基站直连智能超表面的区域覆盖增强方法、装置及设备与流程

本发明涉及通信，具体涉及一种基站直连智能超表面的区域覆盖增强方法、装置及设备。

背景技术：

1、随着5g技术的普及，低空领域的空时资源逐渐被人们发掘，无人机及其衍生的有载飞行器设备的应用引起了广泛的关注，低空用户的信号覆盖需求日益强烈。传统移动通信网络中，信号覆盖专注于为地面用户提供信号服务，基站波束的倾角一般向下，现有场景化波束也多为地面场景设计，这导致了依靠现有传统蜂窝网络，无法满足低空领域的网络覆盖要求。大规模mimo技术的出现，使得天线波束具有了3d赋形能力，使其能基于原二维平面波束在垂直维度上进行扩展，使得天线信号的指向更加精确和灵活。这也为传统蜂窝信号能由地面覆盖向空中延展提供了可能。然而，传统平面蜂窝覆盖结构在对立体空间进行覆盖扩展的过程中，由于天线倾角、信号波宽等天线参数的调整存在局限性，且目前的场景化波束是专为地面用户进行信号覆盖而设计的，缺乏垂直维度的波束设计，严重影响了立体空间覆盖率。因此，对立体空间进行信号覆盖的方法进一步的研究和探索，成为无线网络向立体空间延展过程中实现信号覆盖的首要任务。

2、现有技术，针对地面基站在立体覆盖延展问题，大多是利用场景化波束来进行低空信号覆盖，但场景化波束配置少、不灵活，并且大部分配置在垂直方向时具有波宽较小、天线倾角下斜的问题，无法对低空区域提供良好的信号服务。另外，由于现有基站天线结构的特点，天线参数的调整难度大、精度差，需要基站断电专业人员上塔进行多次人工调整和测试，这导致了区域内的信号服务的中断，给用户带来极大的不便，影响用户的正常通信和业务使用。

3、因此亟需寻找一种具有广泛应用场景、方便部署且能灵活配置天线参数的方法，为日益增长的低空领域信号覆盖需求提供高效服务。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种基站直连智能超表面的区域覆盖增强方法、装置及设备。

2、本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种基站直连智能超表面的区域覆盖增强方法，区域覆盖增强方法基于三基站波束协同覆盖模型执行，三基站波束协同覆盖模型中的每个基站均搭载天线和基站直连式智能反射面，区域覆盖增强方法包括：

4、基于三基站波束协同覆盖模型采用蒙特卡罗方法，获取待服务的立体单元的柱内覆盖率和柱内重叠率；

5、通过柱内覆盖率对天线垂直波宽进行计算，得到初始天线垂直波宽；

6、基于柱内重叠率和初始天线垂直波宽，采用粒子群优化算法对天线参数给定值进行优化调整处理，得到天线参数值；

7、利用天线参数值计算基站直连式智能反射面的相位变化梯度值；

8、采用相位变化梯度值对基站直连式智能反射面进行控制调整，得到调整的智能反射面，通过调整的智能反射面完成立体单元的区域覆盖。

9、可选地，三基站波束协同覆盖模型中设置有三个基站，三个基站包括：第一基站、第二基站和第三基站；

10、每个三基站波束协同覆盖模型服务于一个立体单元；

11、天线的信号辐射形状为四棱锥；天线为定向天线；

12、在距离天线预设位置处，设置有基站直连式智能反射面；

13、在三基站波束协同覆盖模型中，基站直连式智能反射面对于每个基站的典型信号反射阵元的相位变化梯度表示为：

14、

15、

16、其中，dv表示纵向相位变化梯度值，dh表示横向相位变化梯度值，n表示基站直连式智能反射面的材料折射率，α表示典型纵向信号与基站直连式智能反射面的夹角，θ表示天线的下倾角，β表示典型横向信号与基站直连式智能反射面的夹角，表示典型横向信号的入射角，λ表示天线发射信号的波长；其中，典型纵向信号为四棱锥在侧视角度的边，典型横向信号为四棱锥在主视角度的边。

17、可选地，柱内覆盖率表示为：

18、

19、其中，q1表示柱内覆盖率值，num1表示落于第一基站n1波束覆盖范围区域内的采样点个数，num2表示未落于第一基站n1波束覆盖范围内但落于第二基站n2的覆盖范围的采样点的个数，num3表示仅落于第三基站n3覆盖范围内的采样点个数，p表示天线发射功率；

20、柱内重叠率表示为：

21、

22、q2表示柱内重叠率值，num4表示同时被两个或两个以上基站波束覆盖的采样点个数。

23、可选地，通过柱内覆盖率对天线垂直波宽进行计算，得到初始天线垂直波宽，包括：

24、固定三个基站中任意两个基站的天线垂直波宽的给定值，调节三个基站中除任意两个基站之外的剩余基站的天线垂直波宽的给定值，使柱内覆盖率达到局部最优值，得到剩余基站对应的第一天线垂直波宽；

