无人机无线网络技术

本书探讨了无人机无线网络理论和实践的最新进展，用以支持下一代无线网络的各种应用，包括应急通信、覆盖和容量扩展、物联网（IoT）、信息传播、未来医疗、pop-up网络等；介绍了信道特性和建模、网络架构、空中网络、自组织回传、基于人工智能的轨迹优化，以及无人机在农业、水下通信和应急网络等领域的应用；给出了通过自组织网络和人工智能支持无人机无线网络的各种用例。 本书适合电信工程师、从事无线通信的无人机行业科研人员和工程技术人员学习和参考，可以帮助他们识别并制定切实可行、高效的解决方案，以克服无人机无线通信领域所面临的挑战。

穆罕默德·阿里·伊姆兰(Muhammad Ali Imran)，电子科技大学格拉斯哥学院英方院长，英国格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院通信系统教授，同时也是通信感知与成像小组的负责人。<br /><br />奥卢瓦卡约德·奥尼雷蒂（Oluwakayode Onireti）,任教于英国格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院。他于英国吉尔福德的萨里大学获得电子工程博士学位。 <br /><br />舒贾·安萨里（Shuja Ansari），格拉斯哥大学的助理研究员，苏格兰5G中心的“城市创新项目”负责人。他于英国卡利多尼亚大学获得工程学博士学位。<br /><br />卡默·H·阿巴斯(Qammer H.Abbasi)，英国格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院通信感应与成像小组的副教授兼副组长。

