【摘要】：隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,無線數(shù)據(jù)流量的需求飛速膨脹,對(duì)現(xiàn)有的地面通信系統(tǒng)帶來了極其巨大的挑戰(zhàn)。然而,僅僅依靠部署傳統(tǒng)的地面基站難以應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。除此之外,地面基站還面臨著在山區(qū)等地勢(shì)險(xiǎn)峻地區(qū)部署成本高、難以部署,在地震等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)容易遭破壞等一系列問題。在現(xiàn)有的地面通信系統(tǒng)中部署無人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)基站可以有效地解決上述問題。在無人機(jī)通信系統(tǒng)中,無人機(jī)基站處于空中,具有可控的移動(dòng)性,可以縮短與目標(biāo)用戶的距離,降低路徑損耗以提升無線傳輸效率。本文主要致力于通過優(yōu)化無人機(jī)的飛行軌跡,提升無人機(jī)通信系統(tǒng)中的信息或能量傳輸?shù)男��？紤]了兩個(gè)場(chǎng)景,分別為無人機(jī)使能的無線信息傳輸和配置定向天線的無人機(jī)使能的無線能量傳輸。研究?jī)?nèi)容一考慮了一個(gè)無人機(jī)使能的無線信息傳輸系統(tǒng),其中無人機(jī)作為移動(dòng)的空中基站,在一個(gè)通信周期內(nèi)向地面多個(gè)用戶廣播信息,用戶的多址接入方式為頻分多址。本文的目的是通過聯(lián)合優(yōu)化無人機(jī)的軌跡和傳輸功率,最大化所有用戶的最小可達(dá)速率,約束條件為無人機(jī)的最大速度約束以及無人機(jī)的平均發(fā)射功率約束。由于所形成的優(yōu)化問題是非凸的,難以直接求出最優(yōu)解。因此,本文首先考慮忽略最大速度約束的松弛問題,并利用拉格朗日對(duì)偶法求得其最優(yōu)解。該最優(yōu)解顯示無人機(jī)應(yīng)該陸續(xù)懸停在有限個(gè)懸停點(diǎn)上,但卻并不適用于有最大速度約束的原問題�；谒沙趩栴}的解,同時(shí)為了最大化無人機(jī)在懸停點(diǎn)上的懸停時(shí)間,無人機(jī)需要以最大速度在懸停點(diǎn)之間飛行,并且以最短路徑訪問所有懸停點(diǎn)。本文利用旅行售貨員問題(travelling salesman problem,TSP)的求解方法求得了無人機(jī)的軌跡,稱其為successive hover-and-fly軌跡,并得出了對(duì)應(yīng)最優(yōu)的懸停時(shí)間以及發(fā)射功率分配。上述便是本文為有最大速度約束的原問題提出的算法,該算法得到的解是漸進(jìn)最優(yōu)的。仿真結(jié)果證明了本文所提算法相對(duì)已有算法的優(yōu)越性。研究?jī)?nèi)容二考慮了一個(gè)無人機(jī)使能的無線能量傳輸(wireless power transfer,WPT)系統(tǒng),其中配置定向天線的無人機(jī)作為移動(dòng)的能量發(fā)射機(jī),在一個(gè)充電周期內(nèi)向地面上多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸能量。定向天線的引入使得系統(tǒng)多出一個(gè)無人機(jī)高度和波束寬度的權(quán)衡,因此無人機(jī)的飛行不再局限于二維(two dimensional,2D)空間,其移動(dòng)性得到了更加充分地利用。本文的目的是通過聯(lián)合優(yōu)化無人機(jī)的水平軌跡、高度和波束寬度,最大化所有節(jié)點(diǎn)的最小接收能量,約束條件為無人機(jī)的最大速度約束、高度約束和波束寬度約束。本文考慮了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)兩種情況,給出了針對(duì)最小接收能量最大化問題的有效解決方案。仿真結(jié)果表明了本文所提方案相對(duì)已有方案有較大的性能增益。
【圖文】：

圖２．１城市環(huán)境中無人機(jī)與地面用戶之間的傳播ｗ逡逑基于氋度的信道參數(shù)：在文獻(xiàn)［１０］中，無人機(jī)與地面基站之間鏈路的路徑逡逑損耗指數(shù)《被建模為關(guān)于無人機(jī)高度的單調(diào)遞減函數(shù)，公式表達(dá)如下，逡逑？（／／，邋）邋＝邋ｍａｘ（Ａａ邋－Ｐ２°邋１0８１０（＾），２），邐（２．４）逡逑其中＞０是建模參數(shù)，是根據(jù)信道測(cè)量結(jié)果并通過曲線擬合所獲得的。從逡逑上述模型表達(dá)式（２．４）可以看出，當(dāng)無人機(jī)的高度越高，射頻信號(hào)受到的阻擋、逡逑反射以及散射越少，從而導(dǎo)致路徑損耗指數(shù)ａ越小。當(dāng)變得足夠大時(shí)，可逡逑以得到《邋＝邋２，即上文所描述的自由空間傳播模型。對(duì)于（２．２）中的＾和＾，也逡逑有類似（２．４）的高度相關(guān)表達(dá)式，如下，逡逑ｌｏｇ．ｏＣｍｉｎＣ＾，邋Ｈｆｓｐｌ））邋［ｄＢ］，，邐（２．５）逡逑ａ２ｘ｛Ｈｕ）邋＝邐＋ｐｆ邋ｌｏｇ．＾ｍｉｎＣ／／＾＾））邋［ｄＢ］，邐（２．６）逡逑其中同樣為需要通過擬合獲得的建模參數(shù)，而為滿足逡逑？邋＝邋２時(shí)的最低高度。值得注意的是，在文獻(xiàn)［］０］中，上述模型是用于建�；惧义�

用戶位里及無人機(jī)的紐停位里和軌跡
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V279;V243.1

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