基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用分析

當(dāng)前無(wú)人機(jī)的應(yīng)用飛速發(fā)展。無(wú)人機(jī)自身固有的機(jī)動(dòng)性、靈活性和高度適當(dāng)?shù)忍匦允蛊湓跓o(wú)線系統(tǒng)中有非常大的應(yīng)用潛力。一方面，無(wú)人機(jī)可用作空中基站，增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋、容量、可靠性和能效。另一方面，無(wú)人機(jī)可用作蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的飛行移動(dòng)終端。這種蜂窩連接的無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)從實(shí)時(shí)視頻流到物品派送的多種應(yīng)用。本文對(duì)無(wú)人機(jī)在無(wú)線通信中的潛在優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用進(jìn)行綜合分析。此外，全面研究了基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所面臨的重要挑戰(zhàn)和基本權(quán)衡，探索了無(wú)人機(jī)面臨的重要挑戰(zhàn)，如三維部署、性能分析、信道建模和能效。而后，介紹了關(guān)于無(wú)人機(jī)通信方面存在的開(kāi)放性問(wèn)題和潛在研究方向。最后，對(duì)各種分析框架和數(shù)學(xué)工具，如優(yōu)化理論、機(jī)器學(xué)習(xí)、隨機(jī)幾何、輸運(yùn)理論和博弈論進(jìn)行了描述，介紹如何使用這些工具解決解決無(wú)人機(jī)特有問(wèn)題。簡(jiǎn)言之，本文為分析、優(yōu)化和設(shè)計(jì)基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信系統(tǒng)提供了重要參考。

1、使用無(wú)人機(jī)的無(wú)線組網(wǎng)：激發(fā)應(yīng)用案例

本節(jié)將簡(jiǎn)要描述無(wú)人機(jī)無(wú)線中心部署的大量預(yù)期應(yīng)用。這些應(yīng)用來(lái)自各種場(chǎng)景，包括近期應(yīng)用案例（如公共安全場(chǎng)景或熱點(diǎn)覆蓋）以及未來(lái)應(yīng)用（如無(wú)人機(jī)用作緩存設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)使能器）。當(dāng)然，在所有此類應(yīng)用中，系統(tǒng)的用戶設(shè)備可以包括蜂窩連接的無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備。

1.1 5G及5G后網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)人機(jī)空中基站

本節(jié)討論無(wú)人機(jī)作為空中基站在5G網(wǎng)絡(luò)中的主要應(yīng)用。

（1）5G及5G后無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和容量提升：現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋極為緊張，為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，出現(xiàn)了大量無(wú)線技術(shù)。這些技術(shù)被認(rèn)為是5G蜂窩系統(tǒng)的核心，包括設(shè)備對(duì)設(shè)備（D2D）通信、超密集小區(qū)網(wǎng)絡(luò)和毫米波（mmW）通信。部署低空無(wú)人機(jī)可能是一種為蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施有限地理區(qū)域提供無(wú)線連通的成本有效方法。高空平臺(tái)無(wú)人機(jī)可提供更長(zhǎng)期的持續(xù)解決方案，為鄉(xiāng)村環(huán)境提供覆蓋。移動(dòng)無(wú)人機(jī)在熱點(diǎn)和臨時(shí)事件期間，可按需提供連接、高數(shù)據(jù)率無(wú)線服務(wù)和流量卸載機(jī)會(huì)。

利用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)毫米波通信也是一項(xiàng)頗具前景的應(yīng)用，無(wú)人機(jī)與毫米波以及Massive MIMO技術(shù)，可以創(chuàng)建一種全新的動(dòng)態(tài)飛行蜂窩網(wǎng)絡(luò)，提供大容量無(wú)線服務(wù)。無(wú)人機(jī)可以潛在提高D2D和車對(duì)車（V2V）通信無(wú)線鏈路的可靠性，同時(shí)利用發(fā)射分集。特別是飛行無(wú)人機(jī)可以幫助向地面設(shè)備廣播通用信息，從而減少設(shè)備之間的傳輸數(shù)量以降低地面網(wǎng)絡(luò)中的干擾。無(wú)人機(jī)基站可以使用空對(duì)空鏈路，服務(wù)于其他蜂窩連接的無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備，減輕地面網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。

（2）無(wú)人機(jī)作為飛行基站，用于公共安全場(chǎng)景：用于公共安全場(chǎng)景的潛在寬帶無(wú)線技術(shù)包括4G LTE、WiFi、衛(wèi)星通信以及專用公共安全系統(tǒng)。然而，自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，這些技術(shù)可能無(wú)法提供靈活性、低延遲服務(wù)和快速適應(yīng)環(huán)境的能力。在這方面，使用基于無(wú)人機(jī)的空中網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示）是一種在公共安全場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)快速、靈活、可靠無(wú)線通信的有前景解決方案。由于無(wú)人機(jī)不需要靈活性極為受限且昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施（例如，電纜），它們很容易動(dòng)態(tài)改變位置，在應(yīng)急態(tài)勢(shì)下為地面用戶提供按需通信。事實(shí)上，由于無(wú)人機(jī)的獨(dú)特功能，如機(jī)動(dòng)性、靈活部署和快速重構(gòu)，它們可以有效建立按需公共安全通信網(wǎng)絡(luò)。例如，無(wú)人機(jī)可以作為移動(dòng)空中基站部署，為地面無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施受損地區(qū)提供寬帶連通能力。此外，飛行無(wú)人機(jī)能夠連續(xù)移動(dòng)，在最短時(shí)間內(nèi)為指定區(qū)域提供全面覆蓋。因此，使用無(wú)人機(jī)基站可能是在公共安全場(chǎng)景下提供快速泛在連通能力的適合解決方案。

