健壮的无人机编队控制使用mmWave 5 g无线传感器网络

文摘

无人机编队控制在5 g无线传感器网络进行了探讨。基站(BS)用于接收回程位置信号形成和引导无人机的发射光束的领导一fronthaul飞信号增强。这是一个有前途的方法来提高无人机在飞行过程中形成的力量控制。废话可以改变天线的方向和传输能量引导无人机能够广泛扩大接收器的数量,增加数据的传输速度联系。毫米波(mmWave)通信系统提供了新的机会来满足这个需求由于大量的可用频谱。然而,巨大的视线范围(仿真结果传输和网站限制在城市环境严重挑战传统部署地面低功率节点(lpn)。仿真实验已经验证的可用性和有效性进行mmWave 5 g无线传感器网络。

1。介绍

无线传感器网络(WSN)已经被广泛应用于许多领域,如卫星通信、目标检测、人体健康监测和环境保护(1]。虽然网络可以灵活使用,而很难建立一个分布式通信网络在受损的通信环境中大规模数据流。集群是一个选项2]。移动宽带服务的快速发展在下一代移动网络,mmWave(毫米波)扮演的主要角色更新网络,利用信号的频率范围20 - 300GHz (3,4]。因为mmWaves包含丰富的光谱,它们大大部署在下一代移动异构网络(HetNets)改善无线网络的覆盖能力(5]。

地面天线系统通常采用基础上形成一种很有前途的解决方案来提高信号覆盖能力暂时5 g网络。最近,随着尖端技术的发展在5克,5 g的新收音机(NR)和新标准的OFDM(正交频分复用)空气接口会带来很多的变化在我们的生活中。无人机基站(drone-BS)可以实现各种通信数据传输没有任何链接干扰,特别是恶劣天气发生时(6]。由于无人机的快速部署,他们还可以解决在偏远地区临时覆盖问题,或者当接地无线部署是被自然灾害。此外,底部小细胞变得密度进一步提高频谱效率的下一代HetNets [7,8]。它将增加部署低功率节点的困难(lpn)由于特定的限制从车站部署,像相反的电磁辐射在密集的居民区,成本和空间限制在体育场,等等。此外,沉重的视线范围(仿真结果)阻塞会导致堵塞和隐藏终端问题[9,10),这是更常见的在mmWave小蜂窝网络由于贫困衍射mmWave乐队。它可能严重妥协mmWave覆盖能力5]。最近,很多技术公司已经把他们的努力扩大通信容量和提高传输速度通过无人机(uav) (11]。

通过这样的一个新系统,可以应用各种要求(12]。mmWave梁在5 g网络可以帮助地面的BSs扩大网络容量和防止临时堵塞在体育场等场所。它还可以提供额外的覆盖范围在偏远地区或当BSs的订单由于恶劣天气条件下,破坏公物,传输问题,等等。宽频谱信号的数据有能力传播增强在出乎意料的条件13]。新系统也可以减少成本,提高效率的链接(14]。所以开发新技术和方法建立通信网络为了增加接收器覆盖能力和数据链接数。

在本文中,我们提出一个地面天线传输系统来解决这些问题在传统地面lpn部署下一代HetNets。我们的目标是提供一个区域能力增强交通热点mmWave 5 g网络。众所周知,移动用户动态和随机分布在城市地区,导致时间事件或日常通勤。交通热点地区,通常与拥挤的用户,定期,他们堵塞将重需求移动数据访问的能力。而不是永久能力改善通过部署密集的陆地lpn,该方法可以暂时提高原始信号在无线BS系统的收敛能力。通过这种方式,它可以克服特定场地的限制,减少设备部分的成本,减少阻塞的传输问题。此外,由于采用mmWave频谱,通信干扰将会大大减少。

