基于无人机的通信网络关键问题与优化研究 通信工程专业.docx

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1、第一章绪论1.1 研究背景及意义目前，随着全球蜂窝网络覆盖需求的增加，无人机(UnmannedAeriaIVehicle,UAV)和蜂窝网络的结合可以用一种成本更为低廉，但又具有高度移动性的手段支撑无人飞行器，并且还提供了建立新的专用地面网络的可能性。在城市中流量热点密集的地区，传统蜂窝基站的覆盖范围不能满足需求时，无人机可依据其高灵活性与部署方便的特点快速对热点区域进行覆盖和业务分流，具有广阔的应用场景。无人机作为空中基站(AeriaIBaSeStation,ABS),当热点区域存在多样或大量的服务需求时，可帮助地面宏基站提供高速率的数据覆盖。而且如果区域内出现流量聚集或者超负载，无人机蜂窝

2、基站还可以实现缓和下行流量的拥塞状况。此外，同时被无人机蜂窝基站和宏基站笼盖的地区用户在选择服务时，可以依据用户优先级、信号强度信息或者与基站的距离信息选择宏基站服务或无人机机载基站。对于ABS的部署，可以基于地面用户的时、空间分布特性确定无人机的部署位置。无人机覆盖扩展场景如图1-1所示。图1-1无人机覆盖扩展场景与地面基站相比，无人机基站更能够适应环境的变化，所以无人机应该被部署在基础设施未覆盖的区域中，在发生紧急情况时，以提供紧急通信链接。比如发生地震、海啸和山洪等自然灾害时，地面基站一般都会被破坏的面目全非，此时灾区的通信基础设施必受损害，出现无法提供通信服务的情况，这极大地阻碍了救援

3、工作。而基础通信设施无法制约无人机基站，因此在灾区可以通过主无人机快速为灾区提供规模客观的并且比较可靠的通信。主无人机作为空中基站是比较固定的，可为紧急通信控制中心提供可靠的通信覆盖范围，从无人机负责覆盖边缘用户，也是一个空中基站，只是它并不固定，而是飞行状态，轨迹是以主无人机为圆心的圆。无人机有固定翼无人机和旋转翼无人机之分。其中固定翼无人机能够在空中连续飞行，而旋翼无人机在空中的状态则是盘旋。因此，主无人机采用的是旋转翼无人机，悬停在灾区中心，而从无人机采用固定翼无人机，以恒定速度在以主无人机为中心的灾区边缘飞行，为边缘用户服务。未来对无线通信服务和数据交互的需求会越来越大，应急救援场景和

4、大规模热点事件会层出不穷。虽然固定的地面通信基础设施可以在一定程度上提供相对稳定可靠的通信服务质量，但不能满足一些需求紧急的通信部署要求。由于其较强的灵活性和可操作性，无人机在配备微型基站作为空中基站时，可随时部署在需要通信的区域，来进一步实现无线网络覆盖，在保证其能耗和满足用户接入负荷的基础上，高效改善用户通信服务质量。1.2 研究现状分析目前，无人机基站部署的研究已经取得了一些成果，但仍存在许多问题，有待进一步研究。由于无人机的动态性和灵活性，无人机是承载无线基站的理想平台。但是无人机基站一般需要依靠无线回程链路才能接入地面核心网。同时，无人机基站的部署位置关系到其前向和反向链路的质量，从

5、而影响无线电资源分配策略。当前无人机基站的部署多针对单个无人机基站，问题分析简单，场景较为单一，缺乏系统研究。此外，当目标区域的通信需求发生变化时，很少会将目光投入到无人机基站位置的更新策略上。查阅文献和相关技术发现，目前为止的部署优化算法都还处于基础阶段，只能解决单一性问题，面对多条件、多约束、解集空间大的问题还需要进一步探索。1.3 本文的主要工作本文分析了无人机基站的通信系统特点和无人机通信网络规划。而后，根据单机一维部署的应用场景，深入探索并提出了多个无人机基站的三维空间部署优化策略。通过对地面用户进行分族聚类，利用MATLAB软件对基于循环K-means的算法进行了仿真。找出每个无人

