UAV无线通信系统的相关研究总结
- 背景
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- 特点
- 角色
- UAV的主要挑战
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- 位置部署，轨道规划（Location Deployment/ Trajectory Design）
- 干扰管理（Interference Management）
- 碰撞避免（Collision avoidance）
- UAV相关信道（Air-to-Ground Channel）
- UAV辅助无线通信（UAV-assisted Wireless Communication）
- UAV赋能的无线感知（UAV-enabled Wireless Sensing）
- UAV对地面UEs、Targets 常用的关联调度方法
- UAV应用
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- 单UAV和多UAVs的区别
- Static-UAV 和 Mobile-UAV的区别
- 参考文献
背景
特点
UAV部署灵活，移动性可控，易于建立LoS链路的特点是为许多应用程序开辟有吸引力的垂直市场具有很高的潜力，如 军事侦察，实时监控 (道路交通监测、森林火灾监测、灾害监测)、空中救援(灾后救援)、货物交付、精准农业、工业设施检查等。
角色
UAV作为不同类型的无线通信平台：
- 无网络覆盖区域：UAV增加通信覆盖面，扩大通信容量，提高通信可靠性，做空中移动基站和移动中继。 (1)有源网络:对区域感兴趣(target)部署低功率设备(devices)，UAV 和 device之间建立数据通信。（和下述WSN类似网络应用) (2)无源网络:对区域感兴趣(target)需要使用未部署任何传感设备UAV配备传感器设备进行信息感知，具体应用如监测人迹罕至的森林、特殊地段的交通状况、监测大型建筑隐患等。
- 物联网网络 (IoT) ： 传感器网络(WSN)：UAV多个传感器节点(SNs)监控位于广阔区域。 数据收集和分配可以根据传输要求和传感器节点的位置动态改变飞行轨迹。
- 蜂窝网络： 传统UAV通信主要依靠与特殊地面用户的简单直接连接，难以保证数据速率、安全性和运行覆盖范围。因此，UAV可靠连接和无缝覆盖可以通过与蜂窝网络连接来保证。网络场景，UAV通常扮演 aerial user、aerial relay, or small BS 的角色。与此同时，UAV 高概率LOS干扰管理问题的特点是不可避免的。
- UAVs组网： 根据实际应用需要考虑。
- 异构网络： UAV在上述不同类型的网络组合场景中工作UAV在不同频段网络(比如LTE和mmWave)下工作。
- 飞行计算云： UAV扮演 edge server 承担终端卸载的部分计算任务，然后反馈计算结果。
- 其他
UAV的主要挑战
位置部署，轨道规划（Location Deployment/ Trajectory Design）
UAV由于采用机载电池供电，续航时间有限，设计合理的航迹增加UAV续航时间很重要。
干扰管理（Interference Management）
UAV可以大概率建立LoS所以当链路的特点UAV在辅助通信中，存在的链路之间的干扰也会比普通链路大，因此需要进行干扰管理。 尤其是在 UAV干扰控制是集群工作中需要解决的关键问题。常用的干扰控制方法有：
- （无 backhauls）：适合中值SINR，不适合大的SINR
- : 分为 全连接，部分连接，和 central processor链接
- （无 backhauls）：包含 ZF-beamforming 和 Cognitive-beamforming
- : 由 Cognitive-beamforming 和 partial backhauls 组成
碰撞避免（Collision avoidance）
针对UAV必须考虑集群工作UAV防碰撞设计一般是让之间的 t t t 时刻的UAV位置之间有距离约束 ∥ q m [ t ] ? q k [ t ] ∥ 2 ≥ d min , \| q_m[t] - q_k[t] \|_2 \geq d_{\min}, ∥qm[t]?qk[t]∥2≥dmin, m ≠ k m \neq k m=k 是无人机的序号.
一般情况，UAV辅助场景下UAV的飞行高度都是固定的，优化2-D轨迹要比3-D轨迹简单和容易的多。但在有些情况下，优化UAV飞行高度是一个很好的选择，可以提供额外的自由度。
UAV相关信道（Air-to-Ground Channel）
- （仰角决定LoS径概率）
- Note: 待整理
UAV辅助的无线通信（UAV-assisted Wireless Communication）
大多数研究关于UAV辅助通信的研究分为三类：UAV网络；UAV+蜂窝网络; 异构网络。
- UAV充当空中的无线接入点（AP）或基站（BS）为地面用户提供服务。
- UAV充当中继（Relay）或空中用户（UE）参与到地面蜂窝网络中去。
- UAV应用在包含蜂窝网络、卫星网络、车联网、UAV组网等网络中。 参考上述 “” 部分。
UAV赋能的无线感知（UAV-enabled Wireless Sensing）
（Sensing ）是指利用某种方式感受环境或物体的某种信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
无人机辅助的感知，并不是无人机本身具有感知功能，而是无人机作为一个平台，通过搭载传感器、雷达等设备来进行感知环境信息（拍照、摄像等采集环境数据）、检测目标存在与否、追踪目标等。
- : 需要满足
- : transmit beampattern gain ≥ \geq ≥ 某个阈值（和UAV与target之间的距离有关）； CRB lower bound 等。
UAV对地面UEs、Targets 关联调度的常用方法
- 最直接的办法：根据最大SNR关联，也就是距离最近的关联
- Matching theory
- 联盟博弈
- 0-1整数规划：从优化角度求解，离散变量松弛为连续变量，通过加惩罚项的方法，比如二次罚函数、非凸罚函数、L-1 norm 等
- TSP/ m-TSP
UAV应用
单UAV和多UAVs的区别
- 单个无人机在无线网络性能方面由于其实际尺寸，重量和功率（SWAP）限制，它通常具有有限的功能，可能无法保证在整个任务期间的可用性，所以需要UAV集群来提高系统有效性。
- 在支持多无人机的网络中，UAV集群可以同时为用户提供更高的吞吐量和更低的访问延迟，这可以有效地缓解单无人机通信中基本的吞吐量 - 访问延迟权衡。
- Multi-UAVs 和 Single-UAV相比，可以更快更有效地执行更复杂和具有挑战性的任务，提高系统性能。
- 但是，Multi-UAV系统不可避免的要考虑 “Interference”、“Path Planning”、“User Scheduling”、“Energy Efficiency”等问题。
Static-UAV 和 Mobile-UAV的区别
- Static-UAV enabled wireless network: 关注UAVs的部署。
- Mobile-UAV enabled wireless networks: 关注UAVs的轨迹设计和用户关联调度。（UAV移动性造成和地面 BS\UE 的通信距离变化）
参考文献
[1] Zhonghao Lyu, Guangxu Zhu, Jie Xu, “Joint Maneuver and Beamforming Design for UAV-Enabled Integrated Sensing and Communication”, https://arxiv.org/abs/2110.02857 [2] 待补充