25、基于第一天线垂直波宽，调节任意两个基站的天线垂直波宽的给定值，使柱内覆盖率达到局部最优值，得到任意两个基站对应的第二天线垂直波宽和第三天线垂直波宽；

26、将第一天线垂直波宽、第二天线垂直波宽和第三天线垂直波宽，作为初始天线垂直波宽。

27、可选地，天线参数值包括：天线水平波宽、天线垂直波宽以及天线倾角。

28、可选地，基于柱内重叠率和初始天线垂直波宽，采用粒子群优化算法对天线参数给定值进行优化调整处理，得到天线参数值，包括：

29、将初始天线垂直波宽和天线倾角给定值映射到天线信号覆盖上下限，得到映射结果；

30、基于粒子群优化算法和映射结果，将柱内重叠率取最小值时对应的天线参数给定值作为天线参数值。

31、可选地，相位变化梯度包括：纵向相位变化梯度和横向相位变化梯度。

32、可选地，利用天线参数值计算基站直连式智能反射面的相位变化梯度值，包括：

33、基于天线垂直波宽和天线倾角采用如下公式，计算得到纵向夹角；纵向夹角为典型纵向信号与基站直连式智能反射面的夹角：

34、c2'＝α1-α2；

35、

36、α1表示第一纵向夹角，α2表示第二纵向夹角，c2'表示天线垂直波宽，c3'表示天线倾角；

37、基于纵向相位变化梯度的计算公式以及纵向夹角，计算得到纵向相位变化梯度值；

38、基于天线水平波宽，采用如下公式，计算得到横向夹角，横向夹角为典型横向信号与基站直连式智能反射面的夹角：

39、c1'＝π-β1-β2；

40、β1＝β2；

41、c1'表示天线水平波宽，β1表示第一横向夹角，β2表示第二横向夹角；

42、基于横向相位变化梯度的计算公式以及横向夹角，计算得到横向相位变化梯度值。

43、第二方面，本发明提供了一种基站直连智能超表面的区域覆盖增强装置，基站直连智能超表面的区域覆盖增强装置包括：获取单元、计算单元、优化调整单元以及控制调整单元；

44、获取单元用于：基于三基站波束协同覆盖模型采用蒙特卡罗方法，获取待服务的立体单元的柱内覆盖率和柱内重叠率；

45、计算单元用于：通过柱内覆盖率对天线垂直波宽进行计算，得到初始天线垂直波宽；

46、优化调整单元用于：基于柱内重叠率和初始天线垂直波宽，采用粒子群优化算法对天线参数进行优化调整处理，得到天线参数值；

47、计算单元还用于：利用天线参数值计算基站直连式智能反射面的相位变化梯度值；

48、控制调整单元用于：采用相位变化梯度值对基站直连式智能反射面进行控制调整，完成区域覆盖。

49、第三方面，本发明提供一种基站直连智能超表面的区域覆盖增强设备，包括：处理器、存储介质和总线，存储介质存储有处理器可执行的机器可读指令，当基站直连智能超表面的区域覆盖增强设备运行时，处理器与存储介质之间通过总线通信，处理器执行机器可读指令，以执行如上述第一方面基站直连智能超表面的区域覆盖增强方法的步骤。

50、本发明提供了一种基站直连智能超表面的区域覆盖增强方法、装置及设备。其中，区域覆盖增强方法基于三基站波束协同覆盖模型执行，三基站波束协同覆盖模型中的每个基站均搭载天线和基站直连式智能反射面，区域覆盖增强方法包括：基于三基站波束协同覆盖模型采用蒙特卡罗方法，获取待服务的立体单元的柱内覆盖率和柱内重叠率；通过柱内覆盖率对天线垂直波宽进行计算，得到初始天线垂直波宽；基于柱内重叠率和初始天线垂直波宽，采用粒子群优化算法对天线参数给定值进行优化调整处理，得到天线参数值；利用天线参数值计算基站直连式智能反射面的相位变化梯度值；采用相位变化梯度值对基站直连式智能反射面进行控制调整，得到调整的智能反射面，通过调整的智能反射面完成立体单元的区域覆盖。在本发明中，针对现有场景化波束在立体单元覆盖延展过程中由于天线物理结构的限制，使得天线垂直波宽的调整范围较小且天线倾角调节受限，导致立体单元的信号覆盖存在空洞的问题，采用基站直连式智能反射面部署方法用于对立体单元提供信号覆盖，通过构建三基站波束协同覆盖模型，利用三基站波束协同覆盖模型中基站直连式智能反射面上的反射阵元的相位变化梯度，可通过基于软件的电压控制来改变材料的电磁特性实现调整的原理，基于三基站波束协同覆盖模型计算得到天线参数值，以此得到基站直连式智能反射面对应的相位变化梯度值，最终以基站直连式智能反射面完成对立体单元的区域覆盖，不仅解决了现有场景化波束调整范围受限的问题，同时还实现了基站对应波束的实时可调整，增强了对立体单元区域覆盖的时效性和准确性。另外，由于基站直连式智能反射面的调整基于软件控制，无需修改现有基站对地面用户覆盖的配置参数，因此可以利用基站控制基站直连式智能反射面的展开与收起，实现自由、快速地对地面覆盖和对立体单元覆盖两种覆盖模式的切换，令覆盖区域的网络规划更加便捷和灵活。同时，由于本发明方法中，无需人员多次重启基站、调试参数，从而避免了地面基站因断电调参处理，所造成的区域服务中断情况，提高了低空领域信号覆盖的灵活性和高效性。

51、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。