圖1 公共安全場(chǎng)景中的無(wú)人機(jī)應(yīng)用

（3）無(wú)人機(jī)輔助地面網(wǎng)絡(luò)，用于信息分發(fā)：由于無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性和視距環(huán)境，它們能夠?yàn)榈孛婢W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息分發(fā)和連通性增強(qiáng)提供支持。例如，如圖2所示，無(wú)人機(jī)可以用作飛行基站，協(xié)助D2D網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)自組網(wǎng)在地面設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)信息分發(fā)。雖然D2D網(wǎng)絡(luò)可以為卸載蜂窩數(shù)據(jù)流量和提高網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋提供有效解決方案，但由于設(shè)備之間通信距離短且存在干擾，網(wǎng)絡(luò)性能受到限制。在這種情況下，通過(guò)在地面設(shè)備之間智能傳播通用文件，飛行無(wú)人機(jī)可以促進(jìn)信息的快速分發(fā)。例如，無(wú)人機(jī)輔助的D2D網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)在公共安全態(tài)勢(shì)下的緊急或疏散信息的快速傳播。

同樣，通過(guò)跨車輛傳播安全信息，無(wú)人機(jī)也可以在車載網(wǎng)絡(luò)（即V2V通信）中發(fā)揮關(guān)鍵作用。無(wú)人機(jī)還可以提高D2D和V2V通信鏈路的可靠性和連通性。一方面，使用無(wú)人機(jī)可以通過(guò)減少地面設(shè)備間的傳輸鏈路，減輕干擾。另一方面，飛行無(wú)人機(jī)可以引入發(fā)射分集，從而提高D2D、自組網(wǎng)和V2V網(wǎng)絡(luò)的可靠性和連通性。

圖2 無(wú)人機(jī)輔助的地面網(wǎng)絡(luò)

（4）3D MIMO與毫米波通信：由于無(wú)人機(jī)的空中位置及其在特定位置的按需部署能力，它們可被看作是飛行天線系統(tǒng)，利用它們可以進(jìn)行大規(guī)模MIMO、3D MIMO和毫米波通信。例如，近年來(lái)，業(yè)界對(duì)于在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用垂直和水平維度的3D MIMO（也被稱作全維度MIMO）有著巨大的興趣。如圖3所示，3D波束形成可同時(shí)在三維空間創(chuàng)建多個(gè)獨(dú)立的波束，從而減輕小區(qū)間干擾。相比傳統(tǒng)2D MIMO，3D MIMO解決方案可以產(chǎn)生更高的系統(tǒng)總吞吐量，且能為更多用戶提供支持。一般來(lái)說(shuō)，3D MIMO更適用于這樣的場(chǎng)景：用戶數(shù)量多而且這些用戶以相對(duì)于其服務(wù)基站不同的仰角分布在三個(gè)維度上。由于無(wú)人機(jī)攜帶的飛行基站的高度高，根據(jù)相對(duì)于無(wú)人機(jī)的不同高度和仰角可以很容易地辨識(shí)地面用戶。此外，無(wú)人機(jī)載基站是利用3D MIMO的適合候選方案。

同樣，使用基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線天線陣可為機(jī)載波束形成提供機(jī)會(huì)。無(wú)人機(jī)天線陣的陣元是單天線無(wú)人機(jī)，可以提供MIMO和波束形成機(jī)會(huì)，在下行和上行場(chǎng)景中有效服務(wù)于地面用戶。

無(wú)人機(jī)也可以成為毫米波通信的關(guān)鍵使能器。一方面，裝備毫米波能力的無(wú)人機(jī)可以建立到地面用戶的視距連接，減少在高頻段工作時(shí)的傳播損耗。另一方面，使用無(wú)人機(jī)上的小型天線（毫米波頻率），人們可以利用先進(jìn)的MIMO技術(shù)（如大規(guī)模MIMO）進(jìn)行毫米波通信。同時(shí)，無(wú)人機(jī)蜂群可以創(chuàng)建空中可重構(gòu)天線陣列。

圖3 使用無(wú)人機(jī)的三維波束形成

（5）無(wú)人機(jī)用于物聯(lián)網(wǎng)通信：在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，高能效、超低延遲、高可靠性和高速上行通信成為主要挑戰(zhàn)。特別是，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池非常受限，由于能量限制，通常不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離發(fā)射。例如，在那些地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不穩(wěn)定或不足的地區(qū)，由于功率限制，電池容量有限的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)法將其數(shù)據(jù)傳到遙遠(yuǎn)的基站。

使用移動(dòng)無(wú)人機(jī)成為解決物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)大量挑戰(zhàn)的頗具前景的解決方案。在以物聯(lián)網(wǎng)為中心的場(chǎng)景中，無(wú)人機(jī)可以作為飛行基站進(jìn)行部署，提供可靠且高能效上行物聯(lián)網(wǎng)通信。無(wú)人機(jī)還可以通過(guò)基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激活模式更新其位置，從而為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供服務(wù)。

（6）支持緩存的無(wú)人機(jī)：在小基站（SBS）進(jìn)行緩存已成為一種提高用戶吞吐量以及減小傳輸時(shí)延的頗具遠(yuǎn)景的方法。然而，在頻繁越區(qū)切換情況下，在靜態(tài)地面基站緩存可能對(duì)于為移動(dòng)用戶提供服務(wù)不是非常有效的。

無(wú)人機(jī)作為飛行基站能夠動(dòng)態(tài)緩存大眾化內(nèi)容，跟蹤對(duì)應(yīng)用戶的移動(dòng)性模式，然后為他們提供有效服務(wù)。事實(shí)上，使用支持緩存的無(wú)人機(jī)是一種在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)流量卸載的頗具遠(yuǎn)景的解決方案。與傳統(tǒng)靜態(tài)小基站案例相比，部署支持緩存的無(wú)人機(jī)的另一優(yōu)勢(shì)是可以降低緩存復(fù)雜度。例如，只要移動(dòng)用戶移動(dòng)到一個(gè)新小區(qū)，其請(qǐng)求的內(nèi)容就需要存儲(chǔ)在新基站。然而，支持緩存的無(wú)人機(jī)可以跟蹤用戶的移動(dòng)模式，因而，存儲(chǔ)在無(wú)人機(jī)上的內(nèi)容將不再需要額外在小基站緩存。支持緩存的無(wú)人機(jī)可以跟蹤用戶移動(dòng)模式，避免頻繁更新移動(dòng)用戶的內(nèi)容請(qǐng)求。因此，利用支持移動(dòng)緩存的無(wú)人機(jī)，預(yù)測(cè)用戶的移動(dòng)模式和內(nèi)容請(qǐng)求信息，地面用戶可以獲得更有效服務(wù)。

