摘要
近年来，无人机因其具有灵活性、高机动性及成本低等特点，已被广泛应用于无线通信与网络领域。作为一种新型通信平台，无人机可以被广泛部署为空中基站或中继通信节点。与传统的陆地通信相比，无人机的高海拔及优越的避障能力使其能与地面设备之间建立视距链路，从而为地面设备提供可靠和高效的无线通信服务。在无人机辅助无线通信中，无人机与地面设备之间的协作通信不仅可以实现对地面区域更全面、更实时的监测和响应，同时还能够提升各种应用场景中的通信效率和协同能力。因此，本文针对无人机辅助无线网络中空地协作通信开展了相关研究工作，主要贡献与创新如下: (1)不完美窃听者信息下无人机协作安全空地通信 无线信道的开放性使得无人机通信系统很容易受到窃听者的窃听，因此，考虑了一种基于无人机的安全通信场景，其中一组无人机形成虚拟天线阵列并通过协作波束成形向远程基站传输信息，此时系统中存在多个已知和未知窃听者试图窃取传输信息。其次，构建了一个安全通信多目标优化问题，旨在通过获取无人机的最佳位置和激励电流权重，以及确定系统通信性能最优的最佳接收基站，用以实现最坏情况下的保密率最大化、最大旁瓣电平最小化以及无人机飞行能耗最小化。接下来，为求解所构建的安全通信多目标优化问题，提出了一种基于多项具体设计的改进的多目标樽海鞘算法。 (2)传感器网络-无人机网络协作地空通信 在无线通信领域，传感器和无人机是两种最常用的设备，因此，设计了传感器网络-无人机网络协作地空通信系统以提升地面区域的数据传输效率。具体来说，在某一地面区域内，不同的传感器节点组成虚拟天线阵列，并通过协作波束成形方式将采集到的用户数据传输给相应的接收无人机。其次，构建了一个传输速率和电池能量的双目标优化问题，通过选择地面区域中参与数据传输的传感器节点、确定选择的接收无人机并优化所选传感器节点的激励电流权重，用以同时最大化多个地面区域内所有传感器网络的总传输速率和传感器节点的总剩余电池能量。接下来，提出了一种改进的非支配排序遗传算法对构建的双目标优化问题求解。 (3)无人机辅助无线网络空地协作通信方法性能验证 针对不完美窃听者信息下无人机协作安全空地通信，仿真结果表明所提算法能够有效解决所构建的安全通信多目标优化问题，且该算法优于其他基准策略。此外，引入了多跳中继策略以验证无人机协作安全空地通信系统的合理性，并介绍了所构建的安全通信多目标优化问题的两种基准方案，用以表明同时考虑已知和未知窃听者的必要性。最后，使用树莓派进行了实验实现，结果表明在实际场景中部署无人机协作通信系统的实用性。针对传感器网络-无人机网络协作地空通信，仿真结果验证了所提算法求解双目标优化问题的有效性。此外，通过与其他基准算法的性能对比，验证了所提算法的优越性。另外，评估了意外情况对系统性能的影响，结果证实传感器网络-无人机网络协作地空通信系统的鲁棒性。最后，讨论了关于系统应对干扰的机制以及无人机抖动对系统传输速率的影响。
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