基于通感融合的无人机预编码及飞行轨迹设计

无人机(UAVs)具有机动性强,低成本及易部署等特性,通过搭载通信及感知设备,支持通信与感知技术的高效资源共享,无人机可作为融合通信与传感技术的高性能空中平台。该文针对多输入多输出(MIMO)无人机使能的联合通信、感知场景,综合考虑无人机飞行能量、多天线传输及用户业务需求等限制条件,建模无人机通信、感知预编码及飞行轨迹联合优化问题为多目标优化问题,以实现通信用户最低速率最大化及目标最小发现概率最大化。由于通信用户最低速率最大化问题为非凸优化问题,难以直接求解,将原优化问题分解为通信预编码设计子问题及无人机轨迹设计子问题,并采用交替迭代法依次求解两个子问题直至算法收敛,其中,对于通信预编码设计子问题,提出一种基于迫零(ZF)算法的求解策略;对于无人机轨迹设计子问题,提出一种基于连续凸逼近(SCA)算法的求解策略。基于所得到的无人机最优轨迹,将无人机感知位置选择问题建模为加权距离和最小化问题,进而应用泛搜索算法优化确定目标感知位置,并设计基于ZF算法的通信感知预编码联合优化策略,以实现通信感知性能的联合优化。最后通过仿真验证了该文所提算法的有效性。     

无人机中继通信的轨迹与资源分配优化方法

为提高地面用户的传输速率以及保证公平性，在基站覆盖不到的偏远地区可利用无人机进行辅助中继通信。首先将无人机的轨迹控制与频谱资源分配建模成一个混合整数非线性规划问题；然后基于块坐标下降法，将联合优化问题解耦成信道分配、发射功率和飞行轨迹三个子问题以降低复杂度；最后提出基于继承的子信道迭代分配算法求解信道分配子问题，采用凸优化和连续凸近似法分别求解功率优化及飞行轨迹优化子问题。仿真结果表明，所提算法在保证地面用户公平性的同时，具有比基准策略更高的最小平均速率。     

对抗恶意无人机窃听的无人机通信系统三维航迹规划和功率控制

为应对恶意无人机窃听者对无人机通信系统带来的安全挑战,提出了一种基于物理层安全机制的无人机三维航迹规划和功率控制的协同优化方案。将航迹规划与功率控制建模为带约束的用户安全通信速率最大化问题,并将该问题分解为水平航迹规划、高度控制与功率控制三个子问题。采用连续凸逼近法将各个子问题转化为凸优化问题,通过迭代优化方式得到近似解。仿真结果表明,和二维航迹规划方案相比,该协同优化方案能有效提升用户安全通信的性能指标。     

UAV辅助NOMA-V2X通信网络性能的优化

在能量受限的无人机辅助NOMA-V2X(Non-Orthogonal Multiple Access Assisted Vehicle-to-Everything)网络中引入无线信息和能量同时传输技术，解决了无人机续航能力差的问题。以最大化系统的传输速率为优化目标，在联合优化过程中，采用逐次凸逼近（Successive Convex Approximation,SCA）方法，将非凸复杂优化问题分解为无人机位置、发射功率、基站对用户的功率分配3个子优化问题，找到了无人机轨迹、基站分配给车辆的发射功率和中继节点发射功率的最优值。最后通过仿真验证了所提方案的有效性。     

多波束小基站协作通信的资源分配和位置规划

针对小基站加载多波束阵列天线后协作提供通信覆盖的资源分配与位置规划问题,建立了以最小化基站总功耗以及基站间负载均衡为目标函数的多目标混合整数非凸优化模型;给出了一种迭代优化算法,将问题分为用户关联、功率分配和位置部署3个子问题,在固定基站位置和波束功率下通过改进的鲸鱼算法求解出用户与波束的关联关系,在此基础上利用连续凸逼近法和改进差分进化算法交替优化功率分配和基站位置部署。数值仿真表明,多波束小基站与所提迭代算法可灵活适应复杂业务需求分布,降低网络功耗和均衡基站间负载。可为小基站加载阵列天线增强通信覆盖提供参考。     

智能反射面协助下的通信感知一体化系统

路径衰弱问题严重制约城市密集区域通信感知一体化系统的性能的提升,为此提出了一种IRS协助下的通信感知一体化系统设计方法。该系统设计的目标是在用户所需SNR、一体化基站发射功率和IRS相位满足系统设计的需求下,通过设计一体化基站的波束成形矢量和IRS的相移矩阵来最大化雷达SNR。然而上述优化问题受IRS相移矩阵高次单位模的限制,要想获取该非凸优化问题的解非常困难,创新性地提出基于MM迭代优化算法,该算法首先利用MM算法对IRS相移矩阵进行降次,然后采用内点法来求解带单位模约束的QCQP问题。为了降低求解IRS相移矩阵子优化问题的复杂度,进一步提出了二分查找算法,来获取相移矩阵的闭式解,使其满足智能驾驶等应用对低时延的需求。实验结果表明相比于没有IRS的传统方法,IRS协助下的通信感知一体化系统可以提供间接的数据通信和目标探测路径,从而有效地提高通信数据传输和雷达目标探测的性能。     