1.2 蜂窩連接的無(wú)人機(jī)用作用戶設(shè)備

無(wú)人機(jī)可以充當(dāng)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的用戶。無(wú)人機(jī)用戶可以用于數(shù)據(jù)包傳送、監(jiān)視、遙感和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。無(wú)人機(jī)用戶的主要優(yōu)勢(shì)是它們?yōu)榱搜杆偻瓿扇蝿?wù)能夠快速移動(dòng)和優(yōu)化其路徑。為了把無(wú)人機(jī)正確用作用戶設(shè)備（即，蜂窩連接的無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備），無(wú)人機(jī)與地面基站之間需要可靠且低延遲通信。事實(shí)上，為了支持無(wú)人機(jī)大規(guī)模部署，需要一種可靠的無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施，有效控制無(wú)人機(jī)運(yùn)行，同時(shí)支持其應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)生的流量。

除了超低延遲和可靠性要求，用于監(jiān)視目的時(shí)，無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備將需要來(lái)自地面網(wǎng)絡(luò)以及其他無(wú)人機(jī)-基站的高速上行連接。目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)可能無(wú)法全面支持無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備，無(wú)人-用戶設(shè)備與地面用戶之間存在關(guān)鍵區(qū)別，首先，由于地面基站與飛行無(wú)人機(jī)之間近乎視距通信，無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備通常歷經(jīng)不同的信道狀態(tài)。在該案例中，支持無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備的主要挑戰(zhàn)之一是地面基站造成的嚴(yán)重視距干擾。第二，與地面用戶不同，無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備的機(jī)載能量非常有限。第三，無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備通常比地面用戶動(dòng)態(tài)性更高。因此，把蜂窩連接無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備引入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)考量。

1.3 無(wú)人機(jī)飛行自組網(wǎng)

無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵應(yīng)用案例之一是用于飛行自組網(wǎng)（FANET），在此種網(wǎng)絡(luò)中，多架無(wú)人機(jī)以自組方式通信。利用無(wú)人機(jī)的移動(dòng)性、中央控制很少以及自組織等特性，F(xiàn)ANET可以在蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施有限的地理區(qū)域擴(kuò)展連通性和通信距離。與此同時(shí)，F(xiàn)ANET還可在各種應(yīng)用（如流量監(jiān)控、遙感、邊界監(jiān)視、沙漠管理、農(nóng)業(yè)管理、防火管理以及中繼通信）中扮演重要角色。特別是，無(wú)人機(jī)中繼網(wǎng)絡(luò)可在由于障礙物或相隔距離太遠(yuǎn)而無(wú)法直接通信的遠(yuǎn)程發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間，保持可靠的通信鏈路。

1.4 其他潛在無(wú)人機(jī)應(yīng)用案例

（1）無(wú)人機(jī)用作地面網(wǎng)絡(luò)的飛行回程：有線回程是基站連接到地面網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)的一種常用方法。然而，由于地理限制，特別是在涉及超密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有線連接可能非常昂貴且不可行。盡管無(wú)線回程是一項(xiàng)可行且成本有效的解決方案，但它要遭受堵塞和干擾，從而降低無(wú)線接入網(wǎng)的性能。在該案例中，在地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)成本有效、可靠且高速無(wú)線回程連通方面，無(wú)人機(jī)可以發(fā)揮重要作用。特別是，無(wú)人機(jī)可以優(yōu)化部署，規(guī)避障礙物，建立視距可靠通信鏈路。此外，使用具有毫米波能力的無(wú)人機(jī)可以建立高數(shù)據(jù)率無(wú)線回程連通，這是應(yīng)對(duì)擁塞區(qū)域的高流量需求所需的。無(wú)人機(jī)還能夠創(chuàng)建一種空中可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，提供多跳視距無(wú)線回程機(jī)會(huì)。顯然，這種靈活的基于無(wú)人機(jī)的回程網(wǎng)絡(luò)可以明顯改善地面網(wǎng)絡(luò)回程的可靠性、能力和運(yùn)行成本。

（2）智慧城市：無(wú)人機(jī)可以提供多種智慧城市無(wú)線應(yīng)用案例。一方面，它們可以用作數(shù)據(jù)采集設(shè)備，跨越城市各種地理區(qū)域采集大量數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送到中心云單元進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。另一方面，無(wú)人機(jī)基站可以用于簡(jiǎn)單增強(qiáng)城市的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋或?qū)μ囟ǖ木o急情況做出響應(yīng)。無(wú)人機(jī)也可以用來(lái)感知整個(gè)城市的無(wú)線電環(huán)境圖，以協(xié)助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和頻率規(guī)劃工作。無(wú)人機(jī)在智慧城市中另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是它們能夠充當(dāng)移動(dòng)云計(jì)算系統(tǒng)。在這方面，安裝在無(wú)人機(jī)上的小云能夠?yàn)槟切o(wú)法執(zhí)行繁重計(jì)算任務(wù)的設(shè)備提供霧計(jì)算和卸載機(jī)會(huì)。在智慧城市里，為了特定用途（例如，再?zèng)_電），無(wú)人機(jī)可能需要臨時(shí)定位在建筑物上面。在這種情況下，為了協(xié)調(diào)無(wú)人機(jī)運(yùn)行，需要按需對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行位置編號(hào)管理?？偟膩?lái)說(shuō)，從無(wú)線和運(yùn)行角度，無(wú)人機(jī)將是智慧城市其中不可或缺的一部分。

2、基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線組網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

為了讓讀者清楚了解無(wú)人機(jī)是如何用作飛行無(wú)線基站的，本節(jié)將簡(jiǎn)要描述無(wú)人機(jī)無(wú)線中心部署的大量預(yù)期應(yīng)用。這些應(yīng)用來(lái)自各種場(chǎng)景，包括近期應(yīng)用案例（如公共安全場(chǎng)景或熱點(diǎn)覆蓋）以及未來(lái)應(yīng)用（如無(wú)人機(jī)用作緩存設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)使能器）。

