一种确定无人机机载基站位置的方法及装置与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种确定无人机机载基站位置的方法及装置。

背景技术：

随着通信数据速率的指数性增长，以宏基站为基础的广域覆盖在最大程度上满足无缝覆盖的需求。为了解决热点区域数据速率问题，超密集小区部署已经成为公用地面移动通信网络中的重要组成部分。超密集小区部署的基本思想是缩短发送端和接收端的物理距离，提升终端用户的性能。

随着超密集蜂窝小区的覆盖半径越来越小，小基站的部署密度越来越大，这不仅在部署成本上大大增加，而且小基站部署位置的选择也越来越成为问题。UAV(Unmanned Aerial Vehicle，无人驾驶飞机、无人机)技术的发展使得机载基站成为可能，相比于地面小基站作为接入点，无人机机载基站作为空中接入点，其位置选择更方便。

但现有技术的不足在于：目前利用无人机机载基站做区域覆盖，依然存在边界用户接入的频繁切换问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种确定无人机机载基站位置的方法及装置，用以避免接入的边界用户频繁触发切换机制。

本发明实施例中提供了一种确定无人机机载基站位置的方法，包括：

确定接入无人机机载基站的各终端；

根据各终端位置确定无人机机载基站需覆盖的第一面积；

改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积，其中，第二面积大于且包含第一面积。

较佳地，进一步包括：

确定在第一面积与第二面积之间的扩展区域中是否有终端；

在存在终端时，根据接入无人机机载基站的各终端位置以及扩展区域中的终端位置更新无人机机载基站需覆盖的第一面积；

根据更新后的第一面积改变第二面积。

较佳地，进一步包括：

根据预设更新时间更新接入无人机机载基站的各终端；

根据更新后的各终端位置更新无人机机载基站需覆盖的第一面积；

根据更新后的第一面积改变第二面积。

较佳地，进一步包括：

确定第二面积内的终端密度；

在终端密度低于阈值时停止更新无人机机载基站需覆盖的第一面积。

较佳地，改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积，是通过增加无人机机载基站的垂直高度来实现的。

本发明实施例中还提供了一种确定无人机机载基站位置的装置，包括：

终端确定模块，用于确定接入无人机机载基站的各终端；

第一面积确定模块，用于根据各终端位置确定无人机机载基站需覆盖的第一面积；

第二面积确定模块，用于改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积，其中，第二面积大于且包含第一面积。

较佳地，终端确定模块进一步用于确定在第一面积与第二面积之间的扩展区域中是否有终端；

第一面积确定模块进一步用于在存在终端时，根据接入无人机机载基站的各终端位置以及扩展区域中的终端位置更新无人机机载基站需覆盖的第一面积；

第二面积确定模块进一步用于根据更新后的第一面积改变第二面积。

较佳地，终端确定模块进一步用于根据预设更新时间更新接入无人机机载基站的各终端；

第一面积确定模块进一步用于根据更新后的各终端位置更新无人机机载基站需覆盖的第一面积；

第二面积确定模块进一步用于根据更新后的第一面积改变第二面积。

较佳地，终端确定模块进一步用于确定第二面积内的终端密度；

第一面积确定模块进一步用于在终端密度低于阈值时停止更新无人机机载基站需覆盖的第一面积。

较佳地，第二面积确定模块进一步用于通过增加无人机机载基站的垂直高度来改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积。

本发明有益效果如下：

在本发明实施例提供的技术方案中，在根据接入无人机机载基站的各终端位置确定无人机机载基站需覆盖的第一面积以后，由于改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积，而在第二面积大于且包含第一面积时，会出现一个扩展区域。正是由于这个扩展区域的存在，即使在移动终端移动到边界时，可以避免由于移动而进入或移出无人机覆盖区域而造成频繁的切换。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中无人机覆盖场景示意图；

