阅读说明：本技术 一种高低频辅助的无人机网络覆盖增强方法 (High-low frequency assisted unmanned aerial vehicle network coverage enhancement method ) 是由 杨逸杰 闫继垒 刘丽哲 龙彦 鞠宏浩 于 2021-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高低频辅助的无人机网络覆盖增强方法,具体为：高低频网络联合系统配置负责配置高频段和低频段网络发射功率、高频段和低频段网络切换功率门限；高低频网络接收功率联合监测模块负责联合监测高频段和低频段网络接收信号功率,并配合高低频网络联合切换决策模块判决高低频网络切换时刻；低频辅助下的高频段网络跨区域切换和低频自主切换模块负责在低频段网络辅助下完成高频段网络跨覆盖区域切换和低频段网络跨覆盖区域自主切换。本发明能够实现低频辅助高频切换、低频自主切换；降低毫米波无人机网络中由于用户跨覆盖区域移动引起的链路中断时长。(The invention discloses a high-low frequency assisted unmanned aerial vehicle network coverage enhancement method, which specifically comprises the following steps: the high-low frequency network joint system is configured to be responsible for configuring the high-frequency band and low-frequency band network transmitting power and the high-frequency band and low-frequency band network switching power threshold; the high-low frequency network receiving power joint monitoring module is responsible for joint monitoring of high-frequency band and low-frequency band network receiving signal power and is matched with the high-low frequency network joint switching decision module to judge the high-low frequency network switching time; the high-frequency band network cross-region switching and low-frequency autonomous switching module under the assistance of the low-frequency band network is responsible for completing high-frequency band network cross-coverage-region switching and low-frequency band network cross-coverage-region autonomous switching under the assistance of the low-frequency band network. The invention can realize low-frequency auxiliary high-frequency switching and low-frequency autonomous switching; the method reduces the link interruption time caused by the movement of the user across the coverage area in the millimeter wave unmanned aerial vehicle network.)

一种高低频辅助的无人机网络覆盖增强方法

技术领域

本发明属于无人机通信技术领域，尤其涉及一种高低频辅助的无人机网络覆盖增强方法。

背景技术

在边远地区，由于人口稀少、地理环境恶劣，使得通信基站布设存在很大困难。在没有通信基站覆盖情况下，针对边远地区的临时通信需求，采用无人机网络实现地面覆盖具有较好应用前景。特别地，针对视频传输类业务，需要保证其传输速率要求。毫米波频段(高频段)由于可用带宽很大，通过将毫米波通信系统部署在无人机上，构成高频毫米波无人机网络，能够很好地满足边远地区高速率数据传输需求。

然而，毫米波频段存在严重的传输损耗，为克服传输损耗对接收信号影响，需要通过阵列天线形成定向波束获得天线波束赋形增益，从而补偿传输损耗。然而，采用定向波束后，由于无人机网络需要保障地面用户，尤其是地面移动性用户的覆盖需求。当地面用户移动时，会出现跨无人机覆盖区域切换问题。在跨区域切换过程中，需要重新进行波束对准，由于波束对准流程复杂、时间长，容易造成链路长时中断。如何降低毫米波无人机网络中由于用户跨覆盖区域移动的链路中断时长，是毫米波无人机网络需要重点解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种高低频辅助的无人机网络覆盖增强方法。

本发明的一种高低频辅助的无人机网络覆盖增强方法，包括以下步骤：

步骤1：高低频网络联合系统配置。

配置高频段网络和低频段网络的发射功率，通过链路预算，使得低频段网络覆盖范围等于高频段网络覆盖范围的2倍；设置高频段网络切换功率门限δ_h、低频段网络切换功率门限δ_l。

步骤2：高低频网络接收功率联合监测。

地面移动用户持续监测高频段网络接收信号功率P_hr和低频段网络接收功率P_lr。

步骤3：高低频网络联合切换决策。

当高频段网络接收信号功率P_hr≥δ_h、低频段接收信号功率P_lr≥δ_l，则地面移动用户在高频段网络正常覆盖范围内，不进行操作。

当高频段网络接收信号功率P_hr＜δ_h、低频段接收信号功率P_lr＜δ_l，则地面移动用户处于高频段网络的覆盖边缘，此时，执行低频辅助下的高频段网络跨区域切换操作。

当高频段网络接收信号功率P_hr＞δ_h、低频段接收信号功率P_lr＜δ_l，则地面移动用户处于低频段网络的覆盖边缘，此时，执行低频段网络跨区域切换操作。

步骤4：低频辅助下的高频段网络跨区域切换和低频段网络跨区域切换。

低频辅助下的高频段网络跨区域切换如下。

(1)地面移动用户在低频段发送切换请求消息，请求消息内容包括消息标识、节点号、经度、纬度、高度。

(2)目标无人机在接收到低频段切换请求消息时，提取其中的经度、纬度、高度信息，并结合自身的经度、纬度、高度、俯仰、横滚、航向信息，针对地面移动用户，计算粗波束方位和俯仰指向；同时，通过低频段网络向地面移动用户发送切换应答消息，应答消息中含无人机经度、纬度、高度信息以及波束对准时间，同时指示何时与地面移动用户进行细粒度波束对准训练，以找到更加精确的波束指向。

