。阵元间距为半波长。

3.1波束形状

如图2所示，从波束形状这一定性角度来看，本文采用的面向多用户场景下的多波束设计方法产生的波束更规则，对于目标区域覆盖效果更优。而传统的多波束设计方法，其产生的波束在区域内的波束会产生较大程度的畸变，影响波束覆盖性能。

3.2传输速率

以上是在波束形状的角度进行讨论，本文在相同仿真参数的条件下，同时对传输速率总和这一定量指標进行了仿真试验。图3给出了不同方法的传输速率总和的仿真结果。

如图3所示，随着信噪比的增加，三种方法的传输速率都呈现出增长的趋势，但本文采用的混合波束设计方法较其他两种方法有更高的传输速率总和。而从图3（a）和图3（b）的对比可以发现，当射频链数目增加时，各方法传输速率总和增加幅度不大，这意味着在设备限制的实际情况下，该波束设计方法亦能提供较高的通信质量，从另一个侧面验证了该方法系统复杂度不高。

3.3量化方法

如图4所示，在相同分辨率的情况下，本文采用的相角量化策略获得的传输速率比直接量化方法得到的速率高，展现了该方法的有效性，这是因为直接量化方法是根据系统可实现的角度直接对得到的相角进行量化，这样会造成较大的误差，而本文的方法策略是在求解相角的过程中将所有可能的值带入优化函数，找到最优的相角。此外在这两种方法中，图4也显示了随着分辨率的提高，传输速率总和增大的结果，验证了分辨率越高传输速率越高的结论。

4結论

在本文的研究中，研究重点考虑了无人机基站多波束覆盖背景，针对传统的多波束覆盖场景下硬件成本和系统复杂度较高的问题，本文从多用户场景下的混合波束成形结构入手，基于多波束总体频谱效率最大化问题对波束进行设计优化，对比了不同波束设计方法，试验表明本文提出的面向多波束场景下的混合预编码算法产生的波束能获得更高的传输速率总和，并且针对实际中有限分辨率移相器的限制，提出的改进的相角量化方法相较于经典的直接量化相角方法得到的波束具有更高的传输速率，为未来无人机毫米波基站多波束覆盖的研究应用中提供了一定的参考意义。

参考文献

[1]Asadpour M，Bergh B V D，Giustiniano D，et al. Micro aerial vehicle networks：an experimental analysis of challenges and opportunities[J]. IEEE Communications Magazine，2014，52（7）：141-149.

[2]卓琨，张衡阳，郑博，等.无人机自组网研究进展综述[J].电信科学， 2015， 31（4）：128-138. Zhuo Kun， Zhang Hengyang， Zheng Bo， et al. Progress of UAV Ad Hoc network： a survey[J]. Telecommunications Science， 2015， 31（4）：128-138. （in Chinese）

[3]张旭东，郝明月，尹航，等.基于SWOT-PEST分析的无人靶机产业发展研究[J].航空科学技术， 2019， 30（7）：80-84. Zhang Xudong， Hao Mingyue， Yin Hang， et al. Research on the development of unmanned aerial target industry based on SWOT-PEST analysis[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（7）：80-84. （in Chinese）

[4]Jusak J，Pratikno H，Putra V H. Internet of medical things for cardiac monitoring：paving the way to 5G mobile networks[C]// 2016 IEEE International Conference on Communication，Networks and Satellite（COMNETSAT），Surabaya，2016：75-79.

[5]Merwaday A，GuvencI.UAVassistedheterogeneous networks for public safety communications[C]// 2015 IEEE WirelessCommunicationsandNetworkingConference Workshops（WCNCW），New Orleans，LA，2015：329-334.

[6]杨春宁，杜黎明，李春.未知区域无人机协同搜索方法及效率分析[J].航空科学技术， 2019， 30（10）：56-63. Yang Chunning， Du Liming， Li Chun. Methods and efficiency comparison of UAV swarms collaborative search in unknown area[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（10）：56-63. （in Chinese）

[7]Roh W，Seol J Y，Park J，et al. Millimeter-wave beamforming as an enabling technology for 5G cellular communications：theoretical feasibility and prototype results[J]. IEEE Communications Magazine，2014，52（2）：106-113.

[8]Xiao Zhenyu，Xia Pengfei，Xia Xianggen. Hierarchical multibeam search for millimeter-wave MIMO systems[C]// 2016 IEEE 83rd Vehicular Technology Conference（VTC Spring），IEEE，2016：1-5.

[9]Sulyman A I，Alwarafy A，Maccartney G，et al. Directional radio propagation path loss models for millimeter-wave wireless networks in the 28，60，and 73 GHz bands[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications，2016，15（10）：6939 - 6947.

[10]Yu Bo，Yang Liuqing，Ishii H. 3D beamforming for capacity improvement in macro cell-assisted small cell architecture[C]// 2014 IEEE Global Communications Conference，Austin，TX，2014：4833-4838.

[11]Kulkarni M N，Singh S，Rews J G. Coverage and rate trends in dense urban mmWave cellular networks[C]// 2014 IEEE Global Communications Conference，Austin，TX，2014：3809-3814.

[12]Song J，Choi J，Love D J. Common codebook millimeter wave beam design：designing beams for both sounding and communicationwithuniformplanararrays[J].IEEE Transactions on Communications，2017，65（4）：1859-1872.

[13]Liang Le，Dai Yongyu，Xu Wei，et al. How to approach zeroforcing under RF chain limitations in large mmwave multiuser systems[C]// 2014 IEEE/CIC International Conference on Communications in China（ICCC），Shanghai，2014：518-522.

[14]Liang Le，Xu Wei，Dong Xiaodai. Low-complexity hybrid precoding in massive multiuser MIMO systems[J]. IEEE Wireless Communications Letters，2014，3（6）：653-656.

[15]Bartlett M. S. An inverse matrix adjustment arising in discriminantanalysis[J].TheAnnalsofMathematical Statistics，1951，22（1）：107-111.

（責任编辑王为）

作者简介

王磊（1995-）男，硕士。主要研究方向：无人机毫米波通信。

Tel：15651018770E-mail：wangleinuaa@nuaa.edu.cn

顾勇（1996-）男，硕士。主要研究方向：毫米波波束搜索与人工智能等。

Tel：18795992020E-mail：1475510462@qq.com

仲伟志（1980-）女，副教授。主要研究方向：毫米波通信与MIMO技术等。

Tel：13951976651E-mail：zhongwz@nuaa.edu.cn

李鹏辉（1996-）男，硕士。主要研究方向：波束跟踪。

Tel：15852929506

E-mail：2846745479@qq.com

朱秋明（1979-）男，副教授。主要研究方向：电波传播环境测试、航空数据链技术等。

Tel：13913949577E-mail：zhuqiuming@nuaa.edu.cn

Multi-Beam Optimization Design for UAV Millimeter Wave Base Stations

Wang Lei*，Gu Yong，Zhong Weizhi，Li Penghui，Zhu Qiuming

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： In order to ensure the communication capacity in the multi-beam coverage area of the UAV millimeter wave base station and reduce the hardware cost and system complexity， a beam optimization design method based on a hybrid beamforming structure is proposed. This method starts with the structure of the multi-beam hybrid forming system， and then designs the digital precoder and the RF phase-shifted precoder based on the problem of maximizing the overall spectral efficiency of the multibeam to achieve the goal of reducing the number of system RF chains. Simulation experiments show that the beam design method can achieve better beam gain while reducing system complexity， thereby improving the communication quality of users in the target coverage area of the UAV.

Key Words： UAV base station； millimeter wave； beam coverage； beam design