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移动边缘计算的无人机中继控制转发策略研究

移动边缘计算的无人机中继控制转发策略研究

作者：谭新重庆邮电大学

学位级别：硕士

移动边缘计算技术和无人机通信技术是第五代通信中的关键技术,基于移动边缘计算的无人机通信成为当前研究的热点之一。无人机具有任务转发和计算功能,无人机中继控制转发策略能够选择性的对无人机任务进行转发或计算,从而降低任务的传... 详细信息

移动边缘计算技术和无人机通信技术是第五代通信中的关键技术,基于移动边缘计算的无人机通信成为当前研究的热点之一。无人机具有任务转发和计算功能,无人机中继控制转发策略能够选择性的对无人机任务进行转发或计算,从而降低任务的传输时延,平衡网络负载,延长网络寿命。因此无人机中继控制转发策略的研究具有重要意义,故本文提出了一种无人机中继转发策略和一种基于多属性决策的负载均衡机制。现有无人机通信网络中仅将任务进行统一转发或计算,未充分利用无人机自身计算优势,从而导致任务传输时延大和能耗高。本文针对此问题提出一种无人机中继控制转发策略。该机制首先构建网络寿命模型并将其转化为能耗最小问题,该问题联合优化无人机位置、用户任务发送功率和任务传输路径,从而最大化用户网络寿命。其次,针对能耗最小问题非凸性导致求解复杂度高的情况,本文将其拆分为三个子问题并利用块坐标迭代算法对其进行求解获得最优的无人机位置、任务传输模式和任务发送功率。仿真结果表明,该机制可以有效降低任务传输能耗,有效延长网络寿命。针对无人机通信网络中现有的负载均衡方法仅将负载量作为任务卸载指标,导致任务卸载时效性低,以及在任务卸载过程中无人机任务处理类型与接收任务不匹配的问题,本文提出一种基于多属性决策的负载均衡机制。该机制首先构建任务卸载模型,该模型结合任务传输类型及时延和无人机负载量及电量等因素,将负载均衡问题转化为多属性决策问题。其次,利用离差最大化算法对多属性决策问题进行求解,获得影响因素权重。最后,提出一种基于多属性决策的负载均衡方法,选择最优的无人机节点进行任务卸载。仿真结果证明,该机制能够有效平衡网络负载,提高网络稳定性。

关键词：移动边缘计算无人机中继块坐标迭代多属性决策负载均衡

基于GPU的无人机中继系统传播环境建模及仿真研究

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基于GPU的无人机中继系统传播环境建模及仿真研究

作者：胡续俊南京航空航天大学

学位级别：硕士

近些年来,无人机在军事、商业等领域获得了广泛应用。在现代战争中,无人机作为空中中继通信节点组成无人机中继网络,既可以对战场环境进行侦查,又可以作为通信中继使得各作战单位互通互联。但是,由于实际环境的复杂性与无人机自身的移... 详细信息

近些年来,无人机在军事、商业等领域获得了广泛应用。在现代战争中,无人机作为空中中继通信节点组成无人机中继网络,既可以对战场环境进行侦查,又可以作为通信中继使得各作战单位互通互联。但是,由于实际环境的复杂性与无人机自身的移动性、灵活性等因素影响,导致无人机中继网络信道的实测难度大,而且通常需要批量生产大量无人机用于部署中继网络,导致通信设备测试的成本高、周期长、效率低、机动性差。因此,如何在地面实验室环境下对无人机中继网络信道传播特性进行模拟,进而完成无人机中继系统的仿真测试与性能分析就显得尤为重要。论文主要研究工作如下:首先,简述了无线信道基础理论,对无人机通信信道的常用建模方法进行深入分析,并分别给出了无人机通信信道的确定性模型与统计性模型,同时对衰落信道下接收信号统计特性进行分析。在此基础上建立了无人机多跳中继系统级联信道模型,推导给出了无人机多跳中继系统的等效传播损耗预测方法以及级联衰落概率分布,并由此获得了该系统中断概率、平均误比特率与遍历信道容量的理论表达式。其次,分析比较了中央处理器(Central Processing Unit,CPU)与图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)的特点及应用领域,详细介绍了基于谐波叠加(Sum of Sinusoids,SoS)的信道衰落仿真算法,该算法的计算量随信道衰落精度的提高而急剧增大,因此本文以GPU并行技术与SoS思想为基础,提出了一种高效的高斯随机过程产生方法,在此基础上进一步提出一种多径阴影复合衰落实时模拟算法,仿真结果表明,与传统CPU方法相比,该算法产生的多径阴影复合衰落在保证更高精度的同时,可以极大地缩短了运算时间。最后,基于前述无人机多跳中继系统级联信道理论模型及多径阴影复合衰落实时模拟方法,设计并实现了一个基于GPU的无人机中继网络仿真软件,包括用户配置界面、中继信道实时模拟等功能,在此基础上针对该软件的各项功能进行了详细测试,并利用Matlab仿真软件对该软件生成的无人机中继网络信道数据进行分析,结果表明,无人机中继网络仿真软件可以对无人机中继网络信道状况进行实时模拟,能够满足本文的设计要求。