由于無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性、靈活性等獨(dú)有特性，將無(wú)人機(jī)用于無(wú)線組網(wǎng)頗具挑戰(zhàn)性。本節(jié)重點(diǎn)研究基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線組網(wǎng)面臨的主要挑戰(zhàn)。

2.1 空對(duì)地信道建模

無(wú)線信號(hào)傳播受發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間介質(zhì)的影響?？諏?duì)地（A2G）信道特性明顯有別于傳統(tǒng)地面通信信道，根據(jù)覆蓋和容量可以確定基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信性能。同時(shí)，與具有視距優(yōu)勢(shì)的空對(duì)空通信鏈路相比，空對(duì)地信道更易受障礙物影響。顯然，基于無(wú)人機(jī)的通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和部署需要采用精確的空對(duì)地信道模型。盡管射線追蹤技術(shù)是一種合理的信道建模方法，但目前還達(dá)不到足夠的精度，尤其是在低頻工作時(shí)。在無(wú)人機(jī)應(yīng)用于覆蓋增強(qiáng)、蜂窩連接無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)，精確的空對(duì)地信道建模尤為重要。

空對(duì)地信道特性明顯有別于地面通信信道。特別是無(wú)人機(jī)的任何移動(dòng)或振動(dòng)都可能影響信道特性。此外，空對(duì)地信道高度依賴無(wú)人機(jī)的高度和類型、仰角以及傳播環(huán)境類型。因此，需要在各種環(huán)境下的綜合仿真和測(cè)量，才能找到一種無(wú)人機(jī)對(duì)地通信的通用信道模型。在信道建模中，必須獲得無(wú)人機(jī)高度、天線運(yùn)動(dòng)以及由無(wú)人機(jī)機(jī)身遮擋造成的影響。顯然，捕獲這些因素是空對(duì)地信道建模所面臨的挑戰(zhàn)。

2.2 最佳部署

無(wú)人機(jī)的三維部署是基于無(wú)人機(jī)的通信所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。無(wú)人機(jī)可調(diào)的飛行高度和潛在的機(jī)動(dòng)性為其有效部署提供了額外自由度。因而，無(wú)人機(jī)的最佳部署受到極大關(guān)注。事實(shí)上，在使用無(wú)人機(jī)用于實(shí)現(xiàn)最大覆蓋和容量、公共安全、智慧城市、緩存和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，部署成為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考量。最佳三維無(wú)人機(jī)布置是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)樗Q于許多因素，例如部署環(huán)境（如地理區(qū)域）、地面用戶位置、無(wú)人機(jī)對(duì)地信道特性（這是無(wú)人機(jī)高度的函數(shù)）。此外，由于蜂窩間干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，同時(shí)部署多架無(wú)人機(jī)頗具挑戰(zhàn)性。事實(shí)上，按照傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署無(wú)人機(jī)比部署地面基站更具挑戰(zhàn)性。與地面基站不同，由于考慮到高度對(duì)空對(duì)地信道特性的影響，無(wú)人機(jī)需要部署在一個(gè)連續(xù)三維空間。此外，在部署無(wú)人機(jī)時(shí)，它們的飛行時(shí)間和能量限制也必須予以考慮，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懢W(wǎng)絡(luò)性能。

2.3 軌跡優(yōu)化

在基于無(wú)人機(jī)的通信系統(tǒng)中，無(wú)人機(jī)的最佳路徑規(guī)劃是另一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。特別是，在無(wú)人機(jī)應(yīng)用于智慧城市、無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備和緩存場(chǎng)景過(guò)程中，無(wú)人機(jī)軌跡優(yōu)化非常重要。無(wú)人機(jī)軌跡易受不同因素的影響，比如飛行時(shí)間、能量限制、地面用戶需求和碰撞規(guī)避。

當(dāng)然，無(wú)人機(jī)飛行路徑的優(yōu)化面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰紤]許多物理約束和參數(shù)。例如，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)性能優(yōu)化而探索無(wú)人機(jī)軌跡時(shí)，需要考慮多種關(guān)鍵因素，如由機(jī)動(dòng)性引起的信道變化、無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)、無(wú)人機(jī)能耗以及飛行限制。另外，解決無(wú)人機(jī)連續(xù)軌跡優(yōu)化問(wèn)題面臨分析性挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰业綗o(wú)數(shù)個(gè)優(yōu)化變量（即無(wú)人機(jī)的位置）。此外，在無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，軌跡優(yōu)化需要捕獲無(wú)線通信中機(jī)動(dòng)性與各種QoS指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)。

2.4 性能分析

在設(shè)計(jì)基于無(wú)人機(jī)的通信系統(tǒng)時(shí)，為了評(píng)估設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，需要進(jìn)行基本性能分析。當(dāng)然，由于無(wú)人機(jī)的高度和潛在機(jī)動(dòng)性以及信道特性不同，對(duì)基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線系統(tǒng)進(jìn)行基本性能分析與傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)有很大不同。同時(shí)，無(wú)人機(jī)嚴(yán)格的能量限制還帶來(lái)一些獨(dú)特挑戰(zhàn)。無(wú)人機(jī)機(jī)載能量有限導(dǎo)致飛行時(shí)間短，這是影響基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信性能的一個(gè)主要因素。實(shí)際上，對(duì)由飛行和地面基站組成的復(fù)雜異構(gòu)空中-地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能分析是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。事實(shí)上，需要對(duì)基于無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面性能分析，同時(shí)記錄無(wú)人機(jī)各方面的特性，包括機(jī)動(dòng)性以及與地面網(wǎng)絡(luò)共存的特定空對(duì)地信道特性。此外，由于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)和高動(dòng)態(tài)特性，具有飛行用戶和基站的蜂窩連接無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)有其特有的復(fù)雜性。