6、机单元在二维水平面上的投影位置，计算其覆盖半径。然后基于发射功率最小化的原则，以路径损耗最小化为目标，对每个无人机基站的高度进行部署优化，最终得到最佳的三维空间坐标，从而确定每个无人机基站的最佳部署位置，最大限度地提高无人机网络的覆盖范围，为地面用户提供了更高服务质量的无线通信服务。第二章无人机基站通信系统2.1 无人机基站通信系统特性及其应用2.1.1 无线信道的概念及其特性信道，即通信信道，是信号传输的媒介。无线信道是一种使用无线信号作为传输介质的传输信道，无线信号通过电磁波在空中进行传输，电子信号从发射器传送到天线，然后以一系列电磁波的形式被天线将信号发送到空中。理想状态下，如果无线信号

7、直接在发射器和预期接收器之间的直接传输时，被称之为视距(Line-of-Sight,LoS)传播，这种传输的能量消耗较小，并且接收器可以获得十分清楚的信号。然而，由于复杂的无线电波传输环境，信号衰落经常发生在无线信道中。由于空气是非引导性介质，因此发送器和接收器之间的路径不清楚，并且无线信号的传输大部分情况不会沿直线传输。如果障碍物阻碍了信号路径，信号就会选择绕过物体、或被物体吸收，当然也可能是表现为反射、衍射或是散射。此时，无线信号将沿着许多不同的路径到达目的地，形成非视距(Non-line-of-Sight,NLOS)传链路下的多径信号。(1)反射、衍射、散射无线信号传输中的“反射”和其他

8、电磁波(例如光或声音)的反射是接近一致的。当电磁波遇到障碍物时，它会反射或反弹回其源头位置。反弹的条件是除碍物的尺寸要大于信号平均波长。例如，微波的平均波长小于1毫米，因此一旦发出，它在遇到微波炉内壁(通常至少15厘米长)时就会反射。在“衍射”中，无线信号在遇到障碍物时会分解为次级波。次级波会沿着被分解的方向继续传送。如果可以看到衍射的无线电信号，则可以看到它们在障碍物周围弯曲。例如，具有锋利边缘的物体，就像墙壁或是桌子的角，都能够引起衍射。“散射”是指信号在许多不同方向上的扩散或反射。当无线信号遇到的障碍物小于信号波长时，就会出现散射现象。另外，表面的粗糙程度也会影响无线信号的散射，越粗糙，

9、无线信号散射发生的越容易，而且方向越广。比如，在街道行走时，两旁的树木和路标会使手机信号发生散射。此外，环境条件(如雾、雨、雪)也可能引起反射、散射和衍射。(2)多路径信号由于反射、衍射和散射的影响，无线信号到达接受点的路径是大不相同的，这些信号也被称之为“多径信号”。多径信号的产生与信号发出的方式和手段无关，它们实际上可以是以相同的强度在由源头向多个方向辐射而出的，或者是源辐射仅向着一个方向辐射而出的。但是，一旦发射信号，由于反射、衍射和散射，它们会产生很多的传送路径。无线信号的多路径的特点既有既是优势也是劣势，一方面，由于信号会在遇到障碍时在障碍物上映射出来，因此更容易到达目的地；在办公楼

10、这种办公大环境下，无线信号由墙壁、天花板、地板和家具上的不断反射，最终到达目的地。但是，另一方面而言，由于路径不尽相同，信号由发射机到达接收机的距离也是大不相同的。为此，同一信号的多个实例被接收器接收的时间之间由较大的差别,从而信号就会出现衰落和延迟，甚至可能会出现丢失的情况。在无线通信领域中，衰落是无线通信信道的主要特性，而衰落又是由各种衰落特性组成的非常复杂的结构，因此了解无线信道的特性尤为重要。2.1.2 无线衰落信道的分类(1)大尺度传播模型该模型用于描述远距离信号传播的变化，主要讨论各种地形和地物对传播信号的屏蔽作用。大规模衰落有路径损耗和阴影效应之分。信号的传输途中的辐射扩散和在信

11、道中传播都会有所损耗，这些损耗统一称为路径损耗。发射器和接收器中间存在的障碍物会引起信号的遮蔽效应，这些障碍会吸收、反射、散射和衍射信号，因此信号功率会有所衰减。(2)小尺度传播模型小尺度模型用于描述短距离或时间内接收信号功率的高速变化，研究的现象是小尺度的衰落。小尺度衰落被分成多径效应和多普勒频移两种，其中多径效应是指在传输过程中，由于信号到达接收器的路径不同，所以接收器接收每个信号的时间不同，由此便会导致干扰延迟，就被称为多径效应；而多普勒频移是相位和频率的变化，这种变化是当移动台以一定速度向某个方向移动时，由于传播路径不同而产生的，随着移动台移动到无线电源的前，会出现波长变短，频率变高，

