本文是一篇工程硕士论文，本文针对基于通信功耗的准静态无人机毫米波中继系统进行研究，根据安全能效最小化准则推导建立无人机悬停位置和中继波束成形权矢量的联合优化问题。首先，构建基于毫米波平面阵的空地链路信道模型和全双工自干扰模型，推导通信系统的信号模型并给出系统安全能效性概念；
第一章 绪论
1.1课题研究背景与意义
近年来，随着技术的快速发展和成本的降低，无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)逐渐从侦查和勘探等军事领域转向民用和商业领域，因其具有机动性好、部署控制快速灵活和高空作业覆盖范围大等独特优势，已在交通监控、农业灌溉、环境监测、灾害救援等众多领域显示了广阔的应用前景[1]。2016年6月，美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration, FAA）发布的一项报告中显示，美国无人机数量预估将从2017年110万架增加到2022年240万架，预示无人机行业的市场规模巨大，美国市场潜在价值高达800亿美金，在未来十年提供成千上万的工作岗位[2]。纵观国内，在国家的大力支持下，我国无人机技术已获得迅猛发展，尤其是“翼龙”，“彩虹”，“大疆”等无人机已在多种实际场景下得到了成功应用。因此，无人机技术具有广阔的应用市场前景和理论研究价值。
近几年来，随着无线通信网络的发展，全球数据流量和移动用户设备数量不断增长，对无线通信网络的吞吐量提出了更高的要求，在第五代（5th-Generation, 5G）移动通信网络中，基于固定基础设施的传统通信网络已远远不能满足用户对数据传输速率和服务质量（Quality-of-Service, QoS）提出的更高需求。无人机技术的迅猛发展给无线通信技术提供更多的可能性，一方面，针对于突发情况或者公共通信网络瘫痪，固定通信服务设施无法实现即时部署，由于无人机的快速灵活性，通信运营商可以通过将无人机作为临时基站从而实现快速部署通信服务设施，这种临时部署能力使无人机无线通信技术在众多应用场景都有显著优势。另一方面，由于物联网（Internet of Things, IoT）设备需求的增加，受地理位置影响，在森林、海洋、天空等特殊区域进行网络部署会使运营商面临高昂的建设成本，通过将无人机作为移动的空中平台可有效解决上述问题，利用无人机高机动性特点，来提供无处不在的网络覆盖。
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1.2 国内外研究现状
无人机自1913年诞生以来，在军事领域的勘探和监控方面发挥着重要作用。近年来，随着无人机技术的迅猛发展，无人机因其部署灵活、维护成本低、机动性强和覆盖范围广等独特优势，逐渐从军事领域转向民用领域。文献[1]列举了无人机在民用领域的应用，包括实时监控、无线覆盖、遥感、搜救、货物运输、农业灌溉以及民用基础设施。表明智能无人机将成为无人机技术未来的发展趋势，同时提出了无人机在民用领域所面临的挑战，包括无人机充电，飞行碰撞，拥塞控制以及网络安全等问题。无人机在通信领域的应用也受到了国内外的广泛关注。针对无人机辅助无线通信方面的应用，文献[12]首先概述了三种典型应用场景，包括无人机覆盖传输、无人机中继传输和无人机辅助信息传播/数据采集，其次介绍了无人机通信网络的基本结构和传输信道特点，最后讨论了无人机通信网络设计中的关键问题。文献[13]在文献[12]基础上进一步无人机通信性能分析和优化方面的基础数学模型，包括信道模型、天线模型、无人机功耗模型以及无人机通信和航迹联合优化设计的数学框架，同时介绍了无人机在5G和未来蜂窝通信网的应用框架和研究方向。文献[14]和文献[15]将无人机作为空中基站展开相关研究，文献[14]研究了无人机基站系统中下行链路通信覆盖率问题，通过对无人机的三维位置、用户调度和频带分配进行优化设计，来实现无人机数量最小化，同时还考虑了系统服务质量要求以及每个无人机服务能力的约束条件，仿真结果表明所提方案在无人机辅助通信系统中具有推动性作用。文献[15]则通过对用户进行调度以及无人机航迹和发射功率进行优化设计来实现系统吞吐量最大化，并且提出一种低复杂度的圆形轨迹方案，仿真结果表明所提方案可显著提高系统吞吐量。文献[16]中无人机作为空中基站采用全双工模式，不仅可以向地面用户发送数据，同时可以接收地面用户发送的数据，以系统传输容量最大化为准则对无人机航迹，用户调度和用户发射功率进行联合优化设计，采用块坐标下降法将原始问题划分为多个子问题进行迭代求解，仿真结果表明在系统传输容量上有显著提升。上述研究均采用无人机与固定地面节点进行数据传输，文献[17]在车联网的基础上引入无人机辅助通信，在考虑无人机碰撞和通信干扰约束的情况下，通过对移动车辆调度、无人机功率分配和无人机轨迹进行联合优化，来实现无人机基站与移动车辆之间数据吞吐量最大化。
