688 浏览无人机中继辅助通信方案设计及性能研究
摘要：近年来,随着无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）设备的量产和无线通信技术的发展,无人机通信技术已成为当前无线通信的研究热点。由于无人机机动性强且可实现空中平台的大规模快速部署,可作为中继节点增强现有网络的频谱效率和可达速率,并提升移动通信网络的服务质量和应急能力。然而,无人机的移动性和小型化带来的信道状态信息快速变化和能量受限等特点,使无人机通信网络的性能面临巨大挑战。针对无人机中继辅助通信中存在的诸多问题,本文结合能量收集（Energy Harvesting,EH）和认知无线电等通信技术,有效提升了无人机中继辅助通信频谱效率的同时减小了无人机的能耗,提高了无人机中继辅助通信系统的稳定性和可靠性。本文的主要研究内容和创新点如下:1.针对无人机辅助中继通信网络中能量受限等问题,基于无线信息与能量转化并发传输（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT）技术,建立了能量收集增强的无人机中继辅助传输模型,其中,无人机中继节点至源端和目的端的传输信道均服从Nakagami-m分布。考虑系统源端发射功率、信道状态、时间转换（Time Switching,TS）因子和功率分割（Power Splitting,PS）因子等参数,推导并分析了目的端受聚合干扰时,能量收集增强的无人机中继节点辅助通信网络的吞吐量、中断概率和误码率（Bit error rate,BER）等测度的性能,分析了不同参数对系统吞吐量、中断概率和误码率等测度性能的影响,为无人机中继节点辅助通信网络的性能优化奠定了理论基础。2.针对无人机中继辅助通信网络中频谱资源匮乏和通信安全性等问题,结合认知无线电与物理层安全传输技术,建立了Nakagami-m衰落信道下能量收集增强的多无人机解码转发（Decode-and-Forward,DF）中继选择的认知保密传输模型,基于系统保密容量最大化目标,推导了TS和PS能量收集方案下多无人机辅助通信系统的保密中断概率（Secrecy Outage Probability,SOP）与非零保密容量概率的闭合表达式,在此基础上推导了保密中断概率的渐近表达式,获得了系统分集增益的闭合解,仿真验证了所提方案的合理性和理论分析的正确性。3.针对无人机中继辅助通信网络中频谱效率不高和通信安全性等问题,提出了利用认知无线电网络（Cognitive Radio Network,CRN）主用户（Primary User,PU）发射机干扰信号为次用户（Secondary User,SU）源节点和无人机中继节点进行能量收集的认知保密传输系统,推导了目的端最优保密容量的闭合表达式,并利用概率密度函数分析法和积分特性等方法,获得了无人机中继辅助通信网络的非零保密容量概率和保密中断概率的闭合表达式,并通过分析系统保密中断概率的渐近表达式,得到无人机中继辅助通信网络的保密分集度和阵列增益性能。系统仿真验证了本文所提方案的有效性和理论分析的正确性。
关键词：无人机;中继协作
文章目录
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 本文主要研究内容
1.4 论文结构安排
第2章 无人机中继辅助通信网络基础
2.1 无人机通信概况
2.1.1 无人机的发展历程
2.1.2 无人机网络存在的问题
2.2 无线信号的传输信道模型
2.2.1 大尺度衰落
2.2.2 小尺度衰落
2.3 中继协作通信
2.3.1 中继协作通信的提出
2.3.2 中继协作策略
2.3.3 中继选择策略
2.4 能量收集技术
2.4.1 传统可再生能源能量收集技术
2.4.2 射频能量收集技术
2.5 本章小结
第3章 能量收集增强型无人机中继辅助传输设计
3.1 两跳中继选择传输方案
3.1.1 系统模型
3.1.2 信号传输过程
3.2 所提方案的性能分析
3.2.1 无人机中继辅助通信的中断概率
3.2.2 误码率
3.3 仿真分析
3.4 本章小结
第4章 无人机中继辅助通信的认知网络保密方案设计
4.1 无人机中继辅助通信传输方案
4.1.1 系统模型
4.1.2 信号传输过程
4.2 保密性能分析
4.2.1 信道参数
4.2.2 非零保密容量概率
4.2.3 最优保密中断概率
4.2.4 渐近保密中断分析
4.3 仿真分析
4.4 本章小结
第5章 多无人机能量收集DF协同传输认知网络设计
5.1 多无人机能量收集和认知增强的DF协同传输方案
5.1.1 系统模型
5.1.2 信号传输过程
5.2 保密性能分析
5.2.1 信道模型
5.2.2 非零保密容量概率
5.2.3 最优保密中断概率
5.2.4 渐近保密中断分析
5.3 仿真与分析
5.4 本章小结
第6章 结论
参考文献
[1]基于5G的固定翼无人机应急通信覆盖能力研究[J]. 袁雪琪,云翔,李娜. 电子技术应用. 2020(02)
[2]系留式多旋翼无人机在应急通信中的应用[J]. 吴鹏,王黎阳. 中国信息化. 2018(12)
