無人機輔助空地協(xié)同無定形組網(wǎng)仿真評估*

林尚靜1，田 錦2，馬 冀2，莊 琲1，肖志勇

(1.北京郵電大學 電子工程學院，北京 100876；2.金陵科技學院 網(wǎng)絡與通信工程學院，南京 211169；3.武漢烽火技術服務有限公司,武漢 430205)

0 引 言

隨著近期無人機(Unmanned Aircraft Vehicle，UAV)在通信載荷性能、載荷掛載能力及續(xù)航時間等方面的飛速發(fā)展和提升，具備無線回程能力的可移動無人機節(jié)點因其能夠利用阻擋較少、鏈路質量較好的空地無線視距通信鏈路資源，并且具有靈活的動態(tài)可控部署能力，成為為未來無線網(wǎng)絡提供空間針對性服務的重要補充方式[1-3]。由于可移動無人機節(jié)點的引入，傳統(tǒng)由地面固定蜂窩基站所構成的固定蜂窩狀網(wǎng)絡形態(tài)逐步呈現(xiàn)出一種隨著無人機節(jié)點的懸停位置可動態(tài)變化的無定形形態(tài)。

目前，通信網(wǎng)絡正在從蜂窩化組網(wǎng)向無定形組網(wǎng)演進。國內外學者和研究機構提出了超蜂窩，液體小區(qū)、彈性小區(qū)、虛擬小區(qū)以及幻影小區(qū)等無定形網(wǎng)絡架構。

2012年，日本NTT DoCoMo公司提出在現(xiàn)有宏蜂窩上重疊配置多種小型蜂窩的幻影小區(qū)(Phantom Cell)架構，通過同一蜂窩小區(qū)收發(fā)控制信號(控制平面)與用戶數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)平面)分離，采用低頻帶、覆蓋區(qū)域大的宏蜂窩用于控制平面，使用高頻率大低功率的小小區(qū)蜂窩負責用戶平面[4-5]。

2013年，諾基亞西門子通信在美國無線通信展上推出了動態(tài)無線電(Liquid Radio)的網(wǎng)絡架構，能夠根據(jù)用戶需求共享和重新分配網(wǎng)絡容量，可為最需要的地區(qū)分配移動寬帶容量[6-7]。

2014年，愛立信與SK電訊聯(lián)合展示了彈性小區(qū)(Elastic Cell)技術[8]。該技術在秉承CoMP規(guī)范的基礎之上引入軟切換概念，實現(xiàn)了每個用戶在同一時間內與多個基站保持通信。

2015年，清華大學提出超級小區(qū)(Super Cell)技術。該技術通過蜂窩虛擬化，降低大量相鄰小區(qū)基站參考信號重疊時產生的干擾[9]。

然而，現(xiàn)有的無定形組網(wǎng)技術其組網(wǎng)仍然是依靠地面上固定部署的各種形態(tài)的蜂窩基站(宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩、毫微微蜂窩以及密集小蜂窩)之間的協(xié)同，其靈活性受限于地面基站的物理部署位置，因此需要研究更為靈活的無定形組網(wǎng)技術。

本文提出了基于“控制覆蓋與業(yè)務覆蓋解耦”“上行傳輸和下行傳輸解耦”的空地協(xié)同無定形組網(wǎng)架構，搭建了系統(tǒng)級仿真平臺，通過仿真數(shù)據(jù)以及語音業(yè)務論證了空地協(xié)同組網(wǎng)能夠提升用戶的業(yè)務體驗。

1 空地協(xié)同無定形組網(wǎng)架構

1.1 控制覆蓋與業(yè)務覆蓋解耦

傳統(tǒng)4G以及4G之前的蜂窩網(wǎng)絡控制覆蓋與業(yè)務覆蓋是緊耦合的,用戶的控制平面連接和數(shù)據(jù)平面連接都是由同一個蜂窩基站負責。然而，控制連接通常是非并發(fā)、低速率的，而業(yè)務連接是并發(fā)、高速率的。

5G網(wǎng)絡提出了雙連接技術，用戶同時與宏基站和小蜂窩基站建立連接，由宏基站負責用戶的控制平面連接，小蜂窩基站負責用戶的數(shù)據(jù)平面連接。這樣，用戶在小蜂窩之間移動，可以避免頻繁切換的問題[10]。

