無人機通信

本書系統地介紹無人機通信技術、無人機通信網絡組網技術，以及無人機通信網絡中涉及的控制、安全等技術。在對無人機進行概述的基礎上，本書將第2章到第12章分為三篇。第1篇是無人機通信網絡基礎篇，包括第2～5章，主要內容包括無線通信網絡的基本概念、無人機通信網絡的特徵、無人機通信網絡的通道模型、無人機通信網絡性能的理論研究；第2篇是無人機-蜂窩融合通信網絡篇，包括第6～9章，主要內容包括無人機通信網絡的無線資源分配、無人機空地協作中繼通信、無人機通信網絡的安全傳輸、無人機的無線能量傳輸和無線攜能通信；第3篇是無人機空中通信網絡篇，包括第10～12章，主要內容包括無人機通信網絡的組網技術、無人機集群、空-X一體化網絡。

目 錄
第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 無人機的應用場景與發展歷程 2
1.2.1 無人機的應用場景 2
1.2.2 無人機的發展歷程 5
1.3 無人機系統概述 6
1.3.1 無人機類型 7
1.3.2 無人機控制與集群 9
1.3.3 無人機通信及其標準化 14
1.3.4 無人機通信網絡與技術 19
1.4 本書的主要內容 23
本章參考文獻 25
第1篇 無人機通信網絡基礎篇
第2章 無線通信網絡的基本概念 29
2.1 引言 29
2.2 無線通信網絡基礎 29
2.2.1 分集技術 29
2.2.2 復用技術 31
2.2.3 雙工技術 32
2.2.4 通道編/解碼技術 33
2.3 無線通道的傳輸損耗與衰落 34
2.3.1 無線通道傳輸損耗 34
2.3.2 三種主要的快衰落 35
2.4 多址技術 37
2.4.1 多址技術的概述 37
2.4.2 正交頻分多址技術 37
2.4.3 非正交多址接入技術 40
2.5 多天線技術 43
2.5.1 多天線技術的發展 43
2.5.2 多用戶MIMO 44
2.5.3 Massive MIMO技術 46
2.6 本章小結 49
本章參考文獻 50
第3章 無人機通信網絡的特徵 51
3.1 引言 51
3.2 節點三維運動 52
3.3 LoS電波傳播 53
3.4 任務驅動網絡 54
3.5 周圍環境陌生 55
3.6 信息處理能力受限 56
3.7 能量供給能力受限 57
3.8 氣象條件的影響 58
3.9 惡意乾擾的影響 59
3.10 本章小結 61
本章參考文獻 61
第4章 無人機通信網絡的通道模型 64
4.1 引言 64
4.2 無人機通信網絡的大尺度衰落模型 64
4.2.1 路徑損耗模型 65
4.2.2 陰影衰落模型 68
4.3 無人機通信網絡的快衰落模型 70
4.3.1 萊斯衰落模型 71
4.3.2 Nakagami-m衰落模型 71
4.3.3 色散參數 71
4.4 3GPP無人機通信網絡的通道建模與測量 75
4.4.1 LoS概率 75
4.4.2 路徑損耗 77
4.4.3 陰影衰落 77
4.4.4 快衰落 78
4.5 本章小結 80
本章參考文獻 81
第5章 無人機通信網絡性能的理論研究 82
5.1 引言 82
5.2 隨機幾何理論的基礎知識 82
5.2.1 空間點過程 83
5.2.2 隨機幾何的分析工具 85
5.2.3 隨機幾何分析常用結論 86
5.3 隨機幾何網絡模型 88
5.4 單層無人機通信網絡性能的理論研究 89
5.4.1 系統模型 89
5.4.2 覆蓋率 90
5.5 熱點覆蓋場景下無人機通信網絡性能的理論研究 93
5.5.1 系統模型 93
5.5.2 覆蓋率和頻譜效率性能 94
5.5.3 性能模擬驗證 98
5.6 災難救援場景的無人機通信網絡性能的理論研究 99
5.6.1 系統模型 99
5.6.2 覆蓋率和頻譜效率性能 100
5.6.3 性能模擬驗證 105
5.7 熱點覆蓋場景的無人機通信網絡緩存性能的理論研究 106
5.7.1 系統模型 106
5.7.2 緩存策略 108
5.7.3 緩存覆蓋率與平均速率性能 109
5.7.4 性能模擬驗證 115
5.8 災難救援場景的無人機通信網絡緩存性能的理論研究 121
5.8.1 系統模型 121
5.8.2 緩存策略 122
5.8.3 卸載率與平均速率性能 123
5.8.4 性能模擬驗證 129
5.9 本章小結 134
本章參考文獻 134
第2篇 無人機-蜂窩融合通信網絡篇
第6章 無人機通信網絡的無線資源分配 137
6.1 引言 137
6.2 無線資源分配研究概述 138
6.2.1 無線資源管理的優化目標 138
6.2.2 無線資源管理的優化方法 139
6.3 無人機輔助異構蜂窩網絡的無線資源分配 140
6.3.1 無人機輔助異構蜂窩網絡的特點與挑戰 140
6.3.2 UBS前傳鏈路和回傳鏈路的聯合優化 141
6.4 無人機輔助NOMA系統的無線資源分配 146
6.4.1 NOMA的工作原理 146
6.4.2 無人機輔助NOMA系統的特點與挑戰 148
6.4.3 無人機輔助NOMA系統的無線資源聯合優化 148