本文的其余部分组织如下。部分2描述了信号传输模型。部分3描述了该算法和执行的仿真实验演示系统的效率。结论和未来的工作4。

2。系统模型

在本节中,涉及通信网络信号传输模型进行了讨论。

2.1。信号传播模型和接收机分布

2.1.1。路径损耗模型

路径损耗模型是用来描述信号在传输功率分布。只有少数空对地路径损耗模型可以在文献中找到。这里给出的路径损耗模型(15采用),接收功率的有效性可以大大增加,也就是说,衍射信号。视距(LoS)连接概率之间的发射机和接收机信道建模的输入是一个重要的因素,它可以制定为(15,16] 在哪里是连接概率函数;和代表不同的城市和农村环境等领域;仰角等于 ,在哪里新系统的高度和吗代表引导无人机和b之间的水平距离。假设忽略阴影干扰和平均路径损耗概率的方式可以描述(3), 右侧的第一项(2)是自由空间路径损耗(FSPL)根据Friis方程;代表基带信号的频率;代表光速度和接收器之间的距离,BS,等于什么 。 和委托的两个主要的连接,和它们的值依赖于各自的环境。

2.1.2。空间接收器分布

获得在空间异质性接收机分布,我们利用一个Matern集群的过程(9,17]。它是一个双集群泊松过程,父点的中心集群由一个齐次泊松过程。女儿点,代表接收器模型中,均匀分布在圆半径父分左右通过使用另一个空间齐次泊松过程。因此,密度函数,给定用户的位置被描述为

2.2。信道模型

2.2.1。射线跟踪模型

射线跟踪传播可以制定在一些模型假设有几个点光源在空间,叫直接射线,反映和传播射线绕射射线和散射射线。

直接射线模型是最简单的模型,讨论的场景光线开始直接从源点到目标点,满足《转换。反映和传播射线模型可以用来描述射线从源点,但反映出一个或多个次到目标点在不同传输媒介。绕射射线模型更为复杂与上面描述的模型相比,从源点射线会产生众多的绕射射线从不同角度在通过不同的媒介,这将增加在目标点的射线计算困难。散射射线模型是一种特殊的模型中定义的粗糙表面,可以假定为合并对象使用的随机射线的影响。此外,射线跟踪模型还可以用于复杂的通信环境,比如拥挤的市场。提到了射线跟踪模型图所示1。

让我们考虑一种(multiinput multioutput)系统与单天线问题(用户设备)传输信号同时天线。假设使用仿真结果通道,通道模型可以推广 在哪里= 代表了巨大的传输和 是一个常量值委派积极关系进行频率和频率信号。是进化的节点之间的距离基站(eNB)和问题,路径损耗系数,是对数正态分布的阴影衰落系数 ; 是快衰落矩阵。

2.2.2。先验知识。瑞利信道模型

先验知识。(独立)相同的分布随机变量服从高斯规则; 有利的传播先验知识。瑞利信道运行在大规模分布式天线系统是紧随其后 根据大量的法律,我们可以发现一个特点的有利的传播的正交性不同的发行渠道: 另一个是通道变硬的现象;即每个发行渠道的欧几里得范数接近大规模衰落因子(18]:

2.2.3。通道模型的相关性

快衰落信道元素可以制定使用相关矩阵和高斯向量: 在指导矩阵 包含转向向量和 当线性假设天线阵,指导矩阵可以写成 在哪里是水平角的到来问题和指导向量 给药 在哪里是邻居的距离天线系统和是载波波长。

一般来说,转向向量在传统天线的形状可以获得: 在哪里代表了仰角的到来。代表Creinner产品表示矩阵的向量化。

3所示。无人机形成控制信号传输的方法

3.1。该方法

证明该方法是有用的在重负载情况下提高接收功率,我们本节说明完全。根据上述系统,我们首先提供传统的天线的形状,在图中描述2。

如图2,我们使用笛卡儿坐标系统来描述原始的形状;相邻天线之间的距离;之间的高度线性天线层;和水平和垂直角度的接收器和b;波束形成是方向。显然,形状只能接收信号在有限的角度;同时,这个形状非常繁琐和不便部署贡献小的飞行物体之间传输信号b无人机的形成。

