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无人机中继通信系统资源优化及性能分析

无人机中继通信系统资源优化及性能分析

作者：蔡叶铭大连理工大学

学位级别：硕士

未来移动网络对于时延,传输速率,带宽和连接密度的要求越来越高,同时连接互联网也成为了智能设备的重要要求之一。随着智能设备和人工智能的发展和普及,需要连接无线网络的设备越来越多,而且应用范围越来越广,应用场景也越来越复杂。对... 详细信息

未来移动网络对于时延,传输速率,带宽和连接密度的要求越来越高,同时连接互联网也成为了智能设备的重要要求之一。随着智能设备和人工智能的发展和普及,需要连接无线网络的设备越来越多,而且应用范围越来越广,应用场景也越来越复杂。对于传统地面通信来说,满足数量如此巨大的终端来说,资源越发紧张,而且难以满足新的应用场景。而无人机部署灵活,适合应用于新型的移动网络中,在一些特殊场景下可以对现有通信网络进行补充。同时无人机辅助通信一个重要的应用方向就是应急救援。在救援任务中低延迟和高可靠性变得尤为重要,但在应急场景中将延迟和可靠性作为首要考虑目标的研究较少。因此本文首先从中断概率的角度对无人机中继通信系统的性能进行分析,再将高可靠低时延(Ultra-Reliable and Low-Latency,URLLC)与无人机中继通信相结合,对无人机中继通信系统的资源优化问题进行研究,提高无人机中继通信系统的性能,最后对无人机中继系统进行实际测试。以上三部分内容具体包括:(1)对于无人机中继通信系统的性能分析,考虑了其信道条件与地面通信系统的差异,根据直射链路仰角计算大尺度衰落为视距(line-of-sight,Lo S)衰落的概率,同时考虑小尺度衰落的概率分布函数,研究了无人机中继工作在放大转发和解码转发状态下系统的中断概率,对比了中断门限,无人机位置,高度,中继发射功率等因素对于系统中断概率的影响。(2)对于无人机中继通信系统的资源优化问题,提出了一种在满足高可靠低时延条件的无人机双向中继系统中,对时隙、带宽和无人机中继位置的联合优化算法。在前向链路能够满足高可靠低时延的条件下,对返向链路的平均传输速率进行最大化。同时也提出了低复杂度的迭代算法对满足高可靠低时延条件的无人机中继双向中继系统的优化问题进行交替求解。(3)对于无人机中继通信系统的性能实测与应用,使用无人机搭载通信节点,构建简单的无人机中继通信系统,将源节点置于实验室内,将中继节点至于无人机上,悬停在固定位置,将目的节点置于校园内不同位置。分别测量目的节点位置,天线类型和中继发射功率对于平均通信速率的影响,并将网络摄像头应用到中继网络中,实现无线远程视频监控。

关键词：无人机通信网络中断概率资源优化无人机中继高可靠低时延

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无人机中继网络性能分析与优化方案研究

无人机中继网络性能分析与优化方案研究

作者：张逍津西安电子科技大学

学位级别：硕士

无人机中继网络能有效利用无人机传输距离远、可提供视距链路等特点来提升网络的覆盖质量、吞吐量等性能,近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。然而,无人机中继网络的性能由无人机的部署密度、部署位置、飞行高度等因素影响,如何有... 详细信息