空地協(xié)同無定形組網(wǎng)是在現(xiàn)有5G控制連接和數(shù)據(jù)連接分離的基礎之上，在物理空間上進行分離和優(yōu)化。由地面蜂窩基站維持基本的控制平面覆蓋(廣播、尋呼等)以保證用戶的可連通性，由無人機中繼根據(jù)實際業(yè)務需求柔性地進行布置(“效率優(yōu)先”)。

1.2 上行傳輸與下行傳輸解耦

傳統(tǒng)4G以及4G之前的蜂窩網(wǎng)絡不僅是數(shù)據(jù)與控制共址，上下行覆蓋也是共址的，即基站所處小區(qū)的上行覆蓋和下行覆蓋完全對稱。首先，用戶與基站發(fā)射功率的不平衡性，導致了上下行業(yè)務的覆蓋形態(tài)的不對稱；其次，未來無線業(yè)務的一個突出特征就是上下行流量不對稱性。因此，上下行業(yè)務的最優(yōu)覆蓋形態(tài)也應該是不對稱的。

5G網(wǎng)絡在邏輯層面實現(xiàn)了上行覆蓋與下行覆蓋的解耦。例如，5G提出了附加上行鏈路(Supplementary Uplink，SUL)技術，在小區(qū)邊緣3.5 GHz上行弱覆蓋的地方增開1.8 GHz低頻段作為上行鏈路補充，從而提升5G上行覆蓋[11]。此外，中國移動提出了超級上行技術，通過在上行鏈路以時分雙工(Time Division Duplexing,TDD)使用低頻頻分雙工(Frequency Division Duplexing,FDD載波和高頻TDD載波[12]。由此可見，5G網(wǎng)絡已經(jīng)在邏輯層面實現(xiàn)了上行覆蓋和下行覆蓋的分離。

如圖1所示，空地協(xié)同無定形組網(wǎng)允許同一個用戶從不同的基站實現(xiàn)上行和下行的接入。例如，用戶的上行業(yè)務通過無人機中繼轉發(fā)給地面基站(無人機中繼離用戶更近，能夠增強用戶的上行覆蓋)，下行業(yè)務由地面基站直接發(fā)送給用戶。這樣上行業(yè)務覆蓋和下行業(yè)務覆蓋就可以分別進行獨立的優(yōu)化，從而能在確保覆蓋服務的前提下實現(xiàn)最大限度的能量節(jié)省。

圖1 空地協(xié)同無定形組網(wǎng)架構

2 空地協(xié)同組網(wǎng)協(xié)議棧設計以及工作流程

2.1 空地協(xié)同協(xié)議棧設計

本文提出了一種異構無人機中繼的無定形組網(wǎng)系統(tǒng)模型，其中異構中繼系統(tǒng)指源節(jié)點、中繼節(jié)點、目的節(jié)點之間采用不同的通信制式。無人機中繼和地面基站之間采用的接入技術為長期演進(Long Term Evolution，LTE)系統(tǒng)標準協(xié)議，無人機中繼與目的用戶之間采用的接入技術為基于IEEE802.11n/g系列標準的協(xié)議。之所以空地協(xié)同組網(wǎng)不采用同構中繼架構，是因為現(xiàn)有地面蜂窩基站通常是密集組網(wǎng)，而空中無人機中繼是可移動的，如果無人機中繼采用與地面蜂窩基站相同的通信制式，那么就相當于在地面密集蜂窩網(wǎng)絡中引入了可移動的干擾源。因此，需要實時對可移動無人機中繼進行網(wǎng)絡部署、參數(shù)配置和性能優(yōu)化，這給空地協(xié)同組網(wǎng)增加了復雜性。本文采用異構中繼架構，無人機中繼與目的用戶之間的工作頻段是工業(yè)、科學和醫(yī)用(Industrial Scientific Medical，ISM)免授權頻段，而無人機中繼和地面基站之間工作頻段是授權頻段。因此，可移動空中無人機中繼與地面蜂窩基站網(wǎng)絡之間不存在干擾。