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第二章 相关技术介绍
2.1无人机通信技术
无人机通信主要分为两种类型：无人机用户通信和无人机辅助通信。无人机用户通信是指将无人机作为移动蜂窝网络中的移动用户来接收地面终端发送的指令信息，其具有的优势如下：首先，无人机之间信息传输的空对空信道为高概率LoS传输信道，能够保证高速率的通信传输；其次，由于无人机的高机动性使其能够通过调节自身状态来适应不同的通信环境，并且通过对无人机机动性和自适应通信进行联合设计来提高系统通信性能。无人机辅助通信是指将无人机作为空中移动平台辅助地面通信网络提供高质量通信服务。一方面，通过对无人机的轨迹/位置进行优化设计建立LoS传输链路，提高系统的信息传输速率；另一方面，对于突发情况或者恶劣地理环境场景下，无人机可以进行快速灵活部署。如图2.1所示为无人机辅助通信常见的基本模型。
（1） 无人机基站。将天线收发器或小型基站部署在无人机上使其具有传统地面基站的基本功能，为指定区域提供无处不在的通信网络覆盖。例如，由于自然灾害导致的地面固定基站损毁，将无人机作为临时基站从而实现快速部署通信服务设施；或者对于深林和海洋等特殊区域部署无人机进行网络覆盖，提供无线通信服务；再或者对于蜂窝热点区域通过部署临时无人机基站来减轻传统基站压力，提高数据吞吐量。
（2） 无人机中继。无人机作为空中移动中继，在发射机与接收机之间距离较远或存在障碍物阻挡的应用场景下建立可靠的无线连接。无人机中继将接收到的信号通过AF或DF模式转发给接收机从而实现数据传输，无人机空-地信道的高概率视距传输特点使得无人机中继系统能够保证更高的信息速率，但受到自身电池容量以及应用场景的限制，航迹规划和功率控制是无人机中继通信系统研究的热点。
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2.2毫米波波束成形技术
毫米波无线通信作为5G或第六代（6th-generation, 6G）无线移动网络的重要组成部分，被认为是解决频谱资源紧张问题的有效方案之一，其工作频段的频率范围在30GHz-300GHz，可以提供毫秒级的延迟并且极大提高系统的数据传输速率。毫米波通信虽然可以提供丰富的频谱资源，但仍存在着传播路径损耗大、穿透性差、覆盖范围小等一系列的缺点，无法进行长距离的通信。由于毫米波高频短波长的特性，可在有限尺寸的通信设备上部署大规模的天线阵元，通过采用大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）技术来获取更多的空间自由度，最大程度利用空间域的信道资源。在大规模MIMO系统中，通过波束成形技术来提高波束的指向性进而增强预期方向的信号强度，同时将干扰信号置于零陷位置，可有效解决毫米波频段严重的路径损耗问题，从而实现系统传输容量的提高。
波束成形技术是一种基于天线阵列的信号预处理技术，利用电磁波的干涉和衍射原理，通过调整天线阵元的幅度或相位，形成一束有指向性的电磁能量，将无线信号聚集在一个指定方向，从而实现较高的波束成形增益。波束成形技术的优势在于可以将信号集中在指定方向上，在不提高发送端发射功率的前提下，即可实现更高的信息传输速率和更远的传输距离，同时可以降低对其他用户的干扰或降低指定方向的信号强度。波束成形的缺点在于其数学计算复杂度较高，需要消耗大量的计算资源，但随着计算机技术的发展，处理器的计算能力不断增强，复杂的数学运算已经不再是制约其发展的关键因素。随着通信技术的不断发展，波束成形技术经历了数字波束成形、模拟波束成形和数模混合波束成形三个阶段，接下来将详细对每种波束成形技术的结构和优缺点进行介绍。
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第三章 无人机位置和中继波束成形联合优化的高能效安全传输方案 ........................ 22