无人机中继网络能有效利用无人机传输距离远、可提供视距链路等特点来提升网络的覆盖质量、吞吐量等性能,近年来受到了学术界和工业界的广泛关注。然而,无人机中继网络的性能由无人机的部署密度、部署位置、飞行高度等因素影响,如何有效部署无人机使网络性能最优化仍是一个开放性难题。因此,本文研究了无人机中继网络的性能极限,分析了关键参数对无人机中继网络信号覆盖质量及吞吐量性能的作用关系,并提出了相应的部署优化方案来提升网络性能。首先,本文在“保障无人机可自行组网”条件下,研究最大化无人机可达信号覆盖质量的无人机部署方法。通过建模无人机位置与可达信号覆盖质量之间的关系,发现当无人机水平位置确定时,无人机在临界高度可将其服务的地面节点恰好覆盖在视距范围内,此时可达信号覆盖质量最大;在上述高度基础上,无人机水平位置位于其服务节点位置的质心时,无人机可达信号覆盖质量最大。因此,可将多无人机空间部署优化问题在水平和垂直方向上解耦,即分别对无人机的水平位置和高度进行优化。进一步,将上述发现作为先验知识,提出知识驱动的粒子群优化算法,该算法将先验知识的计算结果作为粒子群优化算法的搜索范围,降低搜索空间的大小,提高搜索效率。结果表明,该算法能够有效地优化出无人机的部署位置,使得可达信号覆盖质量最大化。相比粒子群优化算法,该算法的收敛速度可提升70%以上。其次,本文分析了无人机中继网络节点可达吞吐量,并提出了使节点可达吞吐量最佳的无人机部署方案。通过分析网络关键参数(如无人机高度、部署密度和传输带宽)与地-空、空-空和空-地链路可达传输速率的数学关系,得到了无人机中继网络中节点可达吞吐量的闭式解。结果表明,在稀疏和密集无人机场景下,节点可达吞吐量分别受地-空和空-空链路限制。进一步对无人机的部署进行优化,给出无人机飞行高度上限和无人机临界密度。结果表明,随着无人机密度平方根的增加,无人机高度上限呈反比例减小。这表明无人机在密集部署时应飞行在较低的高度,以减少无人机数量增加引起的干扰。在无人机高度上限范围内,无人机的临界密度随着空空链路与空地链路带宽比值的平方呈正比变化。当根据上述无人机高度上限和临界密度来部署无人机,可使得地面节点达到最佳吞吐量,并且使部署的无人机资源被充分利用。此外,使得可达信号覆盖质量最大的无人机临界高度与最佳吞吐量的高度上限相同。在无人机高度上限以下时,虽然可达信号覆盖质量不能达到最大,但有用信号与干扰等比增长使得节点可达吞吐量仍然达到最佳。

关键词：无人机中继可达信号覆盖质量可达吞吐量

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无人机中继传输系统效能评估分析

无人机中继传输系统效能评估分析

作者：侯佳琳西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着无线通信技术的发展,无人机作为一项新兴的技术,引发了军事和民用领域的广泛关注。而由于无人机易于部署、成本低等优点,其作为通信中继的平台的应用也愈发广泛,因此为了选择最佳的中继方案来完成传输任务,系统性并且全面地评估无... 详细信息

随着无线通信技术的发展,无人机作为一项新兴的技术,引发了军事和民用领域的广泛关注。而由于无人机易于部署、成本低等优点,其作为通信中继的平台的应用也愈发广泛,因此为了选择最佳的中继方案来完成传输任务,系统性并且全面地评估无人机中继系统的传输效能也就变得尤为重要。另外,针对无人机质量较轻且易受损坏的特性,还要考虑其抗干扰的能力,因此需要在建立无人机中继传输模型时考虑干扰机的存在,以及地形因素。本文从无人机作为中继传输节点的发展现状出发,将效能评估应用于无人机中继系统,并且深入对无人机中继传输模型建立、指标体系建立、效能评估几个方面进行了分析研究并仿真,主要工作如下:(1)对目前已有的无人机通信技术、中继通信技术进行综述,分析了无人机通信网络的基本架构,了解了网络中链路、信道等概念;了解了常见的性能指标,并对这些性能指标进行分类,为后续计算性能指标奠定基础;还分析了多种无人机中继方案的基本结构与优缺点,为后续设计无人机中继传输模型提供了理论基础;还包括对效能评估的概述以及主流效能评估方法进行分类和分析,为之后对于建立效能评估计算模型提供了前提条件。(2)构建无人机中继系统模型。为了考虑到无人机中继应用的真实场景,在对现有无人机中继模型进行分析的基础上,建立了考虑干扰机环境下的无人机中继传输模型,并采用网络仿真工具进行模型的仿真,通过仿真表现出干扰机对于无人机传输信号造成的干扰情况,并且设置不同的中继方案,得到不同中继方案下中继系统的性能分析结果,与预想的结果基本一致,即当干扰无人机存在时,直传链路会对信号产生极大的干扰,而加入无人机作为中继节点,并且正确地对中继方案进行选择会使中继效能得到明显的改善。因此,仿真结果验证了选取的性能指标作为中继选择的依据具有代表性和合理性,并且说明了后续针对系统建立效能评估模型的必要性。(3)构建系统效能评估模型,建立基于效能评估的中继选择平台。为了全面且系统性地对无人机中继传输模型的效能进行评估,在分析了现有的研究中几乎所有的中继传输系统的性能指标的基础上,对其进行分类,并根据常见的不同地形的复杂环境的信道参数,确立包括接收信号强度、信噪比、成本等指标的计算公式,通过建立的加权效能评估计算模型,将定性指标量化计算得到效能值,以此效能值定量地评估系统效能。并且通过仿真,观察不同地形下各中继方案的效能表现,仿真结果验证了所提出的效能评估计算模型中所选取的指标的正确性,通过仿真计算所得的不同方案下的平均效能值,结合成本指标得到不同中继方案的的效费比,模拟选取特定环境下最佳中继方案,仿真结果验证了基于此效能评估模型的中继方案选择平台的合理性及有效性。

