摘要
覆盖问题是无线网络需要解决的关键问题之一，为了实现第六代移动通信系统(the Sixth Generation Mobile Communication System,6G)全域高效覆盖的愿景，急需解决海洋、沙漠、偏远地区欠覆盖和应急场景按需覆盖难的问题。借助无人机通信网络广域覆盖、按需部署和灵活组网的优势，可以提高覆盖效率、降低网络成本。因此，无人机通信网络被认为是6G无线网络的重要组成部分。在无人机通信网络中，一方面，相比于地面基站，无人机节点稀疏异构，空中部署带来的中继特性，使得无人机通信网络的组网模型难统一、回程链路易受限，无人机通信网络的容量性能难解析。另一方面，移动用户场景下，无人机通信网络需跟随移动用户并持续提供满足一定性能需求的服务(简称网随群动)。用户随机移动、无人机通信网络缺乏将来时隙内用户位置和信道状态信息(Channel State Information,CSI)的先验信息、无人机的飞行动力学约束等因素使得已有面向静止用户场景的航迹规划方法难以适用。此外，在网随群动场景，无人机通信网络难以获取准确的用户位置信息和有限的用户终端发送功率，使得网络的上行容量易受限。 针对上述挑战，本论文的主要工作与创新点总结如下: (1)针对无人机通信网络的组网模型难统一、回程链路易受限，容量性能难解析的挑战，本文提出了一种无人机通信网络的组网模型，并分析了该组网模型下无人机通信网络的容量性能。具体地，该组网模型基于系留式无人机和非系留式无人机协同组网，其中系留式无人机为非系留式无人机提供空中回程接入，同时通过无人机基站天线下倾来缓解无人机基站小区间的干扰。基于随机几何理论，采用二项点过程建模非系留式无人机的位置分布，推导了基于该组网模型的无人机通信网络任意位置的覆盖概率和遍历容量性能的解析表达式，并分析了无线回程链接、天线下倾角、非系留式无人机数量对容量性能的影响。仿真验证了理论推导的正确性，同时所得结果凸显了所提组网模型在平均遍历速率上的优势，并能为其它组网模型对应的网络性能提供参考。 (2)针对网随群动场景，容量覆盖难均衡，下行容量难优化的挑战，本文提出了一种面向覆盖容量均衡的无人机通信网络航迹规划方法。具体地，该方法采用定向天线模式，定义以用户位置点被覆盖的比例作为衡量覆盖性能的指标，将网络的容量覆盖均衡问题，转化为在保证覆盖性能需求下的网络下行容量最大化问题。为了求解该问题，首先，设计了全局离线三维(3-Dimensional,3-D)航迹规划算法;接着，为了解决实时性和缺乏先验信息的问题，提出了利用已知位置信息和CSI的逐时隙3-D航迹点规划算法和基于密度聚类结合动态加权图的二维(2-Dimensional,2-D)水平位置确定和高度优化，并对航迹点进行适时修正的算法。分析发现，当调度用户中距离无人机基站最远的用户到它的仰角大于特定门限值时，该对应时隙内存在最佳的航迹点位置。仿真表明，在保证覆盖性能的前提下，所提方案能够以近似线性的计算复杂度，取得全局离线方案相当的下行平均吞吐量性能。 (3)针对网随群动场景，准确的用户位置信息难获取，用户终端上行发送功率有限，网络上行容量易受限的挑战，本文提出了一种感知协同的无人机通信网络航迹规划方法。具体地，无人机通信网络基于射频(Radio Frequency,RF)信号感知，估计用户位置信息和CSI,然后通过优化上行混合接收波束赋形和航迹最大化网络上行加权平均吞吐量来提升网络的上行容量。考虑到优化问题为NP-hard问题，该方法首先基于贪婪策略将原问题简化为逐一时隙优化问题，然后设计了基于半正定松弛方法、流形优化理论和连续凸逼近技术的算法、以及交替优化算法来求解原问题的次优解。仿真表明，在没有准确位置信息的情况下，所提的航迹规划方法在用户2-D分布时能达到在理想位置信息和CSI情况下对应上行加权平均吞吐量性能的95％以上。 本论文围绕容量性能成因规律与网随群动航迹规划关键问题，研究了无人机通信网络的组网模型、容量分析和航迹规划方法。本论文的成果对无人机通信网络的组网和航迹规划方法研究提供了理论和技术支撑。
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