本书系统地介绍无人机通信技术、无人机通信网络组网技术，以及无人机通信网络中涉及的控制、安全等技术。在对无人机进行概述的基础上，本书将第2章到第12章分为三篇。第1篇是无人机通信网络基础篇，包括第2～5章，主要内容包括无线通信网络的基本概念、无人机通信网络的特征、无人机通信网络的信道模型、无人机通信网络性能的理论研究；第2篇是无人机-蜂窝融合通信网络篇，包括第6～9章，主要内容包括无人机通信网络的无线资源分配、无人机空地协作中继通信、无人机通信网络的安全传输、无人机的无线能量传输和无线携能通信；第3篇是无人机空中通信网络篇，包括第10～12章，主要内容包括无人机通信网络的组网技术、无人机集群、空-X一体化网络。
许文俊，北京邮电大学教授、博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”青年长江学者，北京邮电大学“1551”鸿雁人才，泛网无线通信教育部重点实验室泛在无线网络研究中心主任、人工智能学院信息理论与技术中心主任，IEEE Senior Member、中国电子学会高级会员、中国通信学会高级会员；长期从事无人机通信及组网、B5G/6G智能无线网络、语义智能通信网络、认知无线网络等方面教学和科研工作。曾获国家技术发明二等奖、教育部技术发明一等奖、首届北京高校教师教学创新大赛一等奖、重庆市科技进步一等奖、北京邮电大学教学成果一等奖、北京邮电大学周炯槃优秀青年教师励志奖等。
目 录
第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 无人机的应用场景与发展历程 2
1.2.1 无人机的应用场景 2
1.2.2 无人机的发展历程 5
1.3 无人机系统概述 6
1.3.1 无人机类型 7
1.3.2 无人机控制与集群 9
1.3.3 无人机通信及其标准化 14
1.3.4 无人机通信网络与技术 19
1.4 本书的主要内容 23
本章参考文献 25
第1篇 无人机通信网络基础篇
第2章 无线通信网络的基本概念 29
2.1 引言 29
2.2 无线通信网络基础 29
2.2.1 分集技术 29
2.2.2 复用技术 31
2.2.3 双工技术 32
2.2.4 信道编/解码技术 33
2.3 无线信道的传输损耗与衰落 34
2.3.1 无线信道传输损耗 34
2.3.2 三种主要的快衰落 35
2.4 多址技术 37
2.4.1 多址技术的概述 37
2.4.2 正交频分多址技术 37
2.4.3 非正交多址接入技术 40
2.5 多天线技术 43
2.5.1 多天线技术的发展 43
2.5.2 多用户MIMO 44
2.5.3 Massive MIMO技术 46
2.6 本章小结 49
本章参考文献 50
第3章 无人机通信网络的特征 51
3.1 引言 51
3.2 节点三维运动 52
3.3 LoS电波传播 53
3.4 任务驱动网络 54
3.5 周围环境陌生 55
3.6 信息处理能力受限 56
3.7 能量供给能力受限 57
3.8 气象条件的影响 58
3.9 恶意干扰的影响 59
3.10 本章小结 61
本章参考文献 61
第4章 无人机通信网络的信道模型 64
4.1 引言 64
4.2 无人机通信网络的大尺度衰落模型 64
4.2.1 路径损耗模型 65
4.2.2 阴影衰落模型 68
4.3 无人机通信网络的快衰落模型 70
4.3.1 莱斯衰落模型 71
4.3.2 Nakagami-m衰落模型 71
4.3.3 色散参数 71
4.4 3GPP无人机通信网络的信道建模与测量 75
4.4.1 LoS概率 75
4.4.2 路径损耗 77
4.4.3 阴影衰落 77
4.4.4 快衰落 78
4.5 本章小结 80
本章参考文献 81
第5章 无人机通信网络性能的理论研究 82
5.1 引言 82
5.2 随机几何理论的基础知识 82
5.2.1 空间点过程 83
5.2.2 随机几何的分析工具 85