关键词：无人机中继复杂环境指标体系效能评估

无人机中继设备对卫星地球探测业务干扰的排查

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中国无线电 2024年第2期 57-58页

作者：朱志锋马振东甘肃省定西市无线电监测站

近年来,民用无人机在航拍、电力巡检、农业植保、森林消防、应急救援等领域得到广泛应用。在无人机执行远距离飞行任务时,由于地球曲率、障碍物遮挡以及环境等因素影响,需要借助无人机中继设备接收和转发信号,以实现信号的传递和扩展。... 详细信息

近年来,民用无人机在航拍、电力巡检、农业植保、森林消防、应急救援等领域得到广泛应用。在无人机执行远距离飞行任务时,由于地球曲率、障碍物遮挡以及环境等因素影响,需要借助无人机中继设备接收和转发信号,以实现信号的传递和扩展。然而,随着无人机中继设备的应用,由此产生的干扰问题也时有出现。

关键词：无人机中继民用无人机地球探测森林消防地球曲率应急救援电力巡检航拍

无人机中继系统的替换、轨迹和发射功率联合优化研究

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无人机中继系统的替换、轨迹和发射功率联合优化研究

作者：欧晓琪广东工业大学

学位级别：硕士

随着5G通信的发展,无人机作为辅助通信的设备应用在通信领域,在一些特殊的场景如遭遇暴风雨雪,地震等灾害中,一些区域基础的通信基站被破坏,无人机可以利用其低功耗,机动性强的特点,帮助通信受损地区建立通信链路,恢复通信。无人机有限... 详细信息

随着5G通信的发展,无人机作为辅助通信的设备应用在通信领域,在一些特殊的场景如遭遇暴风雨雪,地震等灾害中,一些区域基础的通信基站被破坏,无人机可以利用其低功耗,机动性强的特点,帮助通信受损地区建立通信链路,恢复通信。无人机有限的续航能力和机载能力导致通信系统的通信时间和覆盖范围不充分。如何补足无人机这个缺点并延长通信系统的通信时间是本文的研究目标。功率分配和无人机的高机动性是无人机平衡各个通信链路的重要资源。本文研究联合优化无人机的功率分配和轨迹优化,并结合实际场景为背景,提出多无人机替换中继策略。本文的具体研究内容包括以下几个方面:（1）提出无人机中继替换策略,即启发式无人机替换（Heuristic UAV Substitution System,HUS）策略和高频谱效率的无人机替换策略（Spectral Efficient UAV Substitution,SEUS）策略。研究两种中继替换策略下的单用户中继通信问题,其目标是通过对源端节点和无人机中继的功率分配和优化无人机中继的轨迹,最大化端到端的吞吐量。由于所研究的问题是非凸的,我们把优化问题分成两部分子问题,并使用交替最大化和连续优化求近似解的优化技术,迭代求解直到收敛。仿真结果表明,SEUS策略明显优于HUS策略和其他的基准策略。（2）研究无人机替换中继服务多用户通信系统的功率和轨迹优化。研究的是SEUS和HUS策略下无人机中继辅助多用户通信系统时,如何用联合功率分配和轨迹优化提高多个用户中继通信的性能。以最大化用户的最小平均速率为目标。采用连续交替优化和块坐标下降法,解决原问题的非凸性,并得到原问题的近似解。由实验得知基于SEUS策略的多用户中继通信网络与基于其他基准策略的网络有更高的用户最小平均速率性能。