关键词：无人机中继统计特性信道建模图形处理器谐波叠加信道模拟

基于无人机中继协作的无线通信系统中优化传输策略研究

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基于无人机中继协作的无线通信系统中优化传输策略研究

作者：王玉芹南昌大学

学位级别：硕士

随着无线通信技术取得的巨大成功,基于无线通信技术的各类衍生应用使得人类的生活方式不再受到时间和空间的限制。在过去几十年中,无人机得益于其灵活移动的优势已经在诸多领域有了广泛的应用。然而,无人机面临的续航问题一直以来限制... 详细信息

随着无线通信技术取得的巨大成功,基于无线通信技术的各类衍生应用使得人类的生活方式不再受到时间和空间的限制。在过去几十年中,无人机得益于其灵活移动的优势已经在诸多领域有了广泛的应用。然而,无人机面临的续航问题一直以来限制了它的服务范围,如何解决能量供给问题成为许多研究团队努力的目标。同时,无处不在的无线通信系统可能会被恶意用户滥用,进行非法犯罪活动。对政府等监管部门来说,维护安全清洁的通信环境,实施有效的合法信息监控措施以合法侦听可疑通信链路是至关重要的。因此,本论文就无人机协作中继在无线通信系统中的优化传输策略展开研究,首先采用了欺骗中继主动合法侦听策略,最大化无人机协作中继的传输信息量,有效遏制了非法信息传输现象;接着,利用无线激光设备给无人机供能续航,扩大无人机的服务范围。本文将主要研究内容归纳为以下两点:（1）基于无人机协作的主动合法侦听策略研究。针对一对一非法通信链路,无人机作为合法侦听者对该非法通信链路进行主动侦听,通过对系统建立欺骗中继主动攻击模型,并结合无人机侦听信道质量要优于非法通信链路的信道条件,利用数学理论和凸优化技术,通过有效迭代算法优化欺骗中继器的放大系数、功率分配比和无人机侦听者的运动轨迹,最大化合法侦听者对非法通信链路的侦听信息量。通过仿真对比验证,我们提出的优化算法提高了无人机的侦听信道质量,并且也提高了合法侦听者对非法通信链路的侦听信息量。（2）激光能量供给的无人机中继辅助通信信息量最大化研究。由于无人机续航能力有限,我们采用了激光发射器发射激光束为飞行中的固定翼无人机持续充电。首先建立了无人机协作中继的信息传输模型和确立了无人机接收到的激光能量与通信消耗能量的制约关系,再是根据激光设备站的位置和数量以及发射功率的不同,设计出一种能够权衡能量收集与传输信息量最大的优化算法,并通过对系统中的通信调度、发射功率及协作中继的飞行轨迹进行有效迭代优化,我们得到了满足能量制约关系与传输信息量最大的最佳无人机部署。最后通过仿真结果给出了该权衡关系,验证了该方案的可靠性。

关键词：无人机中继协作通信合法侦听能量供给路径规划

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面向高速铁路的无人机中继无线携能通信研究

面向高速铁路的无人机中继无线携能通信研究

作者：曾文北京交通大学

学位级别：硕士

高速铁路在全球范围内迅猛发展,成为了设计第五代移动通信系统考虑的典型场景之一。高速铁路的运行安全问题至关重要,而高铁通信系统是保证高铁安全运行的基石。为了弥补传统的高铁车地通信系统无法满足自然灾害等应急通信场景需求的不... 详细信息