5.2.3 随机几何分析常用结论 86
5.3 随机几何网络模型 88
5.4 单层无人机通信网络性能的理论研究 89
5.4.1 系统模型 89
5.4.2 覆盖率 90
5.5 热点覆盖场景下无人机通信网络性能的理论研究 93
5.5.1 系统模型 93
5.5.2 覆盖率和频谱效率性能 94
5.5.3 性能仿真验证 98
5.6 灾难救援场景的无人机通信网络性能的理论研究 99
5.6.1 系统模型 99
5.6.2 覆盖率和频谱效率性能 100
5.6.3 性能仿真验证 105
5.7 热点覆盖场景的无人机通信网络缓存性能的理论研究 106
5.7.1 系统模型 106
5.7.2 缓存策略 108
5.7.3 缓存覆盖率与平均速率性能 109
5.7.4 性能仿真验证 115
5.8 灾难救援场景的无人机通信网络缓存性能的理论研究 121
5.8.1 系统模型 121
5.8.2 缓存策略 122
5.8.3 卸载率与平均速率性能 123
5.8.4 性能仿真验证 129
5.9 本章小结 134
本章参考文献 134
第2篇 无人机-蜂窝融合通信网络篇
第6章 无人机通信网络的无线资源分配 137
6.1 引言 137
6.2 无线资源分配研究概述 138
6.2.1 无线资源管理的优化目标 138
6.2.2 无线资源管理的优化方法 139
6.3 无人机辅助异构蜂窝网络的无线资源分配 140
6.3.1 无人机辅助异构蜂窝网络的特点与挑战 140
6.3.2 UBS前传链路和回传链路的联合优化 141
6.4 无人机辅助NOMA系统的无线资源分配 146
6.4.1 NOMA的工作原理 146
6.4.2 无人机辅助NOMA系统的特点与挑战 148
6.4.3 无人机辅助NOMA系统的无线资源联合优化 148
6.5 无人机辅助缓存蜂窝网络及其资源分配 157
6.5.1 无人机辅助缓存蜂窝网络概述 157
6.5.2 无人机辅助缓存蜂窝网络的资源分配 159
6.6 无人机毫米波通信波束赋形与资源分配 167
6.6.1 无人机毫米波通信的特点与挑战 167
6.6.2 波束赋形与资源分配设计 168
6.7 本章小结 173
本章参考文献 174
第7章 无人机空地协作中继通信 176
7.1 引言 176
7.2 无人机空地协作中继通信的研究现状 177
7.3 远程应急无人机中继系统 179
7.3.1 无人机信道模型 179
7.3.2 多中继接收信噪比 181
7.3.3 最优部署位置与飞行高度 182
7.3.4 性能理论分析 185
7.3.5 性能仿真验证 187
7.4 低时延高可靠的无人机中继系统 189
7.4.1 系统模型 189
7.4.2 无人机悬停部署设计 191
7.4.3 性能仿真验证 193
7.5 无人机中继系统的飞行轨迹优化 195
7.5.1 系统模型 196
7.5.2 轨迹与功率联合优化 197
7.5.3 性能仿真验证 200
7.6 本章小结 203
本章参考文献 203
第8章 无人机通信网络的安全传输 205
8.1 引言 205
8.2 基于人工噪声的无人机通信网络的安全传输 206
8.2.1 系统模型 207
8.2.2 安全传输方案设计 208
8.2.3 性能仿真验证 211
8.3 基于NOMA的无人机通信网络的安全传输 214
8.3.1 系统模型 214
8.3.2 NOMA-UAV网络的安全功率分配方案 216
8.3.3 性能仿真验证 219
8.4 无人机中继系统的安全传输 221
8.4.1 系统模型 221
8.4.2 无人机中继系统保密速率优化方案 224
8.4.4 性能仿真验证 227
8.5 无人机中继辅助隐蔽通信 230
8.5.1 无人机中继通信信道及有限包长传输速率 230
8.5.2 无人机有限字长隐蔽通信设计 231
8.5.3 性能仿真验证 235
8.6 本章小结 236
本章参考文献 236
第9章 无人机的无线能量传输和无线携能通信 238
