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VIP专享VIP免费

第一章绪论第一章绪论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(UnmannedAerialVehicle,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（AerialBaseStation,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。主无人机作为第一章绪论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第一章绪论为地面用户提供了更高服务质量的无线通信服务。第三章单个无人机基站的位置部署优化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...