前言<br />本书贡献者<br />第1章　无人机网络的信道模型　1<br />1.1　引言　1<br />1.2　无人机的分类　2<br />1.3　基于无人机的无线通信　3<br />1.4　无人机通信中的信道建模　4<br />1.5　无人机支持的无线网络的关键研究挑战　10<br />1.5.1　无人机的最佳部署　10<br />1.5.2　无人机轨迹优化　10<br />1.5.3　能量效率和资源管理　10<br />1.6　总结　11<br />参考文献　11<br />第2章　无人机到可穿戴设备系统的超宽带通道测量与建模　16<br />2.1　引言　16<br />2.2　测量设置　17<br />2.3　基于超宽带的无人机到可穿戴设备的无线电信道特性分析　20<br />2.3.1　路径损耗分析　20<br />2.3.2　时间色散分析　23<br />2.3.3　不同姿势下的路径损耗分析　26<br />2.3.4　不同姿势的时间色散分析　26<br />2.4　统计分析　28<br />2.5　总结　29<br />参考文献　30<br />第3章　利用强化学习优化无人机部署的多智能体协同方法　32<br />3.1　引言　32<br />3.2　系统模型　34<br />3.2.1　城市模型　34<br />3.2.2　通信模型　35<br />3.3　强化学习解决方案　37<br />3.3.1　完全合作的马尔可夫游戏　38<br />3.3.2　去中心化的Q-learning算法　39<br />3.3.3　行动的选择　41<br />3.3.4　衡量标准　43<br />3.4　典型的仿真结果　43<br />3.4.1　仿真场景　43<br />3.4.2　环境　44<br />3.4.3　用户分布　44<br />3.4.4　仿真　44<br />3.4.5　数值结果　45<br />3.5　结论和未来工作　49<br />3.5.1　结论　49<br />3.5.2　未来工作　49<br />参考文献　49<br />第4章　基于强化学习的多无人机协同优化部署方法　52<br />4.1　引言　52<br />4.2　系统模型　55<br />4.2.1　空对地信道模型　57<br />4.2.2　信号结构　58<br />4.2.3　无人机的缓存机制　59<br />4.3　优化问题建模　59<br />4.3.1　最大化用户可获得的信息速率　59<br />4.3.2　固定时间和能量调度下的轨迹优化　60<br />4.4　数值仿真结果　63<br />4.5　总结　67<br />4.6　拓展从P1中获得最优解的证明　68<br />参考文献　69<br />第5章　基于毫米波无人机辅助的5G混合异构网络的性能　72<br />5.1　无人机部署的意义　72<br />5.2　概述　73<br />5.3　毫米波和太赫兹通信的潜力　73<br />5.4　挑战和应用　75<br />5.4.1　挑战　75<br />5.4.2　应用　76<br />5.5　基于无人机的前线连接　76<br />5.5.1　小型基站的分布　77<br />5.5.2　无人机的配置　77<br />5.6　通信模型　78<br />5.7　小型基站与无人机的相关性　81<br />5.8　结果分析　83<br />5.9　总结　87<br />参考文献　87<br />第6章　认知无线电网络中用于物理层安全的无人机协同干扰　 91<br />6.1　引言　91<br />6.2　系统模型　93<br />6.2.1　信号模型　93<br />6.2.2　优化问题　96<br />6.3　算法　97<br />6.3.1　优化问题P2的可处理公式　97<br />6.3.2　基于内部逼近的算法　100<br />6.4　数值结果　104<br />6.5　总结　107<br />参考文献　108<br />第7章　空中移动网络的智能反射面辅助定位技术　111<br />7.1　引言　111<br />7.1.1　相关工作　111<br />7.1.2　无人驾驶航空器　112<br />7.1.3　智能反射面　113<br />7.2　空中网络中的智能反射面　113<br />7.2.1　集成智能反射面的空中网络　114<br />7.2.2　智能反射面辅助的空中网络　116<br />7.3　带有智能反射面的无人机定位　117<br />7.4　研究挑战　120<br />7.4.1　基于无人机的空中移动网络的挑战　120<br />7.4.2　基于智能反射面的定位挑战　120<br />7.5　总结　121<br />参考文献　121<br />第8章　基于无人机的灾难恢复网络性能分析　124<br />8.1　引言　124<br />8.2　无人机网络　124<br />8.3　无人机网络的优势　129<br />8.4　新技术和基础设施的发展趋势　132<br />8.4.1　网络功能虚拟化　135<br />8.4.2　软件定义网络　135<br />8.4.3　云计算　136<br />8.4.4　图像处理　136<br />8.4.5　毫米波通信　137<br />8.4.6　人工智能　138<br />8.4.7　机器学习　138<br />8.4.8　优化和博弈论　139<br />8.5　研究趋势　139<br />8.6　展望　141<br />8.7　总结　142<br />参考文献　142<br />第9章　用于锁定场景智能监控的网络辅助无人机通信　148<br />9.1　引言　148<br />9.2　无人机作为空中基站　150<br />9.2.1　仿真设置　150<br />9.2.2　在一个地理区域内实现蜂窝网络覆盖的最佳空中基站数量　151<br />9.2.3　性能评估　152<br />9.3　无人机作为地面通信的中转站　157<br />9.3.1　5G空中接口　158<br />9.3.2　仿真设置　159<br />9.4　总结　161<br />参考文献　161<br />第10章　用于农业的无人机：基于物联网场景的概述　164<br />10.1　引言　164<br />10.2　相关研究项目概况　165<br />10.3　农业领域的物联网场景　167<br />10.4　无线通信协议　169<br />10.5　多接入边缘计算和5G网络　171<br />10.6　总结　174<br />参考文献　174<br />第11章　空中系统和水下监测　179<br />11.1　引言　179<br />11.2　自动图像标记　180<br />11.2.1　点的选择　180<br />11.2.2　测量系统　181<br />11.2.3　区域标记　182<br />11.2.4　测试　183<br />11.3　水面/陆地的视觉区分　186<br />11.3.1　分类器训练　186<br />11.3.2　在线算法　187<br />11.3.3　绘图　187<br />11.3.4　传输　188<br />11.3.5　现场实验　189<br />11.4　离线测深制图　190<br />11.4.1　算法概述　190<br />11.4.2　算法模拟　190<br />11.4.3　算法的实施　191<br />11.4.4　水深测量系统　192<br />11.5　在线测深制图　193<br />11.5.1　选点算法　193<br />11.5.2　仿真设置　195<br />11.5.3　结果和分析　196<br />11.6　总结和未来工作　197<br />参考文献　197<br />第12章　未来卫星网络的需求、安全威胁与相关问题　 200<br />12.1　引言　200<br />12.2　卫星网络及深空网络　201<br />12.2.1　一级卫星网络　201<br />12.2.2　二级卫星网络　202<br />12.2.3　三级卫星网络　203<br />12.3　卫星网络及深空网络的安全要求、挑战和威胁　204<br />12.3.1　安全挑战　204<br />12.3.2　安全威胁　206<br />12.4　总结　207<br />参考文献　207<br />第13章　未来研究热点　211