9.1 引言 238
9.2 WPT和SWIPT技术概述 238
9.2.1 WPT技术的基本原理 238
9.2.2 SWIPT技术的基本原理 239
9.3 无人机WPT网络优化 241
9.3.1 无人机WPT网络模型 241
9.3.2 飞行轨迹和波束方向图优化算法设计 242
9.3.3 性能仿真验证 242
9.4 无人机辅助SWIPT网络优化 244
9.4.1 无人机辅助SWIPT网络模型 244
9.4.2 基于用户动态需求的实时路径规划算法设计 246
9.4.3 性能仿真验证 246
9.5 多无人机辅助SWIPT网络优化 247
9.5.1 多无人机辅助SWIPT网络模型 247
9.5.2 无人机飞行轨迹和资源分配优化算法 249
9.5.3 性能仿真验证 249
9.6 本章小结 250
本章参考文献 251
第3篇 无人机空中通信网络篇
第10章 无人机通信网络的组网技术 253
10.1 引言 253
10.2 无人机频谱管理 254
10.2.1 无人机频谱的挑战 254
10.2.2 动态频谱管理系统 255
10.2.3 与频谱相关的关键技术 255
10.3 多路访问控制协议 257
10.3.1 多路访问控制协议概述 257
10.3.2 多路访问控制协议分类与研究现状 258
10.4 拓扑及功率管理 259
10.4.1 拓扑结构 259
10.4.2 功率控制技术 261
10.4.3 拓扑控制技术 262
10.5 路由协议 263
10.5.1 主动协议 264
10.5.2 被动协议 264
10.5.3 混合协议 265
10.6 本章小结 266
本章参考文献 266
第11章 无人机集群 270
11.1 引言 270
11.2 无人机集群的路径规划 271
11.2.1 A*算法 271
11.2.2 人工势场法 272
11.2.3 蚁群算法 275
11.2.4 粒子群算法 276
11.2.5 遗传算法 278
11.3 无人机集群的抗干扰技术 280
11.3.1 频域抗干扰技术 280
11.3.2 功率域抗干扰技术 281
11.4 无人机集群的路由及拓扑管理 281
11.4.1 分簇结构 281
11.4.2 分簇算法 282
11.4.3 分簇路由 284
11.5 无人机集群控制 284
11.5.1 集中式控制 286
11.5.2 分布式控制 286
11.6 无人机集群智能 287
11.6.1 无人机集群智能简介 287
11.6.2 无人机集群智能在任务规划中的应用和技术发展 287
11.6.3 无人机集群智能在信息交互中的应用和技术发展 288
11.7 本章小结 288
本章参考文献 289
第12章 空-X一体化网络 294
12.1 引言 294
12.2 空地一体化网络 295
12.2.1 空地一体化网络的现状 295
12.2.2 空地一体化网络的架构 297
12.2.3 空地一体化网络的典型应用 298
12.2.4 空地一体化网络的部署挑战 300
12.3 空天一体化网络 301
12.3.1 空天一体化网络的现状 301
12.3.2 空天一体化网络的架构 303
12.3.3 空天一体化网络的典型应用 304
12.3.4 空天一体化网络的部署挑战 305
12.4 空海一体化网络 305
12.4.1 空海一体化网络的现状 305
12.4.2 空海一体化网络的架构 307
12.4.3 空海一体化网络的部署挑战 308
12.5 空天地海一体化网络 308
12.5.1 空天地海一体化网络的现状 308
12.5.2 空天地海一体化网络的关键技术 310
12.5.3 空天地海一体化网络的典型应用 311
12.5.4 空天地海一体化网络的部署挑战 311
12.6 本章小结 312
本章参考文献 312
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