2.5 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要解決大量關(guān)鍵問(wèn)題，如基站定位、流量估計(jì)、頻率分配、小區(qū)關(guān)聯(lián)、回程管理、信令和干擾抑制。當(dāng)無(wú)人機(jī)用于實(shí)現(xiàn)覆蓋和容量增強(qiáng)時(shí)，基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃尤為重要。由于無(wú)人機(jī)獨(dú)有的特性（移動(dòng)性、視距干擾、能量限制和無(wú)線回程連通性），在無(wú)人機(jī)輔助蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃頗具挑戰(zhàn)性。對(duì)于存在飛行無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，需要新的考量。一方面，上行中大量潛在無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備帶來(lái)的視距干擾會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃造成明顯影響。另一方面，地面基站必須裝備適合類型的天線，以便為下行無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備提供服務(wù)。傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與無(wú)人機(jī)系統(tǒng)之間的另外一點(diǎn)不同是信令和開(kāi)銷數(shù)量不同。在使用無(wú)人機(jī)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃中，必須對(duì)信令和開(kāi)銷方面的問(wèn)題予以考量。

飛行無(wú)人機(jī)的回程連接是無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的另一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。由于無(wú)人機(jī)基站處于空中，需要利用無(wú)線回程把它們連接到一個(gè)核心網(wǎng)。WiFi和衛(wèi)星技術(shù)是頗具前途的無(wú)線回程解決方案。相比WiFi，衛(wèi)星鏈路可以提供更廣的回程覆蓋。但是，相比衛(wèi)星回程，WiFi鏈路有成本和時(shí)延優(yōu)勢(shì)。其他頗具前途的無(wú)線回程解決方案是設(shè)有地面站的毫米波和自由空間光通信（FSO）。

2.6 資源管理和能量效率

當(dāng)無(wú)人機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)、公共安全和無(wú)人機(jī)輔助蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等重要場(chǎng)景中運(yùn)行時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注資源管理和能量效率。資源管理是蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨的主要挑戰(zhàn)，同時(shí)，無(wú)人機(jī)也帶來(lái)了其獨(dú)有的挑戰(zhàn)，因?yàn)椋?）無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間、能量、路徑規(guī)劃和頻譜效率之間的相互影響；2）無(wú)人機(jī)嚴(yán)格的能量和飛行限制；3）來(lái)自空對(duì)地和空對(duì)空鏈路的視距干擾；4）無(wú)人機(jī)特有的機(jī)動(dòng)性。因此，有必要對(duì)運(yùn)行于異質(zhì)譜帶且與地面網(wǎng)絡(luò)共存的復(fù)雜無(wú)人機(jī)輔助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資源分配進(jìn)行優(yōu)化和管理。事實(shí)上，資源管理和頻譜共享過(guò)程必須恰當(dāng)?shù)靥幚頍o(wú)線網(wǎng)絡(luò)的固有動(dòng)態(tài)，例如無(wú)人機(jī)的時(shí)變干擾、流量模式變化、機(jī)動(dòng)性和能量限制。

當(dāng)然，飛行無(wú)人機(jī)用于傳輸、機(jī)動(dòng)、控制、數(shù)據(jù)處理和有效載荷用途的能量有限。因此，無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間通常很短而且不足以提供長(zhǎng)期連續(xù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。無(wú)人機(jī)的能耗也取決于無(wú)人機(jī)的角色/任務(wù)、天氣情況及導(dǎo)航路徑。這種能量限制又會(huì)限制無(wú)人機(jī)的飛行和懸停時(shí)間。因而在設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)時(shí)，需要明確考慮無(wú)人機(jī)的能量和飛行限制。因此，對(duì)無(wú)人機(jī)的能量效率需要仔細(xì)考量，因?yàn)樗鼘?duì)無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)有重大影響。事實(shí)上，無(wú)人機(jī)自身能量有限對(duì)于無(wú)人機(jī)在各種應(yīng)用中的部署和機(jī)動(dòng)有非常大的限制。

2.7 無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備

無(wú)人機(jī)除了可以用作空中基站，也可以作為飛行用戶成為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一部分。無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備，由于其相對(duì)高的高度、嚴(yán)格的機(jī)載能量限制、動(dòng)態(tài)作用、潛在的大量部署以及其近乎毫無(wú)限制的機(jī)動(dòng)性，將進(jìn)一步加劇諸如性能分析、干擾管理、機(jī)動(dòng)性管理以及能量和頻譜效率等方面的傳統(tǒng)無(wú)線挑戰(zhàn)。特別是由于無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備的大量部署、為實(shí)現(xiàn)基站到無(wú)人機(jī)通信而地對(duì)空信道建模、設(shè)計(jì)可支持高高度（即高仰角）無(wú)人機(jī)的適合基站天線，在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備引入了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，例如上行干擾管理。另外，無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備要求超可靠低延遲通信（URLLC），旨在迅速控制其運(yùn)行，保證其安全有效導(dǎo)航。顯然，需要URLLC還會(huì)導(dǎo)致新型無(wú)線組網(wǎng)挑戰(zhàn)。

此外，部署飛行無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備和無(wú)人機(jī)-基站空中網(wǎng)絡(luò)，還需要有效的越區(qū)切換管理機(jī)制。越區(qū)切換是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，用戶關(guān)聯(lián)發(fā)生改變，目的是維護(hù)移動(dòng)用戶的連通。同時(shí)，越區(qū)切換管理將造成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的信令開(kāi)銷。這種越區(qū)切換信令取決于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、機(jī)動(dòng)性（用戶和基站移動(dòng)）、用戶和基站位置以及越區(qū)切換速率。在基于無(wú)人機(jī)的通信系統(tǒng)中，需要進(jìn)行越區(qū)切換管理，以減少越區(qū)切換信令，同時(shí)為超可視視距（BVLOS）場(chǎng)景中的飛行無(wú)人機(jī)提供連通。在無(wú)人機(jī)通信中，由于無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備和無(wú)人機(jī)基站的高度動(dòng)態(tài)特性，相比傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，越區(qū)切換管理有非常大的挑戰(zhàn)性。有效的越區(qū)切換機(jī)制必須適應(yīng)無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備和無(wú)人機(jī)-基站的3D移動(dòng)，同時(shí)在為無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備提供服務(wù)時(shí)，保證低延遲通信和控制。