无人机辅助通信中基于用户轨迹的无线资源和航迹优化

近年来,将无人机应用在无线通信网络中来提高系统性能的研究越来越普遍。针对无人机辅助移动用户通信的下行无线传输系统,提出了一种基于用户轨迹的无人机辅助通信系统无线资源分配和航迹优化方法。根据已知的用户运动轨迹提前获取估计的大尺度信道状态信息,以最大化用户的最小平均速率为目标,建立了一个联合优化无人机通信带宽分配和飞行航迹优化的问题。该问题是一个非凸优化问题,要优化的变量之间存在非线性耦合,通过引入辅助变量和分离变量交替优化的方法,将原问题分解为2个可以求解的近似凸优化子问题,并利用连续凸逼近方法对2个子问题交替迭代优化,得到原非凸问题一个近似次优解。仿真结果表明,所提方法能够有效提高用户的平均数据吞吐量,在保证所有用户的通信质量的前提下提高无人机辅助通信的效率。     

基于全频谱共享的三维轨迹和功率优化方法

当前蜂窝系统频谱资源极度短缺,免授权频谱因而被建议在蜂窝系统中使用。无人机(UAV)的飞行轨迹和功率控制对频谱利用效率有重大影响。然而,基于频谱共享的3维轨迹和功率优化方法却鲜少研究。为此,该文首先提出一种全频谱共享方法,即无人机通过控制上行蜂窝用户和设备到设备(D2D)用户的发射功率,在不影响WiFi设备正常传输的前提下使用免授权频谱;同时无人机也能够在不影响其他下行蜂窝用户的前提下使用授权频谱。然后基于提出的全频谱共享方法,该文构建了无人机电池能量约束下的3维飞行轨迹和发射功率的联合优化问题。为了求解提出的复杂多变量耦合的非凸优化问题,该文采用块坐标下降和连续凸逼近方法将原问题转化为3维轨迹优化和功率控制两个凸优化子问题并迭代求解。大量仿真结果证明提出的基于3维轨迹和功率优化的全频谱共享方法能够显著提高频谱利用效率。     

基于内容感知的无人机轨迹规划和资源分配联合优化方法

针对未来网络中激增的数据流量以及用户多样化的业务需求,利用无人机来辅助蜂窝网络为用户提供更好的服务。该文提出了基于内容感知的无人机轨迹规划和资源分配联合优化方法,在无人机上缓存热点内容,在满足用户内容需求的条件下,联合优化用户接入以及无人机飞行轨迹来最大化最小用户平均服务速率。由于所建立的优化问题具有非凸性,该文提出了一种块坐标下降的方法将原问题分解为两个子问题,并利用连续凸优化方法对问题进行求解。仿真结果表明,所提方法能够有效提升最小用户平均服务速率,提升网络深度覆盖水平。     

面向通信-导航-感知一体化的应急无人机网络低能耗部署研究

在事故灾难救援等突发公共事件中,救援人员往往面临通信传输不畅、定位导航不稳、灾情感知不准的问题,亟须部署一套应急无人机网络,对受灾地区进行通信、导航、感知服务补盲。针对无人机续航能力受限的问题,首先提出了一套网络拓扑可重构、节点角色可切换的通信-导航-感知一体化应急无人机网络低能耗部署方案,然后设计了一种基于粒子群算法的层次化匹配决策算法,联合求解无人机与通导感用户关联、多角色无人机通信资源分配以及无人机位置这3个子问题。仿真表明,所提方案能够实现通导感多目标需求与受限网络资源的灵活适配,极大降低了对无人机数量的需求与部署能耗。     

一种面向无人机通信的协作干扰安全传输技术

本文利用无人机的高机动特性带来信道的动态变化这一机理,通过合理地控制无人机位置,靠近合法节点并远离窃听节点,增加合法节点的信道增益,削弱窃听节点的信道增益,从而提高信源端和目的端的安全通信容量。已有的无人机空地信道模型大多仅考虑视距传输链路,本文在此基础上增加了非视距链路（Not Line of Sight, NLOS）,并且在窃听者位置存在估计误差条件下,建立了两架无人机协同通信场景,在上述场景下通过合理规划两架无人机飞行轨迹,增强合法信道增益,削弱窃听信道增益,并联合无人机的功率分配,实现最大化平均保密速率。该优化问题为非凸问题,因此采用了连续凸近似（Successive Convex Approximation, SCA）以及块坐标下降算法 （Block Coordinate Descent Algorithm, BCD）来解决问题。仿真结果表明在视距链路和非视距链路同时存在的前提下,通过规划两架无人机的飞行轨迹,信号功率,能有效提升无人机通信系统的保密速率。      

存在窃听用户下基于SWIPT的协作NOMA网络能效分析

针对基于携能同传(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)的协作非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)网络,提出了一种存在窃听用户下远端用户能效最大化的多维资源分配方法.在考虑近端用户安全传输...     

