本文是一篇工程碩士論文，本文針對基于通信功耗的準靜態無人機毫米波中繼系統進行研究，根據安全能效最小化準則推導建立無人機懸停位置和中繼波束成形權矢量的聯合優化問題。首先，構建基于毫米波平面陣的空地鏈路信道模型和全雙工自干擾模型，推導通信系統的信號模型并給出系統安全能效性概念；
第一章 緒論
1.1課題研究背景與意義
近年來，隨著技術的快速發展和成本的降低，無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)逐漸從偵查和勘探等軍事領域轉向民用和商業領域，因其具有機動性好、部署控制快速靈活和高空作業覆蓋范圍大等獨特優勢，已在交通監控、農業灌溉、環境監測、災害救援等眾多領域顯示了廣闊的應用前景[1]。2016年6月，美國聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration, FAA）發布的一項報告中顯示，美國無人機數量預估將從2017年110萬架增加到2022年240萬架，預示無人機行業的市場規模巨大，美國市場潛在價值高達800億美金，在未來十年提供成千上萬的工作崗位[2]?？v觀國內，在國家的大力支持下，我國無人機技術已獲得迅猛發展，尤其是“翼龍”，“彩虹”，“大疆”等無人機已在多種實際場景下得到了成功應用。因此，無人機技術具有廣闊的應用市場前景和理論研究價值。
近幾年來，隨著無線通信網絡的發展，全球數據流量和移動用戶設備數量不斷增長，對無線通信網絡的吞吐量提出了更高的要求，在第五代（5th-Generation, 5G）移動通信網絡中，基于固定基礎設施的傳統通信網絡已遠遠不能滿足用戶對數據傳輸速率和服務質量（Quality-of-Service, QoS）提出的更高需求。無人機技術的迅猛發展給無線通信技術提供更多的可能性，一方面，針對于突發情況或者公共通信網絡癱瘓，固定通信服務設施無法實現即時部署，由于無人機的快速靈活性，通信運營商可以通過將無人機作為臨時基站從而實現快速部署通信服務設施，這種臨時部署能力使無人機無線通信技術在眾多應用場景都有顯著優勢。另一方面，由于物聯網（Internet of Things, IoT）設備需求的增加，受地理位置影響，在森林、海洋、天空等特殊區域進行網絡部署會使運營商面臨高昂的建設成本，通過將無人機作為移動的空中平臺可有效解決上述問題，利用無人機高機動性特點，來提供無處不在的網絡覆蓋。
............................
1.2 國內外研究現狀
無人機自1913年誕生以來，在軍事領域的勘探和監控方面發揮著重要作用。近年來，隨著無人機技術的迅猛發展，無人機因其部署靈活、維護成本低、機動性強和覆蓋范圍廣等獨特優勢，逐漸從軍事領域轉向民用領域。文獻[1]列舉了無人機在民用領域的應用，包括實時監控、無線覆蓋、遙感、搜救、貨物運輸、農業灌溉以及民用基礎設施。表明智能無人機將成為無人機技術未來的發展趨勢，同時提出了無人機在民用領域所面臨的挑戰，包括無人機充電，飛行碰撞，擁塞控制以及網絡安全等問題。無人機在通信領域的應用也受到了國內外的廣泛關注。針對無人機輔助無線通信方面的應用，文獻[12]首先概述了三種典型應用場景，包括無人機覆蓋傳輸、無人機中繼傳輸和無人機輔助信息傳播/數據采集，其次介紹了無人機通信網絡的基本結構和傳輸信道特點，最后討論了無人機通信網絡設計中的關鍵問題。文獻[13]在文獻[12]基礎上進一步無人機通信性能分析和優化方面的基礎數學模型，包括信道模型、天線模型、無人機功耗模型以及無人機通信和航跡聯合優化設計的數學框架，同時介紹了無人機在5G和未來蜂窩通信網的應用框架和研究方向。文獻[14]和文獻[15]將無人機作為空中基站展開相關研究，文獻[14]研究了無人機基站系統中下行鏈路通信覆蓋率問題，通過對無人機的三維位置、用戶調度和頻帶分配進行優化設計，來實現無人機數量最小化，同時還考慮了系統服務質量要求以及每個無人機服務能力的約束條件，仿真結果表明所提方案在無人機輔助通信系統中具有推動性作用。文獻[15]則通過對用戶進行調度以及無人機航跡和發射功率進行優化設計來實現系統吞吐量最大化，并且提出一種低復雜度的圓形軌跡方案，仿真結果表明所提方案可顯著提高系統吞吐量。文獻[16]中無人機作為空中基站采用全雙工模式，不僅可以向地面用戶發送數據，同時可以接收地面用戶發送的數據，以系統傳輸容量最大化為準則對無人機航跡，用戶調度和用戶發射功率進行聯合優化設計，采用塊坐標下降法將原始問題劃分為多個子問題進行迭代求解，仿真結果表明在系統傳輸容量上有顯著提升。上述研究均采用無人機與固定地面節點進行數據傳輸，文獻[17]在車聯網的基礎上引入無人機輔助通信，在考慮無人機碰撞和通信干擾約束的情況下，通過對移動車輛調度、無人機功率分配和無人機軌跡進行聯合優化，來實現無人機基站與移動車輛之間數據吞吐量最大化。
...............................
