基于无人机平台的中继通信系统资源优化方法研究

【摘要】：随着技术的不断进步和成本的降低,无人机已广泛应用于各种场景,如货物运输、航空摄影、无人巡视、搜索和救援等。无人机可以用作空中无线通信平台增强通信网络覆盖范围,保障地面用户的通信质量。随着无人机数量的爆炸式增长,如何根据无人机的飞行任务需求与地面之间建立通信链路成为一项需要解决的关键任务。与传统的地面无线通信不同,无人机通常与地面节点具有视距链路,因此提供比地面衰落信道更好的信道条件;其次,无人机具有快速部署、灵活操控的特点,可以通过灵活调整无人机在空中的位置来获得较好的通信信道;此外,无人机自身的尺寸、载荷以及能量等方面的限制,为无人机通信系统的优化带来了新的挑战。本文研究基于无人机平台的中继通信系统的资源优化技术,包括时间、功率以及无人机航迹等资源优化,以提高系统资源利用效率,改善系统通信性能。在固定航迹的无人机中继通信系统中,针对空地信道路径损耗、时变衰落和噪声导致中继通信链路中断概率较高的问题,提出了时间和功率资源的联合优化算法,通过优化资源分配降低中断概率。当无人机与地面节点间不存在视距信号时,空地信道可用瑞利衰落信道描述,在每个时隙利用凸优化算法实现资源的最优分配;在每个无人机飞行周期提出了迭代算法,得到最小平均中断概率的次优解。当无人机与地面节点间存在视距信号时,空地信道用莱斯衰落信道描述,在每个时隙以及每个无人机飞行周期,分别提出了一阶麦克劳林级数近似的方法,在高信噪比下用凸优化算法得到时间和功率优化问题的一阶渐近解。仿真结果表明,所提出的算法在不同无人机飞行半径都可以显著改善中断概率。在需要传输大量数据的无人机中继通信系统中,针对不同无人机位置引起中继链路的等效信道状态变化的问题,提出了功率和无人机航迹的联合优化算法,通过在等效信道状态较好的位置分配较多的资源,实现中继链路吞吐量的最大化。无人机与地面节点之间的信道状态因无人机的位置变化而变化,因此可利用变化的空地信道,通过联合优化功率和无人机航迹,优化无人机中继传输的吞吐量。本文分别提出了迭代算法,得到固定无人机航迹的功率分配问题和固定功率分配的无人机航迹优化问题的次优解。并提出了交替优化这两个子问题的迭代算法,得到功率和无人机航迹联合优化的次优解。仿真结果表明,用所提出的功率和无人机航迹联合优化算法可以显著提高吞吐量。在需要实现稳定通信速率的无人机中继通信系统中,针对不同无人机位置等效信道状态变化引起的通信速率变化的问题,提出了功率和无人机航迹联合优化算法,在保证公平的情况下提高系统资源利用效率。分别研究了两种情况,首先提出了第一种联合优化功率和无人机航迹的迭代优化算法,求解了给定总功率预算时最大化各时隙最小速率问题;其次提出了第二种功率和无人机航迹联合优化算法,求解了给定中继最小速率的功率消耗最小化问题。仿真结果表明,所提出的联合优化算法能够在保障公平性的前提下,提高资源利用效率。在使用单无人机中继的时分多址多用户通信系统中,针对平均分配资源引起的各用户通信速率不同且资源利用效率低下的问题,提出了时间、功率和无人机航迹资源联合优化算法。通过资源联合优化,提高了每一对用户的平均速率。由于不同用户与无人机之间的信道状况不同,平均分配资源导致不同用户间的通信速率差距较大,并且可能在信道状态较差的时隙浪费通信资源。因此本文提出了时间、功率和无人机航迹资源联合优化算法,利用块坐标下降方法提出了求解该资源分配问题的迭代算法。仿真结果说明,所提出的算法显著提高了每一对用户的平均速率。