无人机通信感知一体化：架构、技术与展望

无人机应急通信作为第六代移动通信系统（6G）的一种典型应用,具有灵活部署、按需覆盖的优势。与此同时,通信感知一体化是6G的重要特征和核心使能技术之一,它可以应用于无人机应急通信中,以提升频谱效率、感知精度,降低系统成本,但二者如何结合,仍是学术界和工业界的研究热点和难点。为此,提出了一种无人机通信感知一体化的体系架构,探讨了支撑该架构的基础理论和关键技术,并展望了无人机通信感知一体化的未来发展方向及挑战。     

智能超表面系统的通信感知一体化：现状、设计与展望

通信感知一体化（integrated sensing and communication,ISAC）是6G的主流趋势,将ISAC引入智能超表面（reconfigurable intelligent surface,RIS）系统,具有扩展系统覆盖范围、提升通信和感知性能、降低系统成本和功耗三大优势。在概述和分析RIS系统ISAC研究现状的基础上,提出了两种非正交ISAC方法,支持盲区用户在非正交时频资源上的通信和感知,最后探讨了 RIS 系统 ISAC 的技术挑战和未来发展。     

基于无人机辅助的认知无线电网络信息年龄研究

考虑到信息时效性和数据新鲜度对各类实时状态更新系统带来的挑战,提出了一种无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）中继辅助的认知无线电网络（Cognitive Radio Network, CRN）信息年龄（Age of Information, AoI）最小化方案。为了降低CRN中次用户接收机处的AoI,在不影响主用户正常通信的前提下,利用UAV作为移动中继来辅助次用户发射机将数据包传输到对应的接收机。通过联合优化UAV的飞行轨迹和资源分配来确保信息新鲜度。由于联合设计问题是非凸的,故采用连续凸逼近的高效迭代算法得出问题的最优解。仿真结果表明,所提方案可以有效提高信息新鲜度,并获得峰值AoI的最小值。同时,数据包的大小和数量与AoI呈线性关系,对UAV的飞行轨迹也有影响。      

基于K-臂赌博机的多无人机空地网络动态资源分配方法

针对配置大规模MIMO的多无人机空地网络中的动态资源分配问题,从最大化系统吞吐量的角度出发,该文提出一种基于K-臂赌博机的强化学习算法联合优化多个无人机的用户选择与功率分配策略。首先根据地理位置对用户进行分簇,利用簇中心节点规划无人机飞行路径;其次在不考虑无人机之间端到端通信的情况下,将多无人机资源分配问题转化为相互独立的多个智能体强化学习问题;最后提出分幕式多智能体多状态K-臂赌博机算法来实现用户选择与功率分配的联合优化。通过将无人机每个时刻的位置索引定义为状态空间,从而使得无人机可动态适配自身位置及信道的动态变化。仿真结果表明,所提方案可根据环境状态变化自主智能调整资源分配策略,相比于已有方案能有效提升系统总吞吐量。     

协作异构网络中的用户接入与功率控制联合优化

本文研究协作异构网络下行传输中的用户接入和功率控制问题。考虑多基站采用协作传输来回避小区间干扰,在满足用户数据率需求、单基站功率约束、以及给定每个用户最多接入基站个数的限制下,最小化所有基站的总发射功率。该问题属于包含0/1变量和连续变量的组合优化问题,其全局最优解可以通过遍历搜索得到,但会导致很高的计算复杂度。为了降低复杂度,本文提出了一种基于几何规划的用户接入和功率控制联合优化方法。所提出的方法首先将问题中的0/1变量表示为连续函数,进而将得到的优化问题转化为几何规划问题并进行求解。仿真结果表明,相比于现有的用户接入最近基站方法、用户接入信号最强基站方法、以及偏移接收能量最大方法,所提出的方法能够有效地平衡网络中各小区负载,因而可以支持更高的用户数据率需求,在相同的用户数据率需求下能够大幅降低系统的总发射功率。      

认知无人机辅助边缘通信的能效优化

针对无人机辅助边缘通信中的频谱资源紧缺与无人机能量受限问题,研究了最大化该场景下无人机认知通信的能量效率问题.首先,构建了无人机辅助边缘节点的认知通信网络模型;其次,提出了一种最大化无人机能效的算法,通过联合优化无人机的认知通信感知时间、飞行速度和通信距离阈值,显著提升了无人机认知通信过程中的能效;最后,通过仿真实验对...     

基于DRL的无人机辅助边缘计算服务质量优化

针对无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）搭载移动边缘服务器为地面用户进行服务时的服务质量（Quality of Service, QoS）问题,提出了一种基于深度强化学习的优化方案,旨在优化UAV飞行轨迹和卸载方案以最大化UAV为用户服务时的QoS。首先,定义了任务延迟来表征任务新鲜度,在任务延迟的基础上提出了一种新的QoS评价指标;其次,将最大化QoS问题建模为一个无转移概率的马尔可夫决策过程,并定义了该过程的状态空间、动作空间和奖励函数;最后,UAV通过所提出的算法进行训练,优化任务卸载方案并寻找最优飞行轨迹为地面用户进行服务以提高QoS。仿真结果表明所提算法较于其他算法能有效提高UAV为地面用户服务过程中的QoS且提高任务新鲜度。