無(wú)人機(jī)通信效能的優(yōu)化方案研究

中航通飛研究院有限公司 王可涵

近年來(lái)，無(wú)人駕駛飛機(jī)的操作已在各個(gè)領(lǐng)域得到利用，并且許多無(wú)人駕駛飛機(jī)將在不久的將來(lái)出現(xiàn)。使用多架無(wú)人機(jī)可以提供許多用于無(wú)線通信的程序，但同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)性挑戰(zhàn)。本文著重于如何在通信效率方面使用無(wú)人機(jī)來(lái)優(yōu)化資源。在將高速有限能量的多無(wú)人機(jī)中繼通信平臺(tái)將會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)空地通道建模。為了無(wú)人機(jī)獲得了可靠的通信性能，所以必須對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。本文介紹了一種優(yōu)化無(wú)人飛行器重復(fù)傳輸和通信系統(tǒng)性能的方法。

無(wú)人通信由于其高度的靈活性，可操作性和低成本而在無(wú)線通信中扮演著越來(lái)越重要的角色。非正交多路訪問(wèn)（noma）技術(shù)和毫米波技術(shù)是滿足5G爆炸性數(shù)據(jù)流需求的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。因此，最近的研究已經(jīng)將諾瑪波和毫米波應(yīng)用于無(wú)人飛行器（uav）地面通信網(wǎng)絡(luò)，以提高網(wǎng)絡(luò)滿足用戶服務(wù)質(zhì)量需求的能力。研究文件的標(biāo)題是“毫米波兼容的noma-uav網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能設(shè)計(jì)”，通過(guò)共同優(yōu)化無(wú)人機(jī)的位置并混合預(yù)編碼矢量和功率分配，可以實(shí)現(xiàn)毫米波技術(shù)的能源效率無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)力圖最大化。

1 無(wú)人機(jī)通信效能的優(yōu)化方案研究的必要性

1.1 無(wú)人機(jī)通信效能優(yōu)化的認(rèn)識(shí)

無(wú)人機(jī)現(xiàn)在更便宜，更實(shí)惠，并且能夠攜帶各種嵌入式發(fā)射器功能，計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備，使無(wú)人機(jī)成為當(dāng)前科學(xué)研究的頂峰之一。當(dāng)前的大部分研究仍集中在單個(gè)或小型無(wú)人機(jī)內(nèi)作為替代通信渠道的場(chǎng)景，其主要屬性涉及無(wú)人駕駛模型搜尋，性能分析領(lǐng)域并針對(duì)無(wú)人機(jī)的駐地和路線進(jìn)行了優(yōu)化。雖然這架無(wú)人機(jī)可能無(wú)法有效地處理復(fù)雜的任務(wù)，但多架無(wú)人機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，可以將具有不同功能的多架無(wú)人機(jī)組合到一個(gè)高性能系統(tǒng)中。其次，無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以支持地面設(shè)施并提供通用的通信網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)更廣泛可行。

1.2 無(wú)人機(jī)通信效能的安全性

近年來(lái)，由于無(wú)人機(jī)在軍事偵察，消防，空中監(jiān)視，遙測(cè)和救災(zāi)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)在世界范圍內(nèi)的比例一直很高。就像現(xiàn)在一樣，未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)不僅將限于二維級(jí)別，而且還將限于地面的詩(shī)意基礎(chǔ)。無(wú)人機(jī)的迅速發(fā)展使得在三維空間中處理無(wú)數(shù)這樣的站成為可能。帶有無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)可以具有多種功能，例如在功能區(qū)域中支持本地蜂窩網(wǎng)絡(luò)，或者在公共安全和災(zāi)難管理的情況下快速建立應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。

2 無(wú)人機(jī)通信效能網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

2.1 無(wú)人機(jī)通信效能的主要性能

針對(duì)優(yōu)化的動(dòng)態(tài)用戶中無(wú)人機(jī)會(huì)重復(fù)通信系統(tǒng)容量性能的問(wèn)題，提出了無(wú)人機(jī)航路的規(guī)劃方法。首先，分析系統(tǒng)中單個(gè)連接的穿越能力的近似計(jì)算公式；在此基礎(chǔ)上，提出了在基于加權(quán)路徑上的容量和最大化準(zhǔn)則的無(wú)人機(jī)航跡的規(guī)劃方法，并進(jìn)行了理論分析，給出了優(yōu)化路徑上單個(gè)連接路徑容量的封閉式表示：計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

仿真結(jié)果表明，組合功率分配的無(wú)人機(jī)通道規(guī)劃方法比具有相同功率分布的獨(dú)特?zé)o人機(jī)通道規(guī)劃方法具有更好的中斷性能。