3.1引言 .............................................. 22
3.2系统模型及优化问题建模 .............................. 23
第四章 无人机航迹和中继波束成形联合优化的高能效安全传输方案 ......................... 38
4.1引言 ................................. 38
4.2系统模型及优化问题建模 ....................... 39
第五章 总结与展望 ....................................... 58
5.1本文工作总结 ........................................ 58
5.2未来研究展望 .............................. 59
第四章 无人机航迹和中继波束成形联合优化的高能效安全传输方案
4.1引言
第三章中利用无人机空-地信道高概率LoS链路的特点，针对准静态无人机中继平台的高能效安全传输展开研究，但并未充分发挥无人机高移动性的特点，通过对可移动无人机中继平台进行轨迹设计可为系统性能的提升提供额外可能性。一方面，通过动态调整无人机位置可更容易获取CSI，从而为波束成形的设计提供保障。另一方面，由于其尺寸和质量的制约，无人机一般在地面充电完毕后飞往目标区域执行通信任务，在限制无人机飞行功率消耗的前提下，通过轨迹设计可提高系统的性能。因此，无人机轨迹优化受到国内外学者的关注。
无人机通信系统中除了信号处理、电路消耗等方面的传统通信功耗之外，无人机在保持空中悬停或移动时需要消耗额外的飞行功耗。无人机飞行轨迹的变化会对其飞行功耗产生显著影响，因此对无人机的能耗建立合理数学模型至关重要。文献[13]对旋翼和固定翼无人机的飞行功耗模型进行了阐述。文献[37]和[39]研究了旋翼无人机基站系统轨迹优化方案，在保障系统通信质量的前提下，最小化系统的能量消耗。文献[43]提出了一种飞行功率约束下的系统信息传输速率最大化方案。但上述研究中均未考虑针对多窃听场景下的安全波束成形设计，因此本章在第二章所研究内容的基础上，提出一种基于飞行功耗约束的无人机航迹和信号波束成形权矢量联合优化方案，实现系统安全能效性能最大化。
工程硕士论文参考
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第五章 总结与展望
5.1本文工作总结
本论文研究了无人机毫米波中继通信系统中信息高能效安全传输问题，提出了两种优化方案：基于通信功耗和位置联合优化的高能效安全波束成形设计和基于无人机飞行功耗和轨迹联合优化的高能效安全波束成形设计，并对本文所提出的方案进行了仿真验证和结果分析，验证了所提方案的有效性。现将本文的研究内容总结如下：
首先，为了更好的开展研究工作，本文对所涉及到的关键技术进行了详细的讨论。包括介绍了无人机通信技术的典型应用场景及其优势和无人机飞行功耗模型；阐述了毫米波通信技术的优缺点以及不同波束成形结构的差异性；介绍了不同中继传输协议优缺点，全双工中继技术的优势以及全双工自干扰消除技术；阐述了物理层安全技术的基本原理和能量效率常见的度量方法，给出了安全能效的定义。其中，利用无人机通信技术高概率LoS传输和高移动性特性，可有效克服毫米波通信中路径损耗大和阻碍物遮挡较为敏感的固有缺陷，同时毫米波短波长特性有利于在体积受限的无人机上部署大规模天线，此外，全双工中继技术可在提高传输距离的同时进一步提升频谱效率。因此，本文将以上技术相结合构建无人机毫米波中继通信系统模型，并且根据安全能效定义以及波束成形技术定向波束优势提出高能效安全波束成形设计方案。
其次，本文针对基于通信功耗的准静态无人机毫米波中继系统进行研究，根据安全能效最小化准则推导建立无人机悬停位置和中继波束成形权矢量的联合优化问题。首先，构建基于毫米波平面阵的空地链路信道模型和全双工自干扰模型，推导通信系统的信号模型并给出系统安全能效性概念；其次，建立了以系统安全能效为优化指标的无人机位置和解码转发波束成形联合优化问题，并且提出了基于SCA和惩罚函数方法的凸近似转换方案得到原始优化问题的凸近似形式；最后，设计了一种基于双层迭代的交替更新求解算法，可在有限次迭代下获得无人机中继波束成形权矢量和悬停位置的全局最优近似解。仿真实验结果表明了所提迭代算法的有效性，说明了所提处联合优化无人机悬停位置和波束成形的方案对系统安全能效性具有显著提升。
参考文献（略）