由于無人機中繼是異構中繼，因此需要在用戶端實現(xiàn)雙協(xié)議棧。通常情況下，用戶端都同時支持LTE協(xié)議和IEEE802.11n/g協(xié)議，因此在硬件實現(xiàn)上不存在問題。但是，雙協(xié)議棧之間需要通過隧道協(xié)議實現(xiàn)用戶IP數(shù)據(jù)包的透傳，因此用戶端需要軟件升級。通常情況下，隧道協(xié)議可以分為鏈路層隧道協(xié)議(L2F、PPTP、L2TP)和網(wǎng)絡層隧道協(xié)議(VTP、IPSec、Socket等)。本文設計了基于LTE的分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(Packet Data Convergence Protocol,PDCP)層隧道，在PDCP層實現(xiàn)用戶IP數(shù)據(jù)包的協(xié)議轉換，如圖2所示。具體地，在上行方向，用戶的上行IP數(shù)據(jù)包，通過LTE的PDCP層隧道，然后通過IEEE802.11協(xié)議棧將IP數(shù)據(jù)包發(fā)送給無人機中繼，無人機中繼從IEEE802.11協(xié)議棧中將IP數(shù)據(jù)包解析出來，然后再次通過LTE協(xié)議棧發(fā)送至地面蜂窩基站；在下行方向，地面蜂窩基站通過LTE協(xié)議棧將用戶數(shù)據(jù)包轉發(fā)至無人機中繼，無人機中繼將PDCP數(shù)據(jù)包解析出來，通過PDCP層隧道，繼而通過IEEE802.11協(xié)議棧轉至用戶。

圖2 基于隧道的異構無人機中繼協(xié)議棧

2.2 空地協(xié)同工作流程

2.2.1 無人機中繼的發(fā)現(xiàn)

對于用戶來說，需要一定的機制來識別自身是否處在無人機中繼的覆蓋范圍之內、當前接入無人機中繼的用戶數(shù)目，以及無人機與地面蜂窩基站之間信道質量信息，以輔助用戶決定是否通過無人機進行數(shù)據(jù)平面的轉發(fā)服務。

為了獲取上述信息，一種方法是由地面蜂窩基站通過控制平面的系統(tǒng)廣播中發(fā)送。但是，考慮到并不是所有的用戶(例如，小區(qū)中心用戶或者低速率業(yè)務用戶)都需要無人機中繼服務，地面蜂窩基站通過系統(tǒng)廣播消息廣播上述信息，將大大增加不需要無人機服務的用戶周期性讀取系統(tǒng)廣播消息而產生的功耗。另一種方法是由 無人機中繼以beacon幀的方式進行廣播。這時需要對beacon幀進行擴展設計，在beacon幀中添加相關信息：無人機中繼當前所在的小區(qū)信息、當前接入無人機中繼的用戶數(shù)目和無人機與地面蜂窩基站之間信道質量信息。

2.2.2 無人機中繼的激活/去激活

用戶應該在自身信道條件下降到一定程度后再激活無人機中繼服務。如果用戶的信道條件并沒有降低到一定程度而過早地開啟無人機中繼服務，那么可能由于增加一跳中繼鏈路引起額外的時延導致開啟無人機中繼后用戶體驗差于開啟無人機中繼前的體驗。因此，當用戶觸發(fā)A2事件(當前地面蜂窩基站小區(qū)質量比門限差)，用戶開啟異頻測量。當開啟異頻測量后，用戶開始尋找合適的無人機中繼，如果 B1事件(鄰小區(qū)無人機中繼小區(qū)質量比門限好)發(fā)生，則地面蜂窩基站會通過信令為該用戶激活無人機中繼服務；如果A1事件(當前地面蜂窩基站小區(qū)質量比門限好)發(fā)生，則關閉異頻測量。

用戶開啟無人機中繼服務之后，如果B2事件(當前無人機中繼小區(qū)質量比門限差，鄰小區(qū)地面蜂窩基站小區(qū)質量比門限好)發(fā)生，地面蜂窩基站則會為該用戶去激活無人機中繼服務。

無人機中繼激活/去激活的工作流程如圖3所示。

圖3 無人機中繼激活/去激活工作流程

2.2.3 無人機中繼的重新選擇

開啟無人機中繼服務的用戶可能由于自身的移動而離開無人機中繼的服務范圍，因此地面蜂窩基站需要及時將離開無人機覆蓋的用戶移除源無人機的服務，由用戶自行重新尋找新的合適無人機中繼，再啟動無人機中繼服務。之所以需要分兩步進行，是由于被服務用戶處于與當前的中繼用戶連接狀態(tài)時，無法接收其他中繼用戶發(fā)送的beacon幀，因而無法獲得它們的信道質量，故無法選擇到更好的無人機上。因此，通過在當前的中繼用戶信道下降到一定程度后主動斷開與此中繼用戶的連接并掃描其他中繼用戶，即可實現(xiàn)中繼用戶的重新選擇。