無(wú)人機(jī)可以充當(dāng)基站，定向系統(tǒng)和用戶，并通過(guò)有效的協(xié)調(diào)將許多無(wú)人機(jī)的節(jié)點(diǎn)連接到空中復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著諸如地面通信的支持和信息獲取之類的任務(wù)。具有多個(gè)無(wú)人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和使用面臨許多挑戰(zhàn)，與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比，該網(wǎng)絡(luò)中資源的適應(yīng)性要求檢查某些屬性。

2.2 無(wú)人機(jī)的通信效能信任模型

無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)與地面通信時(shí)的第一個(gè)樂(lè)高代碼主要由開(kāi)放路徑（LoS，視線，HT）和不完善路徑（NLoS，無(wú)視線）組成，然后它們的存在取決于環(huán)境的類型，建筑物的高度和密度以及無(wú)人機(jī)及其在地面上的目標(biāo)的作案者位置。

高速節(jié)點(diǎn)：無(wú)人機(jī)的移動(dòng)速度比地面用戶快得多，這可能導(dǎo)致無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，并將會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)之間的連接信號(hào)中斷。

能量是有限的：由于容量的限制，無(wú)人機(jī)的可用能量是非常有限的，因此節(jié)省了飛行和通信是非常至關(guān)重要的。

控制功能強(qiáng)大：安全信號(hào)會(huì)確保在指定的復(fù)雜環(huán)境中無(wú)人機(jī)通信安全性能和穩(wěn)定性。

2.3 無(wú)人機(jī)的通信效能的信號(hào)模型

根據(jù)所需的系統(tǒng)，UAV作為投擲/超控系統(tǒng)運(yùn)行，分兩階段接收，在良好服務(wù)任務(wù)的節(jié)點(diǎn)處接收到信號(hào)sg-9，P表示BS的感覺(jué)能力：從雷達(dá)系統(tǒng)支持的bg信號(hào)開(kāi)始，E/sf=1；daR=BS移除無(wú)人機(jī)中的節(jié)點(diǎn)；UAV節(jié)點(diǎn)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)的np使用后記可以建模為零，Bae代表BS和UAV節(jié)點(diǎn)之間的Bi（弱）測(cè)量值，這會(huì)導(dǎo)致部落收集者。它是一個(gè)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的變量，平均值為零，平方偏差為1。在第二階段，無(wú)線電信號(hào)由節(jié)點(diǎn)解密，然后重新編程SG-9從文本信號(hào)傳輸?shù)接脩艄?jié)點(diǎn)（U，i=2N），在發(fā)送來(lái)自UAV節(jié)點(diǎn)的信號(hào)的模型上，頻率E/fe=1；de代表代表UAV節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)到用戶u無(wú)線電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)之間的距離，并且GRj測(cè)量UAV的節(jié)點(diǎn)與用過(guò)的u的節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)存量衰減系數(shù)，該平均值作為平均值上的隨機(jī)值得出零和二次方差1的計(jì)算值：n。用戶U的“節(jié)點(diǎn)”輸入，并建模值為零，方差為高斯噪聲。通過(guò)公式可以測(cè)量的無(wú)人機(jī)的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)使接收輸入瞬時(shí)信噪比。根據(jù)Shannon方程，bs～uav中繼節(jié)點(diǎn)，而uav中繼用戶u節(jié)點(diǎn)中鏈路的瞬時(shí)容量。在此，系數(shù)2/4表示系統(tǒng)半雙工的數(shù)據(jù)傳輸特性。

3 無(wú)人機(jī)通信中的頻譜共享

觀察無(wú)人機(jī)在空中的位置，這些無(wú)人機(jī)由地面上的基站控制。無(wú)人機(jī)可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)通信：連接到基站或與最近的無(wú)人機(jī)建立聯(lián)絡(luò)處。為了使用特定的連接資源，對(duì)U2U設(shè)備進(jìn)行了加密，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)線電在U2U設(shè)備中受到干擾，并且U2U通信連接設(shè)備會(huì)違反UAV的優(yōu)勢(shì)。為了保證信號(hào)質(zhì)量，所有UAV（與U2U和U2U的連接）都可以根據(jù)音量播放。讓我們假設(shè)UAV和U2U的所有小腿都隨機(jī)分布在一個(gè)二維平面上，且高度相同，并且位置與中心的陸地視圖相對(duì)應(yīng)。