为了克服这些问题,我们提出一个新颖的桶形状天线部署无人机的形成。新的形状如图3。首先,射线跟踪模型和接收机采用空间分布理论作为系统模型。它将有助于建立通信环境的基础。然后,选择相关通道模型。

如图3笛卡尔坐标系统也用于描述新的形状。 是整个圆的弧长,用于取代邻居天线之间的直线距离。和的水平和垂直角度的对象。单一圆天线阵堆放几次,以获得最终的天线阵。通过这种新的方法,新的形状可以有力地加强通信链路的可靠性,具有明确天线基于圆桶形状的天线阵列。以来所有的角可以由使用天线在无人机桶形状,这将提高质量和接收功率而BS有效地交流和方便。进一步,部署建设天线还可以在收到BS fronthaul信号由于其全面运行的天线阵列。

根据((8)- (11),和普通天线形状,转向向量可以写成 在哪里和是镭和单一圆形天线阵的天线数量。此外,指导矩阵可以计算

完整的系统交互处理如图4。四层为新桶的形状与每个圆形阵列天线配置包含四个天线单元。基于这样的假设,我们可以分别定义两种情况来说明实验过程。情况(左)beamforms接收器主要接地和B(右侧)代表,BS beamforms引导无人机。然后,我们计算水平角和垂直角度在形势和情况B,为了计算接收功率,使两种情况的比较。

在BSs和引导无人机之间的信号交换,接收功率和信号干扰比(SIR)作为系统的评价指标,检测是否有无人机飞越该地区。一旦接收到的信号功率从b到引导无人机从原始场景没有超过飞行物体,识别,mmWave系统可以实现空中信号传输具有满意的性能。

3.2。仿真实验

整个模拟场景如图5,无人驾驶飞机飞通过贸易中心地区,说明完整的实验过程。首先,在形势,BS建立通信网络引导无人机和普通用户和普通用户beamforms,转移的能量mmWave从b到接收器,与弱信号强度来控制无人机飞行控制。情况B, B beamforms带着强烈的控制信号被发送到引导无人机fronthaul信号,相比情况答:最后,我们计算引导无人机的接收功率和先生在这样两个实验环境评估BS波束形成系统的有效性。

实验中使用的参数的无人机编队飞行控制表中列出1。使用Matlab作为仿真工具进行实验。假设有完全七BSs和三个微细胞覆盖面积600×700平方米,包括五十随机用户设备的特殊细胞,在图中描述6。

接收功率和爵士曲线由累积分布函数(CDF)在数据的两种情况进行了说明7和8。从仿真结果可以看出,接收功率的情况B高于情况情况B是a先生值也高于情况。因此,它证明了无人机可以接收发送的信号的废话继续形成在群飞行控制。

4所示。结论

本文在b 5 g无线通信系统,用户设备和无人机。地区周围的无人驾驶飞机能飞的无人驾驶飞机发送它的位置信号BS回程和接收fronthaul信号称为mmWave同时从BS。不同问题之间的通信链路和BS,发射方向的无人机可以设置专门通过天线与适当的水平和垂直的角度。总之,模拟系统可以增加天线增益的无人驾驶飞机,实现满足无人机编队控制的性能。

在未来,更多的不同的复杂的信道模型将被认为是在多样化的通信系统。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持中国的国家自然科学基金。U1713209,深圳没有基础研究项目。JCYJ20150629152510439、国家高技术研究与发展计划863没有。2015 aa042303,广东省公益研究和能力建设项目。2015 a30401016和广东省科技计划项目。2017 b010117009,深圳市科技创新委员会项目资助。JCYJ20160510154736343也没有。JCYJ20170818153635759。

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