此外，對(duì)于無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備，所有上述的挑戰(zhàn)還必須考慮到這樣的事實(shí)：為了實(shí)現(xiàn)用戶覆蓋最大化，地面基站的天線將下傾。因此，了解天線傾斜對(duì)無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備的影響，這是非常必要的，同時(shí)還需要研究如何通過(guò)自適應(yīng)波束形成或地面基站的新型無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備感知設(shè)計(jì)克服這種限制。

3、基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信及網(wǎng)絡(luò)面臨的開(kāi)放性問(wèn)題

在前一節(jié)中，概述了基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信的總體研究方向和面臨的挑戰(zhàn)。以下章節(jié)則討論每個(gè)涵蓋領(lǐng)域面臨的開(kāi)放性研究問(wèn)題，詳細(xì)描述未來(lái)機(jī)遇。盡管對(duì)于無(wú)人機(jī)通信進(jìn)行了大量研究，但仍然存在許多關(guān)鍵開(kāi)放性問(wèn)題，必須加以研究。

3.1 信道建模

對(duì)于空對(duì)地信道建模，存在幾個(gè)關(guān)鍵開(kāi)放性問(wèn)題。第一點(diǎn)，也是最重要的一點(diǎn)，需要更多來(lái)自真實(shí)測(cè)量的真實(shí)信道模型。雖然在這方面的工作已經(jīng)開(kāi)始，但大部分工作仍然局限于單架無(wú)人機(jī)或非常特殊的環(huán)境。信道測(cè)量需要能夠跨城區(qū)和鄉(xiāng)村地區(qū)，同時(shí)，也有必要進(jìn)行各種工作環(huán)境（例如氣候條件）下更廣泛的信道測(cè)量。此外，仿真結(jié)果也可以擴(kuò)展到對(duì)小尺度衰落模型空對(duì)地通信進(jìn)行建模。此外，隨著無(wú)人機(jī)越來(lái)越多地用作飛行基站、無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備甚至是用于回程支持，人們必須對(duì)空對(duì)空信道建模有更多的洞察。具體來(lái)說(shuō)，由于無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性，需要能夠捕獲信道時(shí)變和多普勒效應(yīng)的精確無(wú)人機(jī)到無(wú)人機(jī)信道模型。此外，在考慮無(wú)人機(jī)飛行高度以及天線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，需要描述空對(duì)空通信中的多徑衰落特性。

3.2 部署

要解決無(wú)人機(jī)部署方面的開(kāi)放性問(wèn)題，由于無(wú)人機(jī)的獨(dú)特特性，需要新的無(wú)人機(jī)優(yōu)化3D布局解決方案。例如，關(guān)鍵的開(kāi)放問(wèn)題之一是在地面網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下優(yōu)化無(wú)人機(jī)3D布局。例如，需要研究無(wú)人機(jī)如何在與蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的情況下進(jìn)行部署，同時(shí)考慮空中系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間的相互干擾。部署過(guò)程中，其他關(guān)鍵開(kāi)放性問(wèn)題包括：

（1）部署和帶寬分配的聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)低延遲通信：為了降低由無(wú)人機(jī)基站提供服務(wù)用戶的最大傳輸延遲，所面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題是對(duì)無(wú)人機(jī)基站的3D位置和帶寬分配的聯(lián)合優(yōu)化。特別是在無(wú)人機(jī)基站數(shù)量、用戶位置和可用于服務(wù)用戶的帶寬總量一定的情況下，一個(gè)重要的開(kāi)放性問(wèn)題是找到每個(gè)無(wú)人機(jī)基站的最優(yōu)位置及其傳輸帶寬，盡量降低用戶的最大下行傳輸延遲。

（2）3D布局和小區(qū)關(guān)聯(lián)的聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)間最小化：為用戶提供無(wú)線服務(wù)的無(wú)人機(jī)基站的飛行時(shí)間取決于多個(gè)因素，如連接到無(wú)人機(jī)基站的用戶載荷和數(shù)量以及下行傳輸速率。在這個(gè)問(wèn)題中，在無(wú)人機(jī)-基站數(shù)量一定的情況下，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化無(wú)人機(jī)-基站位置和用戶-無(wú)人機(jī)關(guān)聯(lián)，應(yīng)該能夠使無(wú)人機(jī)-基站為用戶提供全面服務(wù)所需的總飛行時(shí)間最短。

（3）無(wú)人機(jī)的障礙物感知部署，實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋的最大化：服務(wù)于地面用戶的無(wú)人機(jī)基站的覆蓋性能受障礙物的影響。在這一點(diǎn)上，一個(gè)關(guān)鍵的開(kāi)放性問(wèn)題是基于用戶和障礙物位置，對(duì)無(wú)人機(jī)基站進(jìn)行優(yōu)化布局，從而最大化無(wú)人機(jī)基站總覆蓋。具體來(lái)說(shuō)，在地面用戶和環(huán)境中障礙物位置一定的情況下，能夠確定無(wú)人機(jī)-基站的3D位置，以便無(wú)人機(jī)覆蓋最大數(shù)量的用戶。對(duì)于運(yùn)行于高頻段（例如，毫米波頻率）的無(wú)人機(jī)，這種方法尤為有用。

3.3 軌跡優(yōu)化

盡管無(wú)人機(jī)潛在的機(jī)動(dòng)性能夠?yàn)槠鋺?yīng)用帶來(lái)機(jī)遇，但也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和技術(shù)問(wèn)題。在無(wú)人機(jī)輔助的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，需要針對(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)無(wú)人機(jī)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，如吞吐量、能量和頻譜效率以及時(shí)延。此外，軌跡優(yōu)化問(wèn)題必須考慮無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)和類型。盡管對(duì)無(wú)人機(jī)軌跡優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，但仍然存在大量頗具吸引力的開(kāi)放性問(wèn)題，包括：1）基于地面用戶移動(dòng)性模式的無(wú)人機(jī)軌跡優(yōu)化，提升覆蓋性能；2）無(wú)人機(jī)障礙物感知軌跡優(yōu)化考慮用戶時(shí)延限制和無(wú)人機(jī)能耗；3）通過(guò)軌跡優(yōu)化提升基于無(wú)人機(jī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠性并降低延遲；4）無(wú)人機(jī)的聯(lián)合控制、通信和軌跡優(yōu)化，縮短無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間。