第二章 相關技術介紹
2.1無人機通信技術
無人機通信主要分為兩種類型：無人機用戶通信和無人機輔助通信。無人機用戶通信是指將無人機作為移動蜂窩網絡中的移動用戶來接收地面終端發送的指令信息，其具有的優勢如下：首先，無人機之間信息傳輸的空對空信道為高概率LoS傳輸信道，能夠保證高速率的通信傳輸；其次，由于無人機的高機動性使其能夠通過調節自身狀態來適應不同的通信環境，并且通過對無人機機動性和自適應通信進行聯合設計來提高系統通信性能。無人機輔助通信是指將無人機作為空中移動平臺輔助地面通信網絡提供高質量通信服務。一方面，通過對無人機的軌跡/位置進行優化設計建立LoS傳輸鏈路，提高系統的信息傳輸速率；另一方面，對于突發情況或者惡劣地理環境場景下，無人機可以進行快速靈活部署。如圖2.1所示為無人機輔助通信常見的基本模型。
（1） 無人機基站。將天線收發器或小型基站部署在無人機上使其具有傳統地面基站的基本功能，為指定區域提供無處不在的通信網絡覆蓋。例如，由于自然災害導致的地面固定基站損毀，將無人機作為臨時基站從而實現快速部署通信服務設施；或者對于深林和海洋等特殊區域部署無人機進行網絡覆蓋，提供無線通信服務；再或者對于蜂窩熱點區域通過部署臨時無人機基站來減輕傳統基站壓力，提高數據吞吐量。
（2） 無人機中繼。無人機作為空中移動中繼，在發射機與接收機之間距離較遠或存在障礙物阻擋的應用場景下建立可靠的無線連接。無人機中繼將接收到的信號通過AF或DF模式轉發給接收機從而實現數據傳輸，無人機空-地信道的高概率視距傳輸特點使得無人機中繼系統能夠保證更高的信息速率，但受到自身電池容量以及應用場景的限制，航跡規劃和功率控制是無人機中繼通信系統研究的熱點。
工程碩士論文怎么寫
...............................
2.2毫米波波束成形技術
毫米波無線通信作為5G或第六代（6th-generation, 6G）無線移動網絡的重要組成部分，被認為是解決頻譜資源緊張問題的有效方案之一，其工作頻段的頻率范圍在30GHz-300GHz，可以提供毫秒級的延遲并且極大提高系統的數據傳輸速率。毫米波通信雖然可以提供豐富的頻譜資源，但仍存在著傳播路徑損耗大、穿透性差、覆蓋范圍小等一系列的缺點，無法進行長距離的通信。由于毫米波高頻短波長的特性，可在有限尺寸的通信設備上部署大規模的天線陣元，通過采用大規模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output, MIMO）技術來獲取更多的空間自由度，最大程度利用空間域的信道資源。在大規模MIMO系統中，通過波束成形技術來提高波束的指向性進而增強預期方向的信號強度，同時將干擾信號置于零陷位置，可有效解決毫米波頻段嚴重的路徑損耗問題，從而實現系統傳輸容量的提高。
波束成形技術是一種基于天線陣列的信號預處理技術，利用電磁波的干涉和衍射原理，通過調整天線陣元的幅度或相位，形成一束有指向性的電磁能量，將無線信號聚集在一個指定方向，從而實現較高的波束成形增益。波束成形技術的優勢在于可以將信號集中在指定方向上，在不提高發送端發射功率的前提下，即可實現更高的信息傳輸速率和更遠的傳輸距離，同時可以降低對其他用戶的干擾或降低指定方向的信號強度。波束成形的缺點在于其數學計算復雜度較高，需要消耗大量的計算資源，但隨著計算機技術的發展，處理器的計算能力不斷增強，復雜的數學運算已經不再是制約其發展的關鍵因素。隨著通信技術的不斷發展，波束成形技術經歷了數字波束成形、模擬波束成形和數?；旌喜ㄊ尚稳齻€階段，接下來將詳細對每種波束成形技術的結構和優缺點進行介紹。
............................