图2为本发明实施例中确定无人机机载基站位置的方法实施流程示意图；

图3为本发明实施例中无人机水平位置坐标初始化示意图；

图4为本发明实施例中高度与覆盖半径关系示意图；

图5为本发明实施例中当前无人机覆盖示意图；

图6为本发明实施例中新终端接入后的无人机覆盖示意图；

图7为本发明实施例中更新后的无人机覆盖示意图；

图8为本发明实施例中T0+Δt0时刻状态示意图；

图9为本发明实施例中无人机机载基站位置确定流程示意图；

图10为本发明实施例中确定无人机机载基站位置的装置结构示意图。

具体实施方式

在超密集部署的蜂窝移动通信系统中，大量小基站部署用于解决热点区域的覆盖和接入问题。而随着无人机技术的发展，利用无人机机载基站作为空中接入点的研究成为可能，无人机机载基站作为空中接入点，在为终端提供接入服务时，其位置更新会对地面终端的接入产生影响，三维动态更新无人机机载基站的位置对接入用户性能体验存在影响，是接入用户体验的关键。

目前在利用无人机机载基站静态组网实现对地面区域的覆盖时，主要从地面区域划分和切换的角度进行研究。针对现有研究方面，本申请拟以动态覆盖和用户追踪为切入点，提出了一种可以作为超密集场景中的覆盖来解决用户需求的空中接入方案，通过无人机机载基站的位置更新来确定对地面接入用户性能的最优位置，从而实现对当前接入用户的追踪，以此来实现对热点区域的覆盖，可以减少固定基础设施的部署。在热点区域的流量密度下降后，可以选择撤销无人机空中接入点，从而实现应急通信或临时覆盖的目的。

更具体的，本发明实施例技术方案中提供的无人机机载基站，在实现对超密集部署场景中的特殊区域的覆盖时，实现对接入用户的追踪，通过引入扩展区域，避免接入的边界用户频繁触发切换机制。下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

首先对实施环境进行说明。

图1为无人机覆盖场景示意图，如图所示，在超密集部署的场景中，热点区域在宏基站广域覆盖的基础上，又存在小基站的辅助部署，但是对小基站而言，首先可能存在小基站超载，其次可能存在小基站没有部署或出现故障的场景。在此基础上，对于一些特殊区域，在没有小基站覆盖的情况下，可以利用无人机机载基站作为临时热点覆盖，待分流工作完成后，可以再撤销无人机机载基站的覆盖。且无人机追踪用户的移动，避免临时部署多个小基站来完成热点区域的覆盖。

图2为确定无人机机载基站位置的方法实施流程示意图，如图所示，可以包括：

步骤201、确定接入无人机机载基站的各终端；

步骤202、根据各终端位置确定无人机机载基站需覆盖的第一面积；

步骤203、改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积，其中，第二面积大于且包含第一面积。

实施中，改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积，可以是通过增加无人机机载基站的垂直高度来实现的。

具体可以是，确定接入无人机机载基站的终端；根据终端位置进行水平位置初始化，确定无人机机载基站所需覆盖的第一面积；然后构建竖直方向关于高度的目标函数，通过优化目标函数确定竖直高度，进而引入扩展区域后覆盖区域变为第二面积；其中，第二面积大于且包含第一面积。

下面主要以高度改变的实施方式来进行说明，但是需要说明的是，本申请提供的方案目的是改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积，其中，第二面积大于且包含第一面积，也即，只需要能够实现该目的，则其他方式也是可行的。为便于说明，实施例中将在第一面积与第二面积之间的面积成为扩展区域。

具体实施可以如下：

假设热点区域需要提供无人机机载基站接入的终端数量为n，设其中任意终端坐标为(xi，yi)，其中i为1～n的整数。

假设所有终端的中心坐标为(xc，yc)，定义为无人机水平位置初始化坐标，则：

取即找出距离中心坐标(xc，yc)最大距离的点(xi，yi)。

那么无人机机载基站的最小地面覆盖半径rmin为：

图3为无人机水平位置坐标初始化示意图，则无人机水平位置坐标初始化如图3所示。

图4为高度与覆盖半径关系示意图，在密集城市环境中，综合考虑功率衰减，路径损耗等因素，建模后可得出低空轨道平台的高度h与地面覆盖半径R的关系如图4所示，密集城市环境中，无人机飞行最低高度限制为h0，该数值可由具体城市环境而定，此时地面覆盖半径为r0。无人机飞行最高高度限制为h3，该数值为图4所示关系中的极值点处的高度，此时地面覆盖半径为r3。