(3)地面移动用户在低频段接收切换应答消息，提取其中的经度、纬度、高度信息，并结合自身的经度、纬度、高度、俯仰、横滚、航向信息，针对目标无人机，计算粗波束方位和俯仰指向；同时，提取其中的波束对准时间。

(4)目标无人机和地面移动用户在波束对准开始时刻，以各自计算得到的粗方位角和俯仰角为方位区域，逐个遍历调整细粒度波束指向完成波束微调，找到更加精确的波束指向。

(5)完成高频段网络跨区域切换。

低频段网络跨区域切换时自主完成网络切换。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明提出了一种高低频辅助的无人机网络覆盖增强方法，该方法能够降低毫米波无人机网络中用户跨覆盖区域移动的链路中断时长；

(2)本发明通过高低频无人机网络联合系统配置，避免高低频网络同时发生切换，从而能够实现低频网络辅助高频切换，低频网络自主切换；

(3)本发明设计了低频段辅助高频段的跨覆盖区域切换流程及帧结构，从而能够降低毫米波无人机网络中由于用户跨覆盖区域移动造成的链路中断时长。

附图说明

图1是本发明高低频辅助的无人机网络跨区域切换示意图。

图2是本发明高低频辅助的无人机网络覆盖增强方法流程图。

图3是低频辅助下的高频段网络跨区域切换工作时序图。

图4是切换请求消息的消息格式。

图5是粗粒度方位及俯仰计算方法图。

图6是切换应答消息的消息格式。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明

本发明用于毫米波无人机网络(见图1)跨覆盖区域切换，通过采用高低频辅助的跨覆盖区域切换机制，降低毫米波无人机网络中用户跨覆盖区域移动的链路中断时长。

本发明的一种高低频辅助的无人机网络覆盖增强方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：高低频网络联合系统配置。

配置高频段(毫米波)网络和低频段网络的发射功率，通过链路预算，使得低频段网络覆盖范围等于高频段网络覆盖范围的2倍；设置高频段(毫米波)网络切换功率门限δ_h、低频段网络切换功率门限δ_l。

步骤2：高低频网络接收功率联合监测。

地面移动用户持续监测高频段网络接收信号功率P_hr和低频段网络接收功率P_lr。

步骤3：高低频网络联合切换决策。

当高频段网络接收信号功率P_hr≥δ_h、低频段接收信号功率P_lr≥δ_l，则认为地面移动用户在高频段网络正常覆盖范围内，不进行操作。

当高频段网络接收信号功率P_hr＜δ_h、低频段接收信号功率P_lr＜δ_l，则认为地面移动用户处于高频段网络的覆盖边缘，此时，需要执行低频辅助下的高频段网络跨区域切换操作。

当高频段网络接收信号功率P_hr＞δ_h、低频段接收信号功率P_lr＜δ_l，则认为地面移动用户处于低频段网络的覆盖边缘，此时，需要执行低频段网络跨区域切换操作。

步骤4：低频辅助下的高频段网络跨区域切换和低频段网络跨区域切换。

如图3所示，低频辅助下的高频段网络跨区域切换如下。

(1)地面移动用户在低频段发送切换请求消息，请求消息内容包括消息标识、节点号、经度、纬度、高度。消息格式参见图4。

(2)目标无人机在接收到低频段切换请求消息时，提取其中的经度、纬度、高度信息，并结合自身的经度、纬度、高度、俯仰、横滚、航向信息，针对地面移动用户，根据图5计算粗波束方位和俯仰指向；同时，通过低频段网络向地面移动用户发送切换应答消息，应答消息中含无人机经度、纬度、高度信息以及波束对准时间，消息格式见图6。同时指示何时与地面移动用户进行细粒度波束对准训练，以找到更加精确的波束指向。

(3)地面移动用户在低频段接收切换应答消息，提取其中的经度、纬度、高度信息，并结合自身的经度、纬度、高度、俯仰、横滚、航向信息，针对目标无人机，根据图5计算粗波束方位和俯仰指向；同时，提取其中的波束对准时间。

(4)目标无人机和地面移动用户在波束对准开始时刻，以各自计算得到的粗方位角和俯仰角为方位区域，逐个遍历调整细粒度波束指向完成波束微调，找到更加精确的波束指向。

(5)完成高频段网络跨区域切换。

低频段网络跨区域切换时，根据高频段网络和低频网络发送功率配置，此时高频段网络接收信号功率基本处于最高状态，发生链路中断的概率较小。此时，低频段网络无需辅助高频段网络切换，低频段网络自主完成网络切换。