第三章 無人機位置和中繼波束成形聯合優化的高能效安全傳輸方案 ........................ 22
3.1引言 .............................................. 22
3.2系統模型及優化問題建模 .............................. 23
第四章 無人機航跡和中繼波束成形聯合優化的高能效安全傳輸方案 ......................... 38
4.1引言 ................................. 38
4.2系統模型及優化問題建模 ....................... 39
第五章 總結與展望 ....................................... 58
5.1本文工作總結 ........................................ 58
5.2未來研究展望 .............................. 59
第四章 無人機航跡和中繼波束成形聯合優化的高能效安全傳輸方案
4.1引言
第三章中利用無人機空-地信道高概率LoS鏈路的特點，針對準靜態無人機中繼平臺的高能效安全傳輸展開研究，但并未充分發揮無人機高移動性的特點，通過對可移動無人機中繼平臺進行軌跡設計可為系統性能的提升提供額外可能性。一方面，通過動態調整無人機位置可更容易獲取CSI，從而為波束成形的設計提供保障。另一方面，由于其尺寸和質量的制約，無人機一般在地面充電完畢后飛往目標區域執行通信任務，在限制無人機飛行功率消耗的前提下，通過軌跡設計可提高系統的性能。因此，無人機軌跡優化受到國內外學者的關注。
無人機通信系統中除了信號處理、電路消耗等方面的傳統通信功耗之外，無人機在保持空中懸?；蛞苿訒r需要消耗額外的飛行功耗。無人機飛行軌跡的變化會對其飛行功耗產生顯著影響，因此對無人機的能耗建立合理數學模型至關重要。文獻[13]對旋翼和固定翼無人機的飛行功耗模型進行了闡述。文獻[37]和[39]研究了旋翼無人機基站系統軌跡優化方案，在保障系統通信質量的前提下，最小化系統的能量消耗。文獻[43]提出了一種飛行功率約束下的系統信息傳輸速率最大化方案。但上述研究中均未考慮針對多竊聽場景下的安全波束成形設計，因此本章在第二章所研究內容的基礎上，提出一種基于飛行功耗約束的無人機航跡和信號波束成形權矢量聯合優化方案，實現系統安全能效性能最大化。
工程碩士論文參考
.......................
第五章 總結與展望
5.1本文工作總結
本論文研究了無人機毫米波中繼通信系統中信息高能效安全傳輸問題，提出了兩種優化方案：基于通信功耗和位置聯合優化的高能效安全波束成形設計和基于無人機飛行功耗和軌跡聯合優化的高能效安全波束成形設計，并對本文所提出的方案進行了仿真驗證和結果分析，驗證了所提方案的有效性?，F將本文的研究內容總結如下：
首先，為了更好的開展研究工作，本文對所涉及到的關鍵技術進行了詳細的討論。包括介紹了無人機通信技術的典型應用場景及其優勢和無人機飛行功耗模型；闡述了毫米波通信技術的優缺點以及不同波束成形結構的差異性；介紹了不同中繼傳輸協議優缺點，全雙工中繼技術的優勢以及全雙工自干擾消除技術；闡述了物理層安全技術的基本原理和能量效率常見的度量方法，給出了安全能效的定義。其中，利用無人機通信技術高概率LoS傳輸和高移動性特性，可有效克服毫米波通信中路徑損耗大和阻礙物遮擋較為敏感的固有缺陷，同時毫米波短波長特性有利于在體積受限的無人機上部署大規模天線，此外，全雙工中繼技術可在提高傳輸距離的同時進一步提升頻譜效率。因此，本文將以上技術相結合構建無人機毫米波中繼通信系統模型，并且根據安全能效定義以及波束成形技術定向波束優勢提出高能效安全波束成形設計方案。
其次，本文針對基于通信功耗的準靜態無人機毫米波中繼系統進行研究，根據安全能效最小化準則推導建立無人機懸停位置和中繼波束成形權矢量的聯合優化問題。首先，構建基于毫米波平面陣的空地鏈路信道模型和全雙工自干擾模型，推導通信系統的信號模型并給出系統安全能效性概念；其次，建立了以系統安全能效為優化指標的無人機位置和解碼轉發波束成形聯合優化問題，并且提出了基于SCA和懲罰函數方法的凸近似轉換方案得到原始優化問題的凸近似形式；最后，設計了一種基于雙層迭代的交替更新求解算法，可在有限次迭代下獲得無人機中繼波束成形權矢量和懸停位置的全局最優近似解。仿真實驗結果表明了所提迭代算法的有效性，說明了所提處聯合優化無人機懸停位置和波束成形的方案對系統安全能效性具有顯著提升。
參考文獻（略）