需要说明的是，该模型仅是按照较为常见的参数综合考虑的得到的模型之一，但是，事实上，由于通信与环境有密切的关系，因此无人机与其覆盖的范围也是不同的，而这样的基于各种参数进行调整以得到合适的模型对本领域技术人员来说是容易做出的，上述模型是用以表达第一面积以及第二面积、扩展区域这几个概念的，因此上述模型中披露的关系仅用于教导本领域技术人员具体如何实施本发明，但不意味仅能使用该方式，实施过程中可以结合实践需要来确定相应的关系，进而去确定合适的第一面积以及第二面积、扩展区域。

当rmin<r0时，如图中虚线所示，此时记为坐标(h1，rmin1)，而h1<h0，故无人机高度区间选择为[h0，h3]。当r0<rmin<r3时，此时记为坐标(h2，rmin2)，而h2>h0，故无人机高度区间选择为[h2，h3]。

确定高度区间后，具体实施中可以构造关于竖直高度的最优全局通信目标函数f(h)，竖直高度的变化可能影响视距链路状态，自由空间传播损耗，终端接收功率等因素。综合考虑多因素对目标函数的影响，在竖直高度区间上选择最优解h^*，使得目标函数f(h)在区间上最优，该h^*即为当前无人机竖直的高度。

图5为当前无人机覆盖示意图，则假设h^*对应地面覆盖半径为r^*，则r^*必然大于rmin，此时无人机覆盖与地面终端如图5所示。容易理解，覆盖半径为rmin的面积为第一面积，覆盖半径为r^*的面积为第二面积，而图中环状部分为扩展区域。

从图5可以看出，当前状态下，扩展区域中没有新的用户接入，而距离覆盖区域中心位置(xc，yc)的扩展区域(rmin，r^*)的存在，有效避免了边界接入终端移动时的频繁切换。

实施中，考虑到终端的移动，会出现离开或者进入第一面积的情况，还可以进一步包括：

确定在第一面积与第二面积之间的扩展区域中是否有终端；

在存在终端时，根据接入无人机机载基站的各终端位置以及扩展区域中的终端位置更新无人机机载基站需覆盖的第一面积；

根据更新后的第一面积改变第二面积。

具体的可以如下：

当扩展区域中存在新的接入用户时，假设新接入的用户数量为1。此时，接入无人机机载基站的终端个数变化，总数变为n+1。这时需要重新计算地面中心位置坐标(xc，yc)，即无人机水平位置更新。则：

图6为新终端接入后的无人机覆盖示意图，图7为更新后的无人机覆盖示意图。如图6所示，在水平初始化过程中，由于新终端的加入，水平位置更新，最小覆盖半径变为rmin'，初始化竖直高度为h'，竖直位置更新中，重复上述中步骤，在竖直高度区间上寻求最优解所对应的高度h^*'，最终经过水平和竖直位置更新后的覆盖如图7所示。

更新后，新的扩展区域中，如果继续发现并接入新的终端，则重复上述步骤，先进行水平位置初始化，再进行竖直高度初始化。如果没有发现新的终端，则由于用户发现机制导致的位置更新终止。假设当前时刻为T0，则当前时刻的最优位置即确定。

实施中，考虑到终端的移动，会出现第一面积变化的情况，还可以进一步包括：

根据预设更新时间更新接入无人机机载基站的各终端；

根据更新后的各终端位置更新无人机机载基站需覆盖的第一面积；

根据更新后的第一面积改变第二面积。

具体的可以如下：

设置更新时间间隔Δt0，则初始化时刻T0决策出最优位置后，在时间间隔Δt0内，地面终端可能出现移动，在T0+Δt0时刻进行更新。

图8为T0+Δt0时刻状态示意图，终端经Δt0时间间隔移动后，可以重新计算地面终端中心坐标位置(xc，yc)，即更新无人机水平位置坐标。确定水平位置坐标后，继续重复上述位置确定机制，进而确定使目标函数存在最优解的高度。则在T0+Δt0时刻的状态如图8所示。