高速铁路在全球范围内迅猛发展,成为了设计第五代移动通信系统考虑的典型场景之一。高速铁路的运行安全问题至关重要,而高铁通信系统是保证高铁安全运行的基石。为了弥补传统的高铁车地通信系统无法满足自然灾害等应急通信场景需求的不足,基于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)的高铁应急通信系统作为一种可行的方案受到业界的广泛关注。无人机具有高移动性,可以灵活调整位置,适用于为高速铁路快速建立无线连接。因此,当高速铁路通信基础设施受到毁坏时,UAV能够为高速列车(High-Speed Train,HST)提供应急通信服务。基于此,本文的主要研究内容包括:首先,针对UAV中继通信能量受限的问题,提出基于无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)的 UAV 高速铁路中继传输系统。具体而言,建立符合UAV特点的移动性模型和高速铁路直射路径特性的信道模型,进而设计信息与能量传输过程,推导系统的中断概率闭合表达式,并分析了中继转发协议、能量收集协议、信道参数、移动拓扑和节点移动范围等关键因素对系统性能的影响。研究发现,能量收集协议的时间分割系数τ从0.8减小到0.5时,系统中断概率降低1/5左右。然后,针对UAV飞行高度可灵活改变的特点,优化设计高速铁路应急通信系统性能。具体而言,本文将空地路径损耗建模为与UAV高度有关的函数,推导系统的中断概率和误码率闭合表达式,通过仿真分析得到了不同中继转发协议、能量收集协议以及调制方式下使系统传输性能最优的UAV飞行高度。研究表明,当UAV飞行在最佳高度时,DBPSK调制的系统的误码率仅为BPSK调制的1/4左右。最后,针对UAV飞行轨迹可动态变化的特点,进一步提高UAV为高速铁路提供应急通信服务时的系统吞吐量。具体而言,本文以最大化系统吞吐量为目标,对UAV的飞行轨迹进行规划,将非凸的无人机轨迹优化问题转化为连续的凸优化问题。在此基础上,利用最优化理论进行求解,得到了 HST行驶在直线和曲线两种典型高速铁路轨道下UAV的航迹规划。研究表明,UAV轨迹规划后的系统吞吐量较静止UAV中继的系统吞吐量一倍左右的提升。综上所述,本文研究基于SWIPT的UAV中继高速铁路应急通信系统,推导中断概率和误码率等系统关键性能指标,进而优化设计UAV的飞行高度和飞行轨迹。研究结果为基于UAV的高速铁路应急通信系统设计提供了理论基础,有助于我国高速铁路通信系统跨越发展。

关键词：高速铁路无人机中继无线携能通信性能分析最优化理论

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基于运动信源的无人机中继辅助传输方案研究

基于运动信源的无人机中继辅助传输方案研究

作者：吴季北京邮电大学

学位级别：硕士

随着第五代移动通信网络的深入研究和逐步应用,更密集、更多样化的设备将接入网络,并要求网络在更加丰富的通信场景中提供高速率、低时延的高质量传输。诸如运动赛事实时转播、军事、工业实时通信、高铁及更高速轨道交通等日趋火热的领... 详细信息

随着第五代移动通信网络的深入研究和逐步应用,更密集、更多样化的设备将接入网络,并要求网络在更加丰富的通信场景中提供高速率、低时延的高质量传输。诸如运动赛事实时转播、军事、工业实时通信、高铁及更高速轨道交通等日趋火热的领域中,信源往往是时刻运动的,随之产生的信道时变问题导致资源分配也应实时、动态地调整,传统静态中继难以灵活应对此类场景。而无人机的实时可调整性及可规划性可以有效地辅助各种运动场景下的数据传输,其作为中继更是可以发挥其轨迹可控、高度可调、可支持多种业务的优点,从而完成更多元化通信场景中的多跳传输。此外,巧妙结合能量收集技术,可以有效提升多无人机中继组在执行高强度、长时间、距离跨度大的任务时的鲁棒性与续航能力,并可以在信息协同之外进行能量维度的协同传输,进而针对不同的信源运动轨迹制定不同的资源分配方案。综上,基于运动信源的无人机中继辅助传输技术具有研究意义。本文的主要工作及创新点如下:首先,从信息角度,本文设计了系统总功率受限场景下,基于运动信源的多悬停无人机及单跟随无人机的无线信息传输方案,并以误符号率为优化目标,推导出两种方案下的动态功率分配策略的表达式。本文既将所提方案与两种典型的适用于静态信源下的功率分配方案进行了仿真对比,也对所提多、单无人机两种方案进行了纵向对比,分析特定场景的最优无人机数量。结合缓存技术,提出一种低开销的实施方案——将动态功率分配表提前写入无人机的发射机,在运动场景可预测的情况下可以有效节省信令。其次,从能量与信息协同传输角度,本文提出了在能量收集模型下,基于运动信源的双无人机能量协同传输方案。具体地,通过中继选择在每个周期对双无人机的中继角色（信息中继与能量中继）进行切换,在此基础上,建立双无人机在信源运动过程中的实时能量模型并进行无人机间能量协同。借助Matlab工具得到使得每个周期内的系统吞吐量最大化的功率分流比最优解,进而得到本文所提方案在整个信源运动过程中的平均吞吐量性能。与适用于静态信源的无人机中继能量收集技术方案进行了仿真对比,仿真表明,本文所提方案的瞬时吞吐量及平均吞吐量都优于对比方案。此外,还仿真分析了所提方案中系统吞吐量、角色切换频率与无人机速度、轨迹半径的关系,在无人机轨迹设计上具有参考意义。