关键词：无人机中继启发式无人机替换高频谱效率的无人机替换功率分配轨迹优化

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应急通信中异构无人机中继性能仿真评估

计算机仿真 2023年第3期40卷 453-459页

作者：林尚静田锦马冀李月颖北京邮电大学电子工程学院北京100876 金陵科技学院网络与通信工程学院江苏南京211169

无人机基站能够在复杂地形和环境下快速高效部署,协助地面通信系统,满足应急通信需求。然而,现有的研究并未考虑到UAV基站的回传链路设计。可移动的UAV基站是部署在低空中,UAV基站无法采用传统的光纤链路进行数据回传,必须依靠无线链路... 详细信息

无人机基站能够在复杂地形和环境下快速高效部署,协助地面通信系统,满足应急通信需求。然而,现有的研究并未考虑到UAV基站的回传链路设计。可移动的UAV基站是部署在低空中,UAV基站无法采用传统的光纤链路进行数据回传,必须依靠无线链路。针对现有无人机基站回传链路的问题,提出了异构无人机中继组网系统模型以及关键的隧道技术,并从服务速率以及业务延时两个方面分析了无人机异构中继组网性能。通过仿真异构无人机中继承载数据以及语音业务性能,论证了无人机异构中继能够提升用户的业务体验。

关键词：无人机中继异构网络性能建模仿真评估应急通信

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空时分组编码的无人机中继通信航迹规划方法

航空学报 2017年第9期38卷 274-283页

作者：刘海涛赵文强李春鸣李冬霞中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室天津300300

无人机(UAV)中继通信是实现远距离点对点无线通信的一种重要技术手段。为提高无人机中继通信系统链路传输的可靠性,提出基于空时分组编码的无人机放大转发中继通信传输方案,并基于双跳链路遍历容量最大化的准则给出了无人机最佳航迹规... 详细信息

无人机(UAV)中继通信是实现远距离点对点无线通信的一种重要技术手段。为提高无人机中继通信系统链路传输的可靠性,提出基于空时分组编码的无人机放大转发中继通信传输方案,并基于双跳链路遍历容量最大化的准则给出了无人机最佳航迹规划方法,并进一步利用FM-EM算法给出了基于空时分组编码无人机中继通信系统的中断概率及遍历信道容量计算公式。计算机仿真表明:提出的方法显著优于传统的单发单收(SISO)无人机中继通信系统。

关键词：无人机中继航迹规划空时分组编码 FM-EM算法性能分析

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无人机中继的节能部署算法研究

无人机中继的节能部署算法研究

作者：屈鑫祺西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着中继网络场景的多样化发展,传统的地面中继部署的局限性逐渐暴露出来,一方面地面中继部署周期长,人力物力消耗大,另一方面地面中继一旦部署完成就不能随意更改中继节点位置,且地面中继部署还需考虑节点间链路的衰落及多障碍物遮挡... 详细信息

随着中继网络场景的多样化发展,传统的地面中继部署的局限性逐渐暴露出来,一方面地面中继部署周期长,人力物力消耗大,另一方面地面中继一旦部署完成就不能随意更改中继节点位置,且地面中继部署还需考虑节点间链路的衰落及多障碍物遮挡等问题。而无人机移动灵活、快速部署的特点使得无人机中继成为替换传统的地面中继的最佳选择。与地面中继节点不同的是,无人机中继具有能量受限的特点,因此无人机中继网络部署需要考虑节能问题。另外,现有研究更多关注于如何利用无人机的移动性实现远距离节点间的数据传输,只关注节点间数据的可达性,这类研究只适用于传输对时延容忍度高的数据,不适用于应急场景下的实时数据传输。而实现实时数据传输需要以无人机中继网络为依托,因此无人机中继网络的节能部署问题具有重要的研究意义。本文首先研究了应急场景下部署区域不存在障碍物的无人机中继节能部署策略,通过理论推导证明了该场景下无人机最节能的部署方式就是均匀部署,然后针对单向中继和双向中继两种场景分别求解最佳的部署数目,仿真结果表明与以最少无人机数目部署策略相比,本文提出的最佳部署策略明显降低了能耗。然后本文针对现有应急网络场景下部署区域存在障碍物的无人机中继部署算法存在节能效果不佳及部署成功率低等缺点,提出了一种基于二分图理论的节能部署方案。首先保证相邻无人机之间的视距通信以及无人机的安全性,以最小化无人机的总能耗为目标函数,得到的优化问题为NP-hard问题,直接求解困难,因此本文考虑将该优化问题分解为两个问题:无人机协助中继总能耗最小化问题和无人机部署到中继位置总能耗最小化问题。在无人机协助中继总能耗最小化问题中,利用基于连通性的搜索算法将区域存在障碍物的中继节能部署问题转化为区域不存在障碍物的中继节能部署问题,从而确定无人机的部署数目以及最佳中继位置。在无人机部署到中继位置总能耗最小化问题中,利用最小权匹配策略从可用于中继的无人机集合中选择担任中继的无人机,并确定每个中继位置上对应的无人机,均衡无人机的飞行距离,从而降低无人机的总能耗。最后将本文的部署方案与现有的部署方案进行对比分析,仿真结果表明本文算法不仅降低了无人机的总能耗,同时保证了无人机中继网络的部署成功率,降低了算法的时间复杂度,使得决策时间控制在秒级别,适用于应急场景的需求。