由上述实施例可知，扩展区域的存在可以保证边界移动终端避免由于移动而进入或移出无人机覆盖区域造成频繁的切换。且存在两种更新机制，第一是由于间隔Δt0时间段的强制更新，第二是由于更新过程中发现新用户接入而造成的再次更新，两种更新机制共同完成对用户的追踪机制。

实施中，考虑到终端的减少，甚至会出现不需部署UAV的情况，还可以进一步包括：

确定第二面积内的终端密度；

在终端密度低于阈值时停止更新无人机机载基站需覆盖的第一面积。

也即，在终端密度低于阈值时停止更新机制。

具体可以如下：

初始时刻T0接入用户终端数量为n，达到稳态后，无人机机载基站对地面的覆盖区域半径为r^*。定义此时刻的用户密度为：

经历Δt0时间段后，按上述描述中，由于在初始时刻T0的位置初始化的过程中，扩展区域中引入新的终端，所以在T0+Δt0时刻，用户数量为n+1，达到稳态后，无人机机载基站对地面的覆盖区域半径为r*’，此时用户密度为：

每到达一个强制更新时刻，都会计算该时刻的用户密度。设置用户密度的最低阈值，记为ρ，如果当前强制更新时刻的用户密度低于阈值，则结束更新。

为更好的了解在具体实施过程中各手段的结合，下面再以实例说明，当然，该例仅是一种结合方式，即包括了终端进出的处理、定时更新的处理、用户密度变化后的处理的结合，本领域技术人员容易构思到其他的结合方式。

图9为无人机机载基站位置确定流程示意图，如图所示，可以如下：

步骤901、开始；

步骤902、水平位置初始化；

具体参见与图3有关的部分描述。

步骤903、竖直位置初始化；

具体参见与图4有关的部分描述。

步骤904、判断扩展区域是否有新终端接入，是则转入步骤902，否则转入步骤905；

步骤905、定时位置更新；

步骤906、判断终端是否移动，是则转入步骤902，否则转入步骤907；

步骤907、判断用户密度是否低于阈值，是则转入步骤908，否则转入步骤905；

步骤908、结束。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种确定无人机机载基站位置的装置，由于该装置解决问题的原理与一种确定无人机机载基站位置的方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图10为确定无人机机载基站位置的装置结构示意图，如图所示，可以包括：

终端确定模块1001，用于确定接入无人机机载基站的各终端；

第一面积确定模块1002，用于根据各终端位置确定无人机机载基站需覆盖的第一面积；

第二面积确定模块1003，用于改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积，其中，第二面积大于且包含第一面积。

实施中，终端确定模块进一步用于确定在第一面积与第二面积之间的扩展区域中是否有终端；

第一面积确定模块进一步用于在存在终端时，根据接入无人机机载基站的各终端位置以及扩展区域中的终端位置更新无人机机载基站需覆盖的第一面积；

第二面积确定模块进一步用于根据更新后的第一面积改变第二面积。

实施中，终端确定模块进一步用于根据预设更新时间更新接入无人机机载基站的各终端；

第一面积确定模块进一步用于根据更新后的各终端位置更新无人机机载基站需覆盖的第一面积；

第二面积确定模块进一步用于根据更新后的第一面积改变第二面积。

实施中，终端确定模块进一步用于确定第二面积内的终端密度；

第一面积确定模块进一步用于在终端密度低于阈值时停止更新无人机机载基站需覆盖的第一面积。

实施中，第二面积确定模块进一步用于通过增加无人机机载基站的垂直高度来改变无人机机载基站位置使其覆盖面积为第二面积。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

综上所述，在本发明实施例提供的技术方案中，通过引入扩展区域，避免边界用户接入的频繁切换，竖直位置更新中引入多属性决策机制，使地面接入终端处于最优接入状态。

进一步的，通过引入双重更新机制，分别为由于终端移动的定时位置更新和扩展区域用户发现后的再次更新，跟踪接入用户的移动，可作为特殊接入临时覆盖的场景应用，减少基础设施的部署。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。