6.5 無人機輔助緩存蜂窩網絡及其資源分配 157
6.5.1 無人機輔助緩存蜂窩網絡概述 157
6.5.2 無人機輔助緩存蜂窩網絡的資源分配 159
6.6 無人機毫米波通信波束賦形與資源分配 167
6.6.1 無人機毫米波通信的特點與挑戰 167
6.6.2 波束賦形與資源分配設計 168
6.7 本章小結 173
本章參考文獻 174
第7章 無人機空地協作中繼通信 176
7.1 引言 176
7.2 無人機空地協作中繼通信的研究現狀 177
7.3 遠程應急無人機中繼系統 179
7.3.1 無人機通道模型 179
7.3.2 多中繼接收信噪比 181
7.3.3 最優部署位置與飛行高度 182
7.3.4 性能理論分析 185
7.3.5 性能模擬驗證 187
7.4 低時延高可靠的無人機中繼系統 189
7.4.1 系統模型 189
7.4.2 無人機懸停部署設計 191
7.4.3 性能模擬驗證 193
7.5 無人機中繼系統的飛行軌跡優化 195
7.5.1 系統模型 196
7.5.2 軌跡與功率聯合優化 197
7.5.3 性能模擬驗證 200
7.6 本章小結 203
本章參考文獻 203
第8章 無人機通信網絡的安全傳輸 205
8.1 引言 205
8.2 基於人工噪聲的無人機通信網絡的安全傳輸 206
8.2.1 系統模型 207
8.2.2 安全傳輸方案設計 208
8.2.3 性能模擬驗證 211
8.3 基於NOMA的無人機通信網絡的安全傳輸 214
8.3.1 系統模型 214
8.3.2 NOMA-UAV網絡的安全功率分配方案 216
8.3.3 性能模擬驗證 219