3.4 性能分析

對(duì)于性能分析，有很多問(wèn)題仍待研究。例如，必須完全描述由空中和地面用戶和基站組成的基于無(wú)人機(jī)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能，即覆蓋和容量。特別是需要一種異構(gòu)空-地網(wǎng)絡(luò)中的覆蓋概率和頻譜效率的易處理表達(dá)式。此外，需要通過(guò)基本性能分析，捕獲無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中頻譜效率和能量效率之間的固有權(quán)衡。另一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題是將無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性加入對(duì)基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能評(píng)估中。對(duì)這種移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本分析涉及捕獲網(wǎng)絡(luò)中各種性能指標(biāo)的空間和時(shí)間變量。例如，需要對(duì)無(wú)人機(jī)軌跡對(duì)其通信性能的影響進(jìn)行研究，包括吞吐量、延遲和能效。

3.5 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行有效網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需要解決大量關(guān)鍵問(wèn)題。例如，如何用最少量無(wú)人機(jī)提供對(duì)地面基站只能部分覆蓋的指定地理區(qū)域的全覆蓋。當(dāng)這一感興趣地理區(qū)域的幾何形狀（例如圓盤(pán)或方形）不規(guī)則時(shí)，解決上述問(wèn)題還要面臨特殊挑戰(zhàn)。另一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題是使用無(wú)人機(jī)作為空中基站時(shí)，無(wú)人機(jī)回程感知調(diào)度。在這一案例中，當(dāng)部署無(wú)人機(jī)基站時(shí)，必須考慮無(wú)人機(jī)回程連通性及其用戶的服務(wù)質(zhì)量。其他重要的開(kāi)放性問(wèn)題包括：1）在地面和空中基站與用戶共存時(shí)進(jìn)行有效的頻率規(guī)劃；2）開(kāi)發(fā)新方法，使飛行中的無(wú)人機(jī)無(wú)論何時(shí)入網(wǎng)都能動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)；3）設(shè)計(jì)能夠應(yīng)對(duì)高移動(dòng)性無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備的魯棒自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃技術(shù)。最后一點(diǎn)，必須對(duì)無(wú)人機(jī)基站和無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備相關(guān)信令開(kāi)銷進(jìn)行分析，同時(shí)描述開(kāi)銷對(duì)性能的影響。

3.6 資源管理和能量效率

資源管理是基于無(wú)人機(jī)的通信系統(tǒng)中另一重要研究問(wèn)題。特別是需要一種能夠動(dòng)態(tài)管理各種資源的框架，包括帶寬、能量、發(fā)射功率、無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間、無(wú)人機(jī)數(shù)量等。例如，如何動(dòng)態(tài)調(diào)整服務(wù)于地面用戶的飛行無(wú)人機(jī)的發(fā)射功率和軌跡。同時(shí)，需要設(shè)計(jì)有效的調(diào)度技術(shù)，抑制無(wú)人機(jī)輔助的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中空中和地面基站間的干擾。另外，必須對(duì)飛行和地面基站異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)頻譜共享進(jìn)行分析。最后，采用適合無(wú)人機(jī)運(yùn)行的頻段（例如，WiFi、LTE頻段）是重要的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3.7 無(wú)人機(jī)-用戶設(shè)備

當(dāng)然，在蜂窩中充當(dāng)用戶的飛行無(wú)人機(jī)會(huì)引入新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。特別是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備時(shí)，必須考慮無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性、視距干擾、越區(qū)切換、能量限制以及低延遲控制。在這點(diǎn)上，無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備通信中的關(guān)鍵開(kāi)放性問(wèn)題包括：1）開(kāi)發(fā)用于大規(guī)模無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備部署場(chǎng)景的魯棒干擾抑制技術(shù)；2）設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)越區(qū)切換機(jī)制，管理無(wú)人機(jī)高機(jī)動(dòng)性帶來(lái)的頻繁越區(qū)切換問(wèn)題；3）為基站到無(wú)人機(jī)通信提供精確的地對(duì)空信道模型；4）提出新的調(diào)度方案，同時(shí)考慮無(wú)人機(jī)電池的限制；5）設(shè)計(jì)有效的解決方案，滿足無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備的URLLC需求；6）分析特定應(yīng)用的QoS措施。

4、實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)通信的分析框架

實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)通信的分析框架這一領(lǐng)域是高度跨學(xué)科的，它將需要利用傳統(tǒng)領(lǐng)域工具，如通信理論、優(yōu)化理論和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及新興領(lǐng)域，如隨機(jī)幾何、機(jī)器學(xué)習(xí)和博弈論，如圖4所示。

圖4設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具

4.1 集中優(yōu)化理論

在無(wú)人機(jī)作為飛行基站進(jìn)行部署的第一階段，盡管無(wú)人機(jī)具有固有自主能力，人們?nèi)匀辉O(shè)想最初無(wú)人機(jī)仍將依賴中央控制。這對(duì)于蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量增強(qiáng)這類應(yīng)用非常重要，在這些應(yīng)用中，在像無(wú)人機(jī)這樣的技術(shù)早期試驗(yàn)過(guò)程中，蜂窩操作人員可能不愿意放棄對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)。在此類場(chǎng)景中，許多確定的研究問(wèn)題將自然涉及表述和解決頗具挑戰(zhàn)性的集中優(yōu)化問(wèn)題。此類問(wèn)題可能在云端（例如在云輔助無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)），也可能在地面基站級(jí)（能夠控制一些無(wú)人機(jī)）。