关键词：无人机中继应急网络节能策略快速决策部署成功率启发式搜索最小权匹配

一种基于多无人机中继的安全匿名核心网访问方案

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一种基于多无人机中继的安全匿名核心网访问方案

作者：王利西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着信息技术的不断发展,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)在各个领域都发挥着重要的作用,因为其机动性强且容易部署,所以在火灾救援、航空拍摄、高空设备检修、精准农业、以及货物运输等多个场景中,无人机都承载着很大的作用。由... 详细信息

随着信息技术的不断发展,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)在各个领域都发挥着重要的作用,因为其机动性强且容易部署,所以在火灾救援、航空拍摄、高空设备检修、精准农业、以及货物运输等多个场景中,无人机都承载着很大的作用。由于集群控制算法在不断优化,多无人机的应用也开始被重视,相较于单无人机,多无人机在执行任务时可靠性更高。近年来,将无人机和基站结合,帮助地面用户接入核心网(Core Network,CN)成为了一个新兴的课题,由于无人机飞行在高空,因此可以提供更大范围的信号覆盖。在自然灾害、战场网络或是地面基站过载的情况下,用户可以通过多无人机中继的协助连接到核心网。然而,基于多无人机中继的核心网访问方案目前仍存在很多的安全问题。首先,因为用户设备(User Equipment,UE)不能与核心网直接通信,而是通过无人机中继来完成与核心网之间的双向认证,并建立安全的会话信道,所以这一过程非常容易遭到攻击者的破坏。其次,核心网的通信资源是有限的,攻击者可能会非法使用核心网,而让合法的用户设备无法正常使用网络。再其次,当场景中存在多架无人机中继时,攻击者可能会伪装成合法的中继对无人机网络进行破坏。另外,在中继通信的场景下,用户的真实身份信息很有可能被攻击者获得,造成用户身份信息的泄露。最后,当无人机中继网络中的某个节点被劫持,攻击者很有可能利用该节点破坏整个中继网络。针对以上问题,本论文结合国内外的研究,总结基于多无人机中继访问场景下的安全需求。结合密码学技术,进行了如下的研究:针对无人机中继接入核心网的安全问题,本方案采用基于身份的加密思想,利用双线性配对,完成无人机中继与核心网之间的双向认证。只有通过认证的无人机才能接入核心网,核心网也只接收已认证的无人机中继的消息,从而避免了核心网资源的浪费;针对用户设备接入核心网的安全问题,本方案采用Diffie-Hellman密钥协商的思想,利用随机数和安全单向哈希函数实现了用户与核心网之间的认证与密钥协商,用户通过协商出的密钥与核心网进行通信,保护消息的机密性。最后利用签名算法向无人机中继说明用户的合法性;针对用户身份隐私的问题,用户使用匿名的方式向核心网发起认证,同时为了防止匿名被攻击者分析,本方案还支持匿名更换;针对多无人机之间相互认证的问题,本方案采用双线性配对的方法,能够实现无人机之间的相互认证,保证只有在核心网注册的无人机才可以加入中继网络;针对无人机身份管理的问题,本方案利用BLS签名的思想,核心网对合法和非法的无人机列表进行签名,将列表和签名广播到无人机网络,在验证签名后存储列表,最后通过该列表识别不合法的无人机中继。为了验证方案的安全性,本论文使用了BAN逻辑方法对方案进行形式化分析,并利用形式化证明工具Tamarin-prover对方案的安全性进行证明。最后对方案进行了实现,本方案在计算开销、通信开销、存储开销以及安全性能上与现有方案相比具有显著优势。

关键词：无人机中继中继网络安全双向认证隐私保护基于身份的加密