8.4 無人機中繼系統的安全傳輸 221
8.4.1 系統模型 221
8.4.2 無人機中繼系統保密速率優化方案 224
8.4.4 性能模擬驗證 227
8.5 無人機中繼輔助隱蔽通信 230
8.5.1 無人機中繼通信通道及有限包長傳輸速率 230
8.5.2 無人機有限字長隱蔽通信設計 231
8.5.3 性能模擬驗證 235
8.6 本章小結 236
本章參考文獻 236
第9章 無人機的無線能量傳輸和無線攜能通信 238
9.1 引言 238
9.2 WPT和SWIPT技術概述 238
9.2.1 WPT技術的基本原理 238
9.2.2 SWIPT技術的基本原理 239
9.3 無人機WPT網絡優化 241
9.3.1 無人機WPT網絡模型 241
9.3.2 飛行軌跡和波束方向圖優化算法設計 242
9.3.3 性能模擬驗證 242
9.4 無人機輔助SWIPT網絡優化 244
9.4.1 無人機輔助SWIPT網絡模型 244
9.4.2 基於用戶動態需求的實時路徑規劃算法設計 246
9.4.3 性能模擬驗證 246
9.5 多無人機輔助SWIPT網絡優化 247
9.5.1 多無人機輔助SWIPT網絡模型 247
9.5.2 無人機飛行軌跡和資源分配優化算法 249
9.5.3 性能模擬驗證 249
9.6 本章小結 250
本章參考文獻 251
第3篇 無人機空中通信網絡篇
第10章 無人機通信網絡的組網技術 253
10.1 引言 253
10.2 無人機頻譜管理 254
10.2.1 無人機頻譜的挑戰 254
10.2.2 動態頻譜管理系統 255
10.2.3 與頻譜相關的關鍵技術 255

10.3 多路訪問控制協議 257
10.3.1 多路訪問控制協議概述 257
10.3.2 多路訪問控制協議分類與研究現狀 258
10.4 拓撲及功率管理 259
10.4.1 拓撲結構 259
10.4.2 功率控制技術 261
10.4.3 拓撲控制技術 262
10.5 路由協議 263
10.5.1 主動協議 264
10.5.2 被動協議 264
10.5.3 混合協議 265
10.6 本章小結 266
本章參考文獻 266
第11章 無人機集群 270
11.1 引言 270
11.2 無人機集群的路徑規劃 271
11.2.1 A*算法 271
11.2.2 人工勢場法 272
11.2.3 蟻群算法 275
11.2.4 粒子群算法 276
11.2.5 遺傳算法 278
11.3 無人機集群的抗乾擾技術 280
11.3.1 頻域抗乾擾技術 280
11.3.2 功率域抗乾擾技術 281
11.4 無人機集群的路由及拓撲管理 281
11.4.1 分簇結構 281
11.4.2 分簇算法 282
11.4.3 分簇路由 284
11.5 無人機集群控制 284
11.5.1 集中式控制 286
11.5.2 分佈式控制 286
11.6 無人機集群智能 287
11.6.1 無人機集群智能簡介 287
11.6.2 無人機集群智能在任務規劃中的應用和技術發展 287
11.6.3 無人機集群智能在信息交互中的應用和技術發展 288
11.7 本章小結 288
本章參考文獻 289

第12章 空-X一體化網絡 294
12.1 引言 294
12.2 空地一體化網絡 295
12.2.1 空地一體化網絡的現狀 295
12.2.2 空地一體化網絡的架構 297
12.2.3 空地一體化網絡的典型應用 298
12.2.4 空地一體化網絡的部署挑戰 300
12.3 空天一體化網絡 301
12.3.1 空天一體化網絡的現狀 301
12.3.2 空天一體化網絡的架構 303
12.3.3 空天一體化網絡的典型應用 304
12.3.4 空天一體化網絡的部署挑戰 305
12.4 空海一體化網絡 305
12.4.1 空海一體化網絡的現狀 305
12.4.2 空海一體化網絡的架構 307
12.4.3 空海一體化網絡的部署挑戰 308
12.5 空天地海一體化網絡 308
12.5.1 空天地海一體化網絡的現狀 308
12.5.2 空天地海一體化網絡的關鍵技術 310
12.5.3 空天地海一體化網絡的典型應用 311
12.5.4 空天地海一體化網絡的部署挑戰 311
12.6 本章小結 312
本章參考文獻 312