《一種干擾最小化的移動組網方法與系統》是深圳大學、深圳奇蹟智慧網路有限公司於2017年4月11日申請的專利，該專利的公布號為CN107017938A，授權公布日為2017年8月4日，發明人是伍楷舜、王璐、楊海良、鄒永攀。該發明涉及無線通信技術領域。
《一種干擾最小化的移動組網方法與系統》該移動組網方法包括如下步驟：無人機通過無線中繼方式與地面基站建立連線與通信；無人機之間通過無線自組網方式建立連線與通信；多架無人機協作組成蜂窩網路為用戶提供無線網路服務；無人機接收由用戶設備返回的接收信號強度信息，並測量用戶設備信號的波束到達角度信息；運用移動干擾對齊和波束成形的方法，將信號主瓣對準服務用戶的來波方向，零陷對準干擾信號的來波方向，從而找到一個最佳懸停位置。該發明的有益效果是：通過無人機子基站的移動性，減小相鄰小區之間的干擾，發明主要利用了2017年4月之前的無線網路設備，無需安裝專業設備，具有極高的普遍適用性。
2021年11月，《一種干擾最小化的移動組網方法與系統》獲得第八屆廣東專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種干擾最小化的移動組網方法與系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種干擾最小化的移動組網方法與系統
- 申請人：深圳大學、深圳奇蹟智慧網路有限公司
- 申請日：2017年4月11日
- 申請號：2017102338247
- 公布日：2017年8月4日
- 公布號：CN107017938A
- 發明人：伍楷舜、王璐、楊海良、鄒永攀
- 地址：廣東省深圳市南山區南海大道3688號
- 分類號：H04B7/185(2006.01)I、H04B7/06(2006.01)I、H04B7/08(2006.01)I、H04B7/0456(2017.01)N
- 代理機構：深圳市科吉華烽智慧財產權事務所
- 代理人：於標
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著無線通信技術的不斷發展，無線網路設備越來越多，因此無線接入點的數量也隨著增長。在3G和4G中，小區覆蓋範圍變小，基站數量增加，使得小區邊緣變得模糊，同時高的頻譜復用係數不可避免地帶來嚴重的小區間干擾。如何有效覆蓋服務區域的同時減小干擾，提供高質量的通信服務，是無線網路服務提供商關注的重點。在2017年4月之前的組網方法中，小區基站通常位於固定的位置，當小區內的用戶數增大時，干擾也隨之增大，造成小區內用戶通信質量的下降。傳統的組網方法在高用戶密度情況下都有干擾大的問題，而且基站不可移動。
發明內容
技術方案
《一種干擾最小化的移動組網方法與系統》所述移動組網方法，包括如下步驟：
S1.無人機通過無線中繼方式與地面基站建立連線與通信；
S2.無人機之間通過無線自組網方式建立連線與通信；
S3.多架無人機協作組成蜂窩網路為用戶提供無線網路服務；
S4.無人機接收由用戶設備返回的接收信號強度信息，並測量用戶設備信號的波束到達角度信息；
S5.無人機之間共享步驟S4中測量的信息，對於特定的一架無人機，將其服務用戶的蜂窩網路信號作為有用信號，並且將其他無人機蜂窩網路信號作為干擾信號，運用移動干擾對齊和波束成形的方法，將信號主瓣對準服務用戶的來波方向，零陷對準干擾信號的來波方向，從而找到一個最佳懸停位置；
S6.當用戶設備位置發生變化時，重複步驟S4、S5，重新找到最佳懸停位置。
作為該發明的進一步改進，在所述步驟S1中，無人機通過無線中繼方式與地面基站建立連線與通信，鏈路頻率與子基站與用戶之間通信的頻率不同。
作為該發明的進一步改進，所述步驟S3中，多架無人機協作，分散式控制方式決定各無人機的飛行，每架無人機覆蓋一定大小的區域，為所在區域的用戶提供無線網路服務，共同組成移動的蜂窩網路。
作為該發明的進一步改進，所述步驟S4中包括：
S41.用戶設備監測無人機信號的強度，並將此信息通過網路反饋給無人機；
S42.無人機接收來自其服務用戶的信號，運用MUSIC算法，估算用戶設備的來波方向。
作為該發明的進一步改進，所述步驟S5中包括：
S51.無人機之間通過自身網路，將步驟S4中所獲信息共享；