3 性能仿真

3.1 仿真平臺及環(huán)境參數(shù)設置

本文搭建了系統(tǒng)級的仿真平臺，如圖4所示。仿真考慮郊區(qū)場景(小區(qū)的覆蓋半徑為3 km)以及市區(qū)場景(小區(qū)的覆蓋半徑為500 m)。

圖4 系統(tǒng)級仿真拓撲圖(受限與二維展示界面，空中無人機中繼無法展現(xiàn)出來)

整個空地協(xié)同通信系統(tǒng)由7個小區(qū)組成。每個小區(qū)由1個地面宏蜂窩基站、低空3個無人機中繼以及移動用戶組成。受限于二維展示界面，低空無人機中繼無法在圖4的仿真拓撲中展現(xiàn)出來。無人機中繼是懸停的，為其覆蓋范圍內無線信道質量較差的用戶提供中繼服務，其懸停規(guī)劃不在本文討論范圍之內。移動用戶在本小區(qū)范圍隨機游走。當移動用戶的無線信道質量較差時，其按照2.2節(jié)所述的激活無人機中繼服務；當移動用戶無線鏈路質量恢復或者其移動離開無人機中繼覆蓋范圍，其去激活無人機中繼服務。

本文選取了數(shù)據(jù)類視頻業(yè)務和語音類基于IP的語音傳輸(Voice over IP,VoIP)業(yè)務進行仿真驗證，具體的系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.2 無人機中繼激活成功率分析

空地協(xié)同無定形組網(wǎng)采用控制覆蓋和業(yè)務覆蓋分離的架構，因此用戶需要先與地面蜂窩基站建立RRC信令連接之后再激活無人機中繼服務，由無人機中繼負責業(yè)務連接。一般認為，激活無人機中繼服務的用戶通常處于陰影衰落和穿透損耗較大的區(qū)域，在這一區(qū)域中用戶建立RRC連接的過程本身就很容易失敗，導致后續(xù)根本無法激活無人機中繼服務。因此需要首先仿真評估無人機中繼服務的激活成功率，結果如圖5所示。

圖5 在廣覆蓋(ISD 3 km)場景下無人機中繼服務激活失敗概率

在密集覆蓋(ISD 500 m)場景中，無論是FDD系統(tǒng)還是TDD系統(tǒng)，在視頻以及VoIP業(yè)務場景下用戶都能夠成功激活無人機中繼服務。這是因為在密集覆蓋場景下用戶的無線信道質量較好，因此能夠成功與地面蜂窩基站建立信令連接，并觸發(fā)開啟無人機中繼。

隨著地面蜂窩基站覆蓋范圍的增加，處于小區(qū)邊緣的用戶的無線信道質量逐漸下降。在廣覆蓋(ISD 3 km)場景中，在FDD配置下用戶能夠成功開啟無人機中繼，而在TDD配置下用戶存在無人機中繼激活失敗的情況。這是因為相較FDD配置，系統(tǒng)在TDD配置下無線資源更加受限。處于小區(qū)邊緣的用戶由于自身信道質量較差而系統(tǒng)資源又受限，因此無法與地面蜂窩基站交互信令以激活無人機中繼服務。

進一步觀察在TDD配置下的仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，在相同的每無人機中繼服務3/6個用戶場景下，視頻業(yè)務場景下無人機中繼激活的成功概率要低于VoIP業(yè)務場景。這是因為視頻業(yè)務場景下先開啟無人機中繼服務的用戶將消耗系統(tǒng)更多的無線資源，導致后續(xù)希望開啟無人機中繼服務的用戶無法與地面蜂窩基站交互信令以激活無人機中繼服務。

此外，無論是VoIP業(yè)務還是視頻業(yè)務場景，隨著每個無人機中繼服務的用戶數(shù)目的增多，無人機中繼建立失敗率越高。每個無人機中繼服務6個用戶時，無人機中繼激活的成功概率小于每個無人機中繼服務3個用戶的情況。這是因為每個無人機中繼服務的用戶數(shù)越多，無人機中繼前向鏈路以及回傳鏈路的無線資源越緊張，導致后續(xù)希望開啟無人機中繼服務的用戶無法與地面蜂窩基站交互信令以激活無人機中繼服務。

仿真表明，在用戶無線信道環(huán)境極端較差的情況下，空地協(xié)同無定形組網(wǎng)可能需要采用控制覆蓋和業(yè)務覆蓋耦合的架構(即由空中無人機中繼負責用戶的控制平面和業(yè)務平面)，以確保用戶能夠正常發(fā)起業(yè)務。

