点对点无人机中继通信系统航迹规划方法研究

摘要

无人机（UAV）中继通信是实现远距离无线通信的一种重要技术手段。然而在实际通信过程中，由于UAV是高速运动的且自身携带能量有限，并且UAV中继通信链路受大尺度衰落的影响，导致对保证UAV中继通信系统性能实时最优提出了更高的技术挑战。因此，为了保证UAV作为中继通信节点时无线通信系统链路传输的可靠性实时最佳，论文针对用户节点运动情况下的点对点UAV中继通信系统航迹规划问题和系统性能展开研究。论文的主要工作和研究成果如下： 第一，为了提高UAV中继通信系统链路传输的可靠性，论文提出了基于空时分组编码（STBC）的UAV放大转发（AF）中继通信传输方案，并基于系统近似遍历容量最大化准则给出了UAV最佳航迹规划方法，并进一步利用FM-EM算法定量分析给出STBC-UAV中继通信系统的中断概率和遍历容量的计算公式。研究表明：STBC-UAV中继通信系统性能显著优于SISO-UAV中继通信系统。 第二，针对共信道干扰环境下的点对点UAV中继通信航迹规划问题，论文首先建立UAV解码转发（DF）的中继通信系统模型，理论分析给出了共信道干扰条件下的UAV中继通信系统中断概率的闭合表达式；随后，基于系统中断概率最小化准则给出联合优化UAV的航向角和飞行速度两个参数的航迹优化模型，并进一步利用单纯形替换算法给出了该模型的具体求解方法。最后，仿真结果验证所提出的航迹优化方法是有效的。研究表明：在存在共信道干扰的环境下对通信中继UAV的航迹实时优化可显著提高系统的性能，并且优化UAV的飞行速度有利于系统性能的提升。 第三，针对多个UAV级联中继通信时的UAV最佳航迹规划问题，论文提出基于通信链路遍历容量最大化准则的级联UAV航迹联合优化方法与级联UAV航迹分步优化方法，并利用FM-EM算法给出了UAV级联中继通信系统的中断概率计算公式。仿真结果验证了所提航迹优化方法的正确性。研究表明：级联UAV航迹分步优化方法与级联UAV航迹联合优化方法性能基本一致。

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摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.3研究内容及创新

1.4组织结构

第二章 SISO-UAV中继通信航迹规划方法

2.1引言

2.2 SISO-UAV中继通信系统模型

2.2.1系统模型

2.2.2信号模型

2.2.3信道模型

2.2.4 BS接收机输出的瞬时SNR

2.3 UAV最佳航迹规划方法

2.4 SISO-UAV中继通信系统性能分析

2.4.1 SISO-UAV中继通信系统的中断概率

2.4.2 SISO-UAV中继通信系统的遍历容量

2.5数值仿真

2.5.1仿真参数设置

2.5.2仿真结果

2.6本章小结

第三章 STBC-UAV中继通信航迹规划方法

3.1引言

3.2 STBC-UAV中继通信系统模型

3.2.1系统模型

3.2.2信号模型

3.2.3信道模型

3.2.4 BS接收机解调器输入的瞬时SNR

3.3 UAV航迹规划方法

3.4 STBC-UAV中继通信系统性能分析

3.4.1 STBC-UAV中继通信系统的中断概率

3.4.2 STBC-UAV中继通信系统的遍历容量

3.5数值仿真

3.5.1仿真参数设置

3.5.2仿真结果分析

3.6本章小结

第四章 存在共信道干扰的UAV中继通信航迹规划方法

4.1引言

4.2共信道干扰时UAV中继通信系统模型

4.2.1系统模型

4.2.2信号模型

4.2.3信道模型

4.2.4 UAV与BS接收机输出的瞬时SINR

4.3共信道干扰环境下的UAV最佳航迹规划方法

4.3.1 MU~UAV链路的中断概率

4.3.2 UAV~BS链路的中断概率

4.3.3 UAV航迹规划模型建立

4.3.4 UAV航迹优化问题求解

4.4数值仿真

4.4.1仿真参数设置

4.4.2仿真结果分析

4.5本章小结

第五章 UAV级联中继通信航迹规划方法

5.1引言

5.2 UAV级联中继通信系统模型

5.2.1系统模型

5.2.2信号模型

5.2.3信道模型

5.2.4 UAV-2与BS接收机输出的瞬时SNR

5.3级联中继通信UAV的最佳航迹规划方法

5.3.1级联中继通信UAV航迹联合优化方法

5.3.2级联中继通信UAV航迹分步优化方法

5.4数值仿真

5.4.1仿真参数设置

5.4.2仿真结果分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2工作展望

致 谢

参考文献

附录

附录A

附录B

附录C

攻读硕士学位期间的科研成果