S52.利用基於移動的干擾對齊方法，各無人機使用隨機爬山算法尋找一個位置，使得其他無人機的蜂窩網路信號在該無人機所在位置的干擾最小；
S53.利用波束成形技術，使得每一架無人機的信號主瓣對準各自服務的用戶，減小對其他用戶設備的干擾；
S54.結合步驟S52和S53，找到一個最佳的懸停位置。
該發明還提供了一種干擾最小化的移動組網系統，包括：信號獲取模組：無人機配備多天線，採集來自用戶設備的信號，同時獲得信道狀態信息；信號分析模組：運用MUSIC算法確定用戶設備的來波方向；信號處理模組：利用已知的信號狀態信息，運用預編碼實現波束成形；位置尋找模組：運用隨機爬山算法，無人機找到一個對於其他無人機干擾較小的位置懸停。
作為該發明的進一步改進，所述信號獲取模組包括：採集單元：無人機採集收到的無線信號，根據設備的工作頻率，使用帶通濾波器過濾噪聲及帶外干擾信號，得到待處理信號，同時獲取物理層的信道狀態信息。
作為該發明的進一步改進，所述信號分析模組包括：提取主路徑信息單元：利用多徑信號在時域上的色散，功率延遲分布特性被用來分離通過不同路徑達到接收天線的多徑成分，設定一個功率閾值，將上述用戶信號各路徑信號大於該閾值的認為是主路徑信息；將主路徑信息通過傅立葉變換從時域轉到頻域；到達角度計算單元：根據信號達到天線陣列的相位偏移，可以計算信號到達不同天線的時間差，利用信號在天線陣列到達時間的不同，運用MUSIC算法可以將用戶信號直視路徑的到達角度θ求出。
作為該發明的進一步改進，所述信號處理模組包括：CSI處理單元：將獲取的CSI數據進行平滑處理，以去除信號相干性；波束成形單元：基於平滑後的CSI數據，計算賦形矩陣，信號主瓣對準用戶信號的來波方向，零陷對準干擾信號的來波方向，減小子基站的放射功率，同時可以減小對其他用戶的干擾。
作為該發明的進一步改進，所述位置尋找模組包括：場分布計算單元：對於鄰近的無人機，根據已知的位置信息和無線信號在空間中的標準傳播模型，估計無線信號在空間中的分布；位置尋找單元：無人機運用隨機爬山算法，尋找相鄰無人機信號強度較弱的位置，並在該位置懸停。
有益效果
《一種干擾最小化的移動組網方法與系統》的有益效果是：通過無人機子基站的移動性，減小相鄰小區之間的干擾，發明主要利用了2017年4月之前的無線網路設備，無需安裝專業設備，提出了一種干擾最小化的移動組網方法，具有極高的普遍適用性。
附圖說明
圖1是《一種干擾最小化的移動組網方法與系統》所述移動組網方法的實施流程示意圖；
圖2是該發明移動組網方法中的位置示意圖；
圖3是該發明移動組網系統框架示意圖。
權利要求
1.一種干擾最小化的移動組網方法，其特徵在於，包括如下步驟：
S1.無人機通過無線中繼方式與地面基站建立連線與通信；
S2.無人機之間通過無線自組網方式建立連線與通信；
S3.多架無人機協作組成蜂窩網路為用戶提供無線網路服務；
S4.無人機接收由用戶設備返回的接收信號強度信息，並測量用戶設備信號的波束到達角度信息；
S5.無人機之間共享步驟S4中測量的信息，對於特定的一架無人機，將其服務用戶的蜂窩網路信號作為有用信號，並且將其他無人機蜂窩網路信號作為干擾信號，運用移動干擾對齊和波束成形的方法，將信號主瓣對準服務用戶的來波方向，零陷對準干擾信號的來波方向，從而找到一個最佳懸停位置；
S6.當用戶設備位置發生變化時，重複步驟S4、S5，重新找到最佳懸停位置。
2.根據權利要求1所述的移動組網方法，其特徵在於，在所述步驟S1中，無人機通過無線中繼方式與地面基站建立連線與通信，鏈路頻率與子基站與用戶之間通信的頻率不同。
3.根據權利要求1所述的移動組網方法，其特徵在於，所述步驟S3中，多架無人機協作，分散式控制方式決定各無人機的飛行，每架無人機覆蓋一定大小的區域，為所在區域的用戶提供無線網路服務，共同組成移動的蜂窩網路。
4.根據權利要求1所述的移動組網方法，其特徵在於，所述步驟S4中包括：
S41.用戶設備監測無人機信號的強度，並將此信息通過網路反饋給無人機；
S42.無人機接收來自其服務用戶的信號，運用MUSIC算法，估算用戶設備的來波方向。
5.根據權利要求1所述的移動組網方法，其特徵在於，所述步驟S5中包括：
S51.無人機之間通過自身網路，將步驟S4中所獲信息共享；