3.3 無人機中繼激活/去激活控制平面建立時延分析

本節(jié)繼續(xù)評估空地協(xié)同無定形組網(wǎng)采用控制覆蓋和業(yè)務覆蓋分離(控制平面信令不經(jīng)由無人機中繼)以及控制覆蓋和業(yè)務覆蓋耦合(控制平面信令經(jīng)由無人機中繼)的架構場景下控制平面建立時延，結果如圖6所示。

圖6 無人機中繼激活/去激活下控制平面建立時延

整體而言，無論是系統(tǒng)是TDD1配置模式，還是FDD配置模式，開啟無人機中繼之后控制平面建立時延都相較未開啟無人機中繼要縮短。特別地，在 TDD1配置模式，開啟無人機中繼之后控制平面建立時延，相較未開啟無人機中繼，縮短的比例比FDD配置模式下更為顯著。這是由于相較TDD1配置，在FDD配置下系統(tǒng)無線資源較為充足，因此激活無人機中繼服務對用戶的服務質量改善不如TDD1場景下更為明顯。

3.4 無人機中繼開啟/未開啟業(yè)務平面?zhèn)鬏敃r延分析

在未開啟無人機中繼之前，小區(qū)邊緣用戶?地面基站之間是LTE接口。LTE協(xié)議在在物理層采用混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat reQuest,HARQ)協(xié)議，確保數(shù)據(jù)包的正確接收。小區(qū)邊緣用戶的信道質量較差，會導致物理層HARQ協(xié)議頻繁觸發(fā)重傳。因此，在開啟無人機中繼之前用戶的傳輸時延主要由HARQ的重傳時延決定。

在開啟無人機中繼之后，無人機中繼的前向鏈路(小區(qū)邊緣用戶?無人機中繼)是IEEE802.11g/n協(xié)議，無人機中繼的回傳鏈路(無人機中繼?地面基站)是LTE協(xié)議。IEEE802.11g/n協(xié)議鏈路層采用CSMA/CA協(xié)議，多個用戶數(shù)據(jù)包傳輸主要由傳輸?shù)却?退避時延決定。因此，在未開啟無人機中繼之后用戶的傳輸時延主要由CSMA/CA傳輸?shù)却?退避時延以及 HARQ的重傳時延決定。

如圖7所示，在啟動無人機中繼之后，VoIP業(yè)務端到端時延下降了約4 ms。

圖7 無人機中繼激活/去激活下用戶VoIP業(yè)務端到端時延

為用戶激活無人機中繼服務前后物理層HARQ重傳次數(shù)對比如圖8所示。從圖中可以看出，在未開啟無人機中繼服務之前，小區(qū)邊緣用戶?地面基站之間HARQ平均重傳次數(shù)為2～4次，而開啟無人機中繼服務之后，無人機中繼?地面回傳鏈路的HARQ平均重傳次數(shù)為1次。由此可以看出，由于無人機中繼的回傳鏈路重傳次數(shù)顯著減小，所以縮短了用戶端到端的傳輸時延。

圖8 無人機中繼激活/去激活下用戶HARQ平均重傳次數(shù)

4 結束語

本文提出了空地協(xié)同無定形組網(wǎng)技術?？盏貐f(xié)同無定形組網(wǎng)采用控制覆蓋和業(yè)務覆蓋分離的架構，即由地面蜂窩基站負責用戶控制平面連接，由空中無人機中繼負責用戶業(yè)務平面連接。從仿真結果可以看出，無人機中繼通過縮短用戶與基站之間的通信距離可以有效地改善用戶的信道質量，從而提升用戶的業(yè)務速率。

然而，激活無人機中繼服務的前提是需要用戶先與地面蜂窩基站建立信令連接之后再激活無人機中繼服務。由于需要激活無人機中繼服務的用戶通常處于陰影衰落和穿透損耗較大的區(qū)域，因此在這一區(qū)域中用戶建立信令連接過程本身就很容易失敗，導致后續(xù)根本無法激活無人機中繼服務。在這種情況下，空地協(xié)同無定形組網(wǎng)需要采用控制覆蓋和業(yè)務覆蓋耦合的架構，由空中無人機中繼同時承載用戶的控制平面連接和業(yè)務平面連接。

由此可見，空地協(xié)同組網(wǎng)的網(wǎng)絡架構需要以用戶為中心，依據(jù)用戶的實際無線信道情況進行適配演化，這也給空地協(xié)同組網(wǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)，需要進一步深入研究。