值得注意的是，傳統(tǒng)地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題的解決方案可以用于無(wú)人機(jī)通信。例如，連續(xù)凸優(yōu)化等經(jīng)典方法可以用于優(yōu)化無(wú)人機(jī)的三維位置和軌跡。然而，這里確定的許多問(wèn)題都需要更先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)。例如，在分析用戶關(guān)聯(lián)問(wèn)題時(shí)，自然會(huì)歸結(jié)到具有挑戰(zhàn)性的混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，這類問(wèn)題無(wú)法使用傳統(tǒng)算法（例如那些用于凸優(yōu)化的算法）解決。先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具（最優(yōu)輸運(yùn)理論）可為大量小區(qū)關(guān)聯(lián)問(wèn)題提供易處理的解決方案，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間和基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量效率的優(yōu)化。

4.2 最優(yōu)輸運(yùn)理論

對(duì)于伴隨基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中用戶關(guān)聯(lián)、資源分配和飛行時(shí)間優(yōu)化等問(wèn)題而出現(xiàn)的非常艱難的優(yōu)化問(wèn)題，利用最優(yōu)輸運(yùn)理論可以得出易處理的解決方案。利用概率論和統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域的新思想，利用最優(yōu)輸運(yùn)理論能夠獲得無(wú)線設(shè)備的總分布，能夠比現(xiàn)有啟發(fā)式研究能更深入地對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化展開(kāi)基本分析。最優(yōu)輸運(yùn)屬于數(shù)學(xué)領(lǐng)域，研究物品在不同位置之間的輸運(yùn)場(chǎng)景。

在最優(yōu)輸運(yùn)理論框架內(nèi)，可以解決用戶任一通用空間分布的小區(qū)關(guān)聯(lián)問(wèn)題。事實(shí)上，針對(duì)基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中用戶關(guān)聯(lián)資源分配、能量管理和飛行優(yōu)化問(wèn)題的多樣化，可利用最優(yōu)輸運(yùn)理論推導(dǎo)出易處理的解決方案。具體而言，給定地面用戶的任一空間分布，可以利用最優(yōu)輸運(yùn)理論推導(dǎo)出最優(yōu)小區(qū)關(guān)聯(lián)和資源管理方案，從而實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，包括能量效率、吞吐量以及在無(wú)人機(jī)確定性飛行時(shí)間約束下的時(shí)延。

4.3 使用隨機(jī)幾何的性能分析

隨機(jī)幾何技術(shù)是作為自組網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的性能分析工具而興起的。其主要原理是賦予定位設(shè)備（例如用戶和基站）一個(gè)點(diǎn)過(guò)程，然后對(duì)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，例如覆蓋、速率、吞吐量或時(shí)延。盡管該技術(shù)已用于2D異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)分析，但它也可能可用于描述3D無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)性能。然而，必須使用現(xiàn)實(shí)的點(diǎn)過(guò)程，對(duì)無(wú)人機(jī)位置進(jìn)行建模。例如，當(dāng)無(wú)人機(jī)部署在用戶熱點(diǎn)時(shí)，二項(xiàng)-泊松聚類過(guò)程更適合，目標(biāo)是服務(wù)于特定區(qū)域的大量用戶。

4.4 機(jī)器學(xué)習(xí)

機(jī)器學(xué)習(xí)使系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)其環(huán)境和過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行自動(dòng)學(xué)習(xí)，從而提高其性能。機(jī)器學(xué)習(xí)可潛在用于實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。例如，使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，無(wú)人機(jī)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的位置、飛行方向和運(yùn)動(dòng)控制，為地面用戶提供服務(wù)。在這種情況下，無(wú)人機(jī)能夠以一種自組織方式快速適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境，并自動(dòng)優(yōu)化其軌跡。此外，可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)地面用戶行為并有效部署和操控?zé)o人機(jī)。例如，利用機(jī)器學(xué)習(xí)工具能夠預(yù)測(cè)用戶移動(dòng)性及其載荷分布，可用于進(jìn)行無(wú)人機(jī)優(yōu)化部署和路徑規(guī)劃。有關(guān)用戶的機(jī)動(dòng)性模式和流量分布的信息對(duì)于設(shè)計(jì)用于緩存的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)特別有用。機(jī)器學(xué)習(xí)還可用于學(xué)習(xí)無(wú)線電環(huán)境圖以及使用無(wú)人機(jī)建立3D信道模型。這些無(wú)線電環(huán)境圖可隨后用于無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的優(yōu)化部署和操作。

4.5 博弈論

分布式?jīng)Q策將是無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)一個(gè)不可或缺的組成部分。因此，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的使用，博弈論將為基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中分布式?jīng)Q策提供重要基礎(chǔ)。博弈論是一種自然用于分析資源管理和軌跡優(yōu)化問(wèn)題的工具，其中決策在每架無(wú)人機(jī)級(jí)制定。在這樣的情況下，每架無(wú)人機(jī)將具有捕獲其服務(wù)質(zhì)量的獨(dú)立目標(biāo)函數(shù)。在無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)中，分布式資源管理問(wèn)題將涉及不同類型的參與者（無(wú)人機(jī)、基站、用戶設(shè)備）以及多維策略空間，包括能量、頻譜、懸停/飛行時(shí)間和3D位置。由此將激發(fā)先進(jìn)博弈論機(jī)制的使用，如新興的多博弈概念，在一個(gè)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，可能多種博弈共存，如無(wú)人機(jī)之間的博弈和地面基站之間的博弈，同樣，需要對(duì)這樣的多博弈場(chǎng)景進(jìn)行分析。

5、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)人機(jī)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行了綜合研究。研究了無(wú)人機(jī)的兩種主要應(yīng)用案例，即空中基站和蜂窩連接的用戶，即無(wú)人機(jī)用戶設(shè)備。對(duì)于每種無(wú)人機(jī)應(yīng)用案例，探討了主要挑戰(zhàn)應(yīng)用和根本開(kāi)放性問(wèn)題。此外，提供了基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所面臨挑戰(zhàn)。同時(shí)，描述了滿足無(wú)人機(jī)挑戰(zhàn)以及分析無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所需的數(shù)學(xué)工具和技術(shù)。對(duì)無(wú)人機(jī)通信和組網(wǎng)的深入研究將為基于無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信系統(tǒng)的優(yōu)化、設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

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