关键词：无人机中继运动信源能量收集动态功率分配能量协作

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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

基于无人机中继的天空地一体化即时通信系统设计实现

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基于无人机中继的天空地一体化即时通信系统设计实现

第十五届卫星通信学术年会

作者：赵扬陶孝锋朱厉洪史晶晶中国空间技术研究院西安分院

无人机具备快速部署,功能可配,局部增强等特点,在战术通信中承担了越来越重要的角色。本文结合无人机中继与卫星通信构建天空地一体化网络,从地址分配、网络拓扑、传输等方面分析了以固定翼无人机平台为信息汇聚中转节点的即时通信系统... 详细信息

无人机具备快速部署,功能可配,局部增强等特点,在战术通信中承担了越来越重要的角色。本文结合无人机中继与卫星通信构建天空地一体化网络,从地址分配、网络拓扑、传输等方面分析了以固定翼无人机平台为信息汇聚中转节点的即时通信系统设计方案。基于环境适应性改造COTS器件搭建轻量级机载即时通信服务器,以远距WiFi为机地信道进行系统实现,实验室测试及挂飞试验结果表明本系统可扩展局部与全域通信能力,提升通信效率。

关键词：无人机中继即时通信天空地一体化通信

来源： cnki会议评论

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DF-UAV中继广播通信系统航迹优化方法

西安电子科技大学学报 2023年第1期50卷 66-75页

作者：李冬霞宋思雨刘海涛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

无人机中继通信系统可以为用户提供高质量服务和多种业务辅助,而无人机航迹优化是无人机中继通信系统面临的关键技术问题之一。针对译码转发协议下的无人机中继广播通信系统,研究其航迹优化方法以提高系统链路传输性能。首先,建立了无... 详细信息

无人机中继通信系统可以为用户提供高质量服务和多种业务辅助,而无人机航迹优化是无人机中继通信系统面临的关键技术问题之一。针对译码转发协议下的无人机中继广播通信系统,研究其航迹优化方法以提高系统链路传输性能。首先,建立了无人机中继通信系统模型,分析给出单用户链路中断概率和系统平均中断概率计算公式,在此基础上提出基于最大用户中断概率最小化准则的中继无人机航迹优化方法,并理论推导出系统的遍历容量精确数学表达式;接着通过计算机仿真分析验证了服务区域半径、最大转弯角、路径损耗因子、发射功率等系统特征参数对中继无人机最优航迹、系统中断性能和系统容量性能的影响,同时对比了相同的优化准则下两种中继转发协议的系统中断性能和容量性能。仿真实验表明,与放大转发协议相比,译码转发协议下的中断性能和容量性能均有明显提升,从而验证了所提航迹优化准则的有效性。

关键词：无人机中继航迹优化广播通信译码转发遍历容量

基于RIS-UAV协作的车载通信系统安全传输研究

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电子科技大学学报 2023年第4期52卷 539-548页

作者：张晓烁倪唯一肖海林桂林电子科技大学认知无线电与信号处理教育部重点实验室广西桂林541004 长春理工大学电子信息工程学院长春130022 湖北大学计算机与信息工程学院武汉430062

针对城市复杂的交通环境导致车载通网络信息传输安全性低、数据速率缓慢以及地面中继受限等问题,提出一种可重构智能表面(RIS)辅助无人机(UAV)中继协作的车载通信系统安全传输方案。该方案首先根据系统平均传输速率最大化来设计无人机... 详细信息

针对城市复杂的交通环境导致车载通网络信息传输安全性低、数据速率缓慢以及地面中继受限等问题,提出一种可重构智能表面(RIS)辅助无人机(UAV)中继协作的车载通信系统安全传输方案。该方案首先根据系统平均传输速率最大化来设计无人机轨迹优化问题。接着,通过引入松弛变量的序列凸规划交替迭代算法解决无人机轨迹的非凸问题,得到平均速率最大化的UAV飞行轨迹。最后,通过适当调整RIS与窃听用户之间的位置来降低窃听信道容量,改善无线传输环境。数值分析表明,优化无人机轨迹,可以得到最优平均传输速率。在RIS技术辅助下通过合理设置参数,该传输方案能有效提高通信系统的传输速率,同时也能保证安全性能。

关键词：物理层安全可重构智能表面安全中断概率无人机中继车载通信系统