12、并且电波被压缩的情况。图2T无线衰落信道分类2.1.3 无人机辅助无线通信典型用例(1)无人机对地全覆盖通信模式应用无人机基站可以快速灵活地创建具有规模较大的覆盖范围和高通信质量的无线通信网络，因此对于无人机基站网络能够在许多场景中应用。以下几种场地中可以采用：第一类是地面通信基础设施所覆盖的当前区域之外有通信需求的地区，例如要在野外进行实地考察、工作人员移动区域较大的、用户少而散的，这些对基站的容量需求都比较小，只是需要更广、规模更大的笼盖范围。第二类则是一些人为突发事件造成的局部区域通信故障，需要快速恢复指挥通信，如火灾等突发事件。这种情况需要快速部署无人机网络。第三类是一些地区举办的临时

13、性大型活动，如大型演唱会、比赛等热点事件，需要充分考虑多用户接入和基站负载等因素，对系统容量要求较高。第四类是自然灾害对地面通信设施造成的破坏，需要紧急建立新的通信网络，为应急救援任务提供无缝、全覆盖的通信保障服务。(2)无人机作为中继辅助通信应用在用于长距离通信的数据传输的情况下，无人机的低承载能力、受限的负载和高频天线的运输困难让远程通信数据传输只能通过多架无人机的合作来实现。在无人机中继通信中，任务无人机和中继无人机之间、中继无人机和地面控制终端之间都是有各自需要承担的事务的。无人机之间的数据链路分为上行和下行。上行链路是遥控链路，承担的作用是将地面控制终端的命令信息传输至无人机；下行链

14、路是遥测链路，它的功能是将无人机的遥测信息传送到地面控制站。例如,受灾地区的无人机基站离地面控制站很远，并且无法进行可靠的数据传输。在这种情况下，无人机可以充当地面控制站与无人机基站之间的传输设备，将损坏区域的数据传输到地面控制站，实现远程通信数据传输。无人机作为一种移动中继,可以根据任务进行部署，性价比高，机动性好。与传统的固定中继相比，无人机具有更可优化的尺寸，如灵活的三维位置和飞行路径，可以提高通信性能。任务无人机地面控制站图2-2无人机基站作为中继2.2 无人机基站通信网络规划分析2.2.1 覆盖规划覆盖规划有覆盖区域划分、传播模型分析和链路预算。覆盖区域的划界是根据用户分布和等待被覆

15、盖的目标区域中用户对通信服务的需求对目标区域进行的，从而可以初步估计无人机基站的总体部署情况。比如需要考虑在通信要求密集的区域部署更多的无人机基站，对于评估后续无人机基站部署方案的合理性有很大帮助。对于无人机基站的传播模型，无人机基站在空中的通信使用空对空信道(Air-To-Air,A2A),即LOS链路，只考虑自由空间的路径损耗，而无人机基站与地面的通信使用空对地信道(Air-To-GroUnd,A2G),由LoS链路和NLOS链路组成。链路预算是覆盖规划中起到关键性作用的部分，它计算了无人机基站在整个通信过程中，信号出现加成和消耗，即在满足用户需求的情况下在通信连接中能够出现的最大传输损耗

16、，之后结合信道传播损耗模型来确定无人机基站的覆盖半径，并计算单个无人机基站的覆盖区域。要计算无人机基站的链路损耗及其覆盖能力，首先计算通信过程中最大允许的路径损耗，一般需要针对上行和下行链路分别计算。对于上行链路，最大允许路径损耗由无人机基站接收灵敏度、天线增益、地面用户终端发射功率、天线增益等参数计算得出。下行链路的发起方是无人机基站，接收器是地面用户，所以在计算上与上行链路的相反。无人机基站的笼罩范围通常受上行链路的限制，因此本文仅对上行链路进行预算。上行链路最大允许路径损耗计算公式：1.maX=Pt+Gr-PrLCrthQ-1)其中，R为地面用户终端发射功率，G为发射终端天线增益，Gr为接收终端天线增益，Pr为无人机基站接收灵敏度，Lc为馈线损耗，%为信噪比门限。A2G信道链路损耗计算公式如下：1.=1+e,p(-)+13g(V?)+20