4 無(wú)人機(jī)通信效能的分析

4.1 通信的仿真分析

隨機(jī)到達(dá)每個(gè)點(diǎn)，平均進(jìn)行500次隨機(jī)嘗試?？梢詫?shí)現(xiàn)最小化U2U的啟動(dòng)功率總和的解決方案。U2U電路的數(shù)量和訪問(wèn)限制更高，并且噪聲系數(shù)和與U2U相關(guān)的噪聲系數(shù)。它對(duì)U2U的啟動(dòng)功率總和有更強(qiáng)的影響，這表明U2U可以使用更少的啟動(dòng)功率進(jìn)行通信。所有曲線都具有相似的趨勢(shì)，并且隨著H的增加，曲線先上升然后下降。這是因?yàn)長(zhǎng)oS空中與地面路徑之間通信的增加與從基站到LoS無(wú)人駕駛飛行器（LineofSight，LoS）或LoS間接路徑（None LineofSight，LoS nlo）的直接輻射路徑的可能性有關(guān)。當(dāng)所有無(wú)人機(jī)的高度從50m增加到2km時(shí)，基站和無(wú)人機(jī)之間的距離將會(huì)增加，但是一條直線路徑的可能性將增加，從而導(dǎo)致凈空和陸上通道的損失增加一倍。隨著空中和地面信道的條件改善，干擾會(huì)被放大，從而導(dǎo)致U2U需要更多的功率來(lái)滿足其通信需求，反之亦然。此外，無(wú)論UAV數(shù)量的增加以及字母中的噪聲水平是否超過(guò)閾值，干擾都將增加，這需要更多的信號(hào)功率來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)優(yōu)化與無(wú)人機(jī)信息求和最大化有關(guān)的所有問(wèn)題，可以獲得結(jié)果。關(guān)于比較方法的結(jié)果，應(yīng)該指出的是，盡管事實(shí)上所有U2U和基站都具有最大的發(fā)射功率，但是嚴(yán)重的干擾并不能迫使所有UAV滿足信噪比的要求。所有無(wú)人機(jī)的信息率。

4.2 通信的仿真參數(shù)分析

系統(tǒng)仿真平臺(tái)參數(shù)設(shè)置基于仿真模擬平臺(tái)，以平均中斷概率最小準(zhǔn)則和最大中斷準(zhǔn)則比較分析無(wú)人機(jī)飛行高度和服務(wù)區(qū)半徑對(duì)無(wú)人機(jī)最佳中繼位置和系統(tǒng)中斷性能的影響。我們提出兩種無(wú)人機(jī)定位方法，以優(yōu)化旋翼無(wú)人機(jī)中繼廣播通信系統(tǒng)的性能?；跇?gòu)建的模型，提出了用戶最大中斷概率最小化標(biāo)準(zhǔn)和用戶平均中斷概率最小化標(biāo)準(zhǔn)的用戶最大中斷概率和平均中斷概率的計(jì)算方法。我們提出了一種聯(lián)合配電的方法。最后，仿真驗(yàn)證了所提方法的正確性。

結(jié)束語(yǔ)：由于通信設(shè)備的密集部署和物聯(lián)網(wǎng)的興起，可用于無(wú)人機(jī)的頻譜資源有限。在這種情況下，采用NOMA可以共享頻譜以提高頻段利用率；另一方面，毫米波技術(shù)提供了許多尚未使用的頻帶資源，并且可以減輕當(dāng)前的頻帶擁塞。盡管有許多研究可以分析性能并優(yōu)化無(wú)人飛行器（UAV）的毫米波通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，并且有大量的節(jié)能設(shè)計(jì)考慮了無(wú)人飛行器（uavs）的有限能量，但很少使用NOMA和MMW波束成形技術(shù)。

無(wú)人機(jī)通信有望普及，在未來(lái)的生活里通信網(wǎng)絡(luò)將會(huì)使用無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。為了更加輕松簡(jiǎn)便的操作。研究無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題，研究無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的獨(dú)特功能和方法，對(duì)無(wú)人機(jī)頻譜場(chǎng)景進(jìn)行建模，并確定資源的最終模擬。解決方案和信息交換可以證明無(wú)人駕駛車(chē)輛在通信網(wǎng)絡(luò)中的性能。無(wú)人機(jī)通信優(yōu)化研究領(lǐng)域是未來(lái)潛在巨大的希望金礦資源，本文只是冰山一角。仍然存在許多開(kāi)放主題，例如無(wú)人機(jī)和毫米波通信網(wǎng)絡(luò)的組合，過(guò)去的大量技術(shù)以及諸如電力傳輸?shù)募夹g(shù)。