S52.利用基於移動的干擾對齊方法，各無人機使用隨機爬山算法尋找一個位置，使得其他無人機的蜂窩網路信號在該無人機所在位置的干擾最小；
S53.利用波束成形技術，使得每一架無人機的信號主瓣對準各自服務的用戶，減小對其他用戶設備的干擾；
S54.結合步驟S52和S53，找到一個最佳的懸停位置。
6.一種干擾最小化的移動組網系統，包括：信號獲取模組：無人機配備多天線，採集來自用戶設備的信號，同時獲得信道狀態信息；信號分析模組：運用MUSIC算法確定用戶設備的來波方向；信號處理模組：利用已知的信號狀態信息，運用預編碼實現波束成形；位置尋找模組：運用隨機爬山算法，無人機找到一個對於其他無人機干擾較小的位置懸停。
7.根據權利要求6所述的移動組網系統，其特徵在於，所述信號獲取模組包括：採集單元：無人機採集收到的無線信號，根據設備的工作頻率，使用帶通濾波器過濾噪聲及帶外干擾信號，得到待處理信號，同時獲取物理層的信道狀態信息。
8.根據權利要求6所述的移動組網系統，其特徵在於，所述信號分析模組包括：提取主路徑信息單元：利用多徑信號在時域上的色散，功率延遲分布特性被用來分離通過不同路徑達到接收天線的多徑成分，設定一個功率閾值，將上述用戶信號各路徑信號大於該閾值的認為是主路徑信息；將主路徑信息通過傅立葉變換從時域轉到頻域；到達角度計算單元：根據信號達到天線陣列的相位偏移，可以計算信號到達不同天線的時間差，利用信號在天線陣列到達時間的不同，運用MUSIC算法可以將用戶信號直視路徑的到達角度θ求出。
9.根據權利要求6所述的移動組網系統，其特徵在於，所述信號處理模組包括：CSI處理單元：將獲取的CSI數據進行平滑處理，以去除信號相干性；波束成形單元：基於平滑後的CSI數據，計算賦形矩陣，信號主瓣對準用戶信號的來波方向，零陷對準干擾信號的來波方向，減小子基站的放射功率，同時可以減小對其他用戶的干擾。
10.根據權利要求6所述的移動組網系統，其特徵在於，所述位置尋找模組包括：場分布計算單元：對於鄰近的無人機，根據已知的位置信息和無線信號在空間中的標準傳播模型，估計無線信號在空間中的分布；位置尋找單元：無人機運用隨機爬山算法，尋找相鄰無人機信號強度較弱的位置，並在該位置懸停。
實施方式
該發明公開了一種干擾最小化的移動組網方法，包括如下步驟：
S1.無人機通過無線中繼方式與地面基站建立連線與通信；
S2.無人機之間通過無線自組網方式建立連線與通信；
S3.多架無人機協作組成蜂窩網路為用戶提供無線網路服務；
S4.無人機接收由用戶設備返回的接收信號強度信息（Received Signal Strength Indicator，RSSI），並測量用戶設備信號的波束到達角度信息（Angle of Arrival，AoA）；
S5.無人機之間共享步驟S4中測量的信息，對於特定的一架無人機，將其服務用戶的蜂窩網路信號作為有用信號，並且將其他無人機蜂窩網路信號作為干擾信號，運用移動干擾對齊和波束成形的方法，將信號主瓣對準服務用戶的來波方向，零陷對準干擾信號的來波方向，從而找到一個最佳懸停位置；
S6.當用戶設備位置發生變化時，重複步驟S4、S5，重新找到最佳懸停位置。
在實際套用中，我們使用多天線收發信機，接收無線信號，子基站為無人機。該方法是基於無人機的移動，在不同的位置上對其他無人機的干擾不同，並用波束成形的方法減小對其他用戶的干擾。工作於同一頻率的基站之間會產生較大的干擾，帶通濾波器並不能濾除同頻干擾。為了獲得服務用戶的來波方向，需要將用戶信號直視路徑分量分離，利用MUSIC算法得到波束的到達角度。通過移動和波束成形，可以將子基站之間和子基站對用戶的干擾最小化。
具體地，所述步驟S1中，無人機作為空中子基站，無人機通過無線中繼方式與地面基站建立連線與通信，同時為了避免帶來新的干擾，該鏈路頻率與子基站與用戶之間通信的頻率不同。
當該系統開始工作時，位於網路邊緣的無人機連線至離其最近的地面基站，上下行鏈路頻點與蜂窩網路頻點不同。所述步驟S2中，子基站自組網，子基站之間通過自組網方式連線並進行通信。所述步驟S3中，多架無人機協作，分散式控制方式決定各無人機的飛行。每架無人機覆蓋一定大小的區域，為所在區域的用戶提供無線網路服務。共同組成移動的蜂窩網路。
室外環境下，因為建築物、樹木等反射物的存在，信號從發射端到接收端的過程會經歷許多的路徑，不同的路徑在達到時間、到達角度上都會有所不同。信號在不同的路徑經歷的衰減也是不同的，他們在時域上會發生色散。較短路徑上的信號在到達天線陣列的時間較早，而較長的路徑的信號到達天線陣列的時間較晚。所以功率延遲分布可以被用來分離直視路徑成分和非直視路徑成分。通過預先設定的一個功率閾值，將大於該閾值的信號認為是可能的直視路徑成分。將選取延時較短部分的信號作為直視路徑分量，通過FFT將信號從時域轉換到頻率，作為下一步驟的輸入。
所述步驟S 4中，計算用戶信號到達角，包括：
S41.用戶設備監測無人機信號的強度，並將此信息通過網路反饋給無人機；
S42.無人機接收來自其服務用戶的信號，運用MUSIC算法，估算用戶設備的來波方向。
在步驟S5中，尋找最小干擾位置，包括：
S51.無人機之間通過自身網路，將步驟S4中所獲信息共享；
S52.利用基於移動的干擾對齊方法，各無人機使用隨機爬山算法尋找一個位置，使得其他無人機的蜂窩網路信號在該無人機所在位置的干擾最小；
S53.利用波束成形技術，使得每一架無人機的信號主瓣對準各自服務的用戶，減小對其他用戶設備的干擾；
S54.結合步驟S52和S53，找到一個最佳的懸停位置。
具體地，如附圖1所示，實現室內干擾源定位的流程。
1）無人機使用與終端網路不同的頻點連線到地面基站；
2）無人機之間通過自組網方式互相連線並通信；
3）多台無人機組成移動的蜂窩網路，為用戶服務；
4）用戶終端設備監測接收到的子基站的信號強度；
5）子基站採集用戶終端的信號；
6）通過MUSIC算法得到用戶終端的信號到達角；
7）根據上述到達角，通過波束成形，將基站信號主瓣對準用戶方向，減小其他方向上用戶的干擾；
8）根據子基站各自的位置，無人機移動並找到對相鄰基站干擾較小的位置。
該發明還公開了一種干擾最小化的移動組網系統，包括：信號獲取模組：無人機配備多天線，採集來自用戶設備的信號，同時獲得信道狀態信息（Channel State Information）；信號分析模組：運用MUSIC算法確定用戶設備的來波方向；信號處理模組：利用已知的信號狀態信息，運用預編碼實現波束成形；位置尋找模組：運用隨機爬山算法，無人機找到一個對於其他無人機干擾較小的位置懸停。無人機的天線數為2根或2根以上。
如附圖3中所示，進一步地，所述信號獲取模組包括：採集單元：無人機採集收到的無線信號，根據設備的工作頻率，使用帶通濾波器過濾噪聲及帶外干擾信號，得到待處理信號，同時獲取物理層的信道狀態信息；進一步地，所述信號分析模組包括：提取主路徑信息單元：利用多徑信號在時域上的色散，功率延遲分布特性被用來分離通過不同路徑達到接收天線的多徑成分，設定一個功率閾值，將上述用戶信號各路徑信號大於該閾值的認為是主路徑信息；將主路徑信息通過傅立葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）從時域轉到頻域。
到達角度計算單元：根據信號達到天線陣列的相位偏移，可以計算信號到達不同天線的時間差。利用信號在天線陣列到達時間的不同，運用MUSIC算法可以將用戶信號直視路徑的到達角度θ求出。
進一步地，所述信號處理模組包括：CSI處理單元：將獲取的CSI數據進行平滑處理，以去除信號相干性。波束成形單元：基於平滑後的CSI數據，計算賦形矩陣，信號主瓣對準用戶信號的來波方向，零陷對準干擾信號的來波方向，減小子基站的放射功率，同時可以減小對其他用戶的干擾。
進一步地，所述位置尋找模組包括：場分布計算單元：對於鄰近的無人機，根據已知的位置信息和無線信號在空間中的標準傳播模型，估計無線信號在空間中的分布。位置尋找單元：無人機運用隨機爬山算法，尋找相鄰無人機信號強度較弱的位置，並在該位置懸停。
無人機具有機動靈活，成本低等優點，將無人機作為空中子基站可以對服務區域很好額覆蓋，同時可以利用移動性可以對覆蓋區域進行控制，對相鄰小區干擾降低。隨著MIMO技術的發展，得益於多天線的使用，使得波束成形等干擾管理方法得以使用。通過無人機子基站的移動性，減小相鄰小區之間的干擾，發明主要利用了2017年4月之前的無線網路設備，無需安裝專業設備，提出了一種干擾最小化的移動組網方法，具有極高的普遍適用性。
榮譽表彰
2021年11月，《一種干擾最小化的移動組網方法與系統》獲得第八屆廣東專利獎優秀獎。
