無人機應(yīng)急裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

????????警用裝備網(wǎng)訊：?1 無人機應(yīng)急保障裝備概述

　　我國是一個幅員遼闊，自然災(zāi)害多發(fā)的人口大國。目前，國內(nèi)的通信技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)取得了顯著的成績，移動通訊技術(shù)切實改變了人們的生活方式和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)。然而，在出現(xiàn)突發(fā)事件或不可抗拒的自然因素等情況下，傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)顯得脆弱不堪且難于恢復(fù)。2008年，我國南方遭遇50年一遇的特大冰雪災(zāi)難，災(zāi)情最嚴(yán)重時，8.3萬個基站因停電退出服務(wù)，數(shù)以千萬計的用戶通信受到影響。同樣在2008年，汶川發(fā)生極大地震，通信設(shè)施遭到嚴(yán)重?fù)p壞，汶川縣通信癱瘓，外界無法及時獲知汶川的任何消息。2010年的玉樹地震、2012年臺風(fēng)“達維”再次襲擊內(nèi)陸地區(qū)，這些強自然災(zāi)害直接導(dǎo)致大范圍的通訊中斷[1,2]。面對天災(zāi)和通訊中斷，這些災(zāi)害往往會造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

　　圖1 我國近年來重大自然災(zāi)害分布

　　重大自然災(zāi)害發(fā)生的前72小時，被稱為“黃金救援期”。面對未知的災(zāi)情，第一時間獲取災(zāi)情信息是搶險救災(zāi)的首要問題。然而重大自然災(zāi)害往往會造成重災(zāi)區(qū)電網(wǎng)癱瘓、信息中斷和道路交通破壞，這些問題對救災(zāi)工作的展開造成了重大影響[3]。

　　圖2 我國近年來重大自然災(zāi)害造成的損失

　　在2008年汶川發(fā)生級大地震時，由于救災(zāi)車輛及人員無法在第一時間趕赴現(xiàn)場，災(zāi)情傳遞受阻將導(dǎo)致?lián)岆U救災(zāi)盲目部署。由于震后地形、氣候復(fù)雜，需要有人直升機空中勘察，空降人員和空投物資均具有很大的危險，汶川地震中曾發(fā)生直升機失事事件，造成嚴(yán)重的人員傷亡后果，繼而造成更大的損失和次生災(zāi)害[4]。

　　圖3 博物館展出的汶川地震救援中墜毀的直升機殘骸

　　近年來，隨著汶川地震，日本海嘯等具有嚴(yán)重破壞性自然災(zāi)害的發(fā)生以及登山人員在地理形勢不明確的地區(qū)被困事件時有發(fā)生，通信保障往往成為這些情況下最為緊迫的需求。面對重大自然災(zāi)害，快速建立一套穩(wěn)定的通信系統(tǒng)，恢復(fù)災(zāi)區(qū)或戰(zhàn)區(qū)通信，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。應(yīng)急性自然災(zāi)害事件具有突發(fā)性的特點。因此，要求應(yīng)急通信系統(tǒng)可以快速反應(yīng)、迅速展開投入使用；同時，應(yīng)急事件又具有時效性的特點，應(yīng)急救援任務(wù)結(jié)束后，系統(tǒng)可以隨時撤離現(xiàn)場。應(yīng)急救援現(xiàn)場情況復(fù)雜，地點不確定、環(huán)境不確定、條件不確定，現(xiàn)有地面設(shè)施無法使用或無法提供，傳統(tǒng)通信設(shè)施失效，要求應(yīng)急通信系統(tǒng)需要獨立成網(wǎng)、自成體系（包含供電系統(tǒng)）。

　　現(xiàn)階段，對于因泥石流、地震、洪漠、海嘯等突發(fā)災(zāi)難或緊急事件，主要的解決方案是應(yīng)用地面設(shè)備加以解決，例如大功率的臨時通信車，或在較高的地面、建筑物上架設(shè)臨時基站等。

　　圖 4 地面應(yīng)急通訊保障車

　　這些方案由于設(shè)計與普通基站的差別不大，存在較大的技術(shù)復(fù)用性，因此具有技術(shù)難度較低，硬件成本較低的優(yōu)點。但是也存在著架設(shè)速度較慢，人工成本嚴(yán)重依賴地面交通情況，部署慢，無法到達所有區(qū)域等等不足。

　　隨著近年來人們對臨時移動通信網(wǎng)絡(luò)建立、維護的速度要求越來越高，對整套方案的快速、全域到達、成本等方面的要求越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)方案的局限性正在逐步凸顯出來，主要體現(xiàn)在以下兩方面：

　　1）從方案性能方面來說，速度上，傳統(tǒng)方案的建立、維護存在著建設(shè)速度偏慢的不足，一般從建立到調(diào)試完成至少需要一天。從機動性上來說，傳統(tǒng)方案的移動性較差，雖然臨時通信車可移動，但是一旦路面損壞，就基本喪失了機動能力。

　　2）從方案成本方面來說，通信設(shè)備的單位性能成本受摩爾定律的影響正在快速下降，而人力成本卻在隨著中國經(jīng)歷劉易斯拐點后勞動力逐漸短缺而導(dǎo)致的勞動力成本上升而不斷上升。從綜合成本來看，地面方案正在快速喪失原本具有的成本優(yōu)勢。

　　無人機基站是無人機與其搭載的無線通信模塊的合成體，其兼具無人機的機動特性和無線傳輸特性。無人機通信具有長距離、高機動性、靈活部署和低延遲等特點。無人機基站作為一種機動靈活的通信服務(wù)設(shè)施，被廣泛地應(yīng)用于當(dāng)前的無線通訊服務(wù)中，特別是在通信設(shè)備故障或自然災(zāi)害的搶險通信服務(wù)中[5,6]。

　　無人機基站可以為各種場景提供可靠、經(jīng)濟、高效的無線通信解決方案。一方面，無人機基站可以作為空中基站，向所需區(qū)域提供可靠、經(jīng)濟、按需的無線通信服務(wù)；另一方面，無人機基站可以作為空中中繼，實現(xiàn)遠距離用戶設(shè)備之間的數(shù)據(jù)信息共享。地面基站的局限性（如基站數(shù)量限制、無線信號傳輸距離、偏遠山區(qū)信號強度、用戶密集區(qū)域的超容量數(shù)據(jù)請求和特殊環(huán)境下的通信請求等）給當(dāng)前的無線通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)帶來更多挑戰(zhàn)[7,8]，無人機基站作為一種可以自主飛行的移動通信設(shè)備，為解決上述限制問題提供了一種新的解決方案。相較于傳統(tǒng)的地面應(yīng)急通訊方式，空中通訊系統(tǒng)的主要優(yōu)勢包括：

　　1）能夠抵達通信車無法到達的位置，極大地避免地形影響帶來的通信質(zhì)量及效率下降問題。

　　2）極快的部署速度，甚至可以在災(zāi)害結(jié)束之前抵達指定部署位置，盡可能快地收集、掃描人員分布情況，爭取極其寶貴的時間和救援信息。

　　3）更靈活的部署方案，根據(jù)各區(qū)域災(zāi)情的不同，無人機可以在空中直接移動，同時調(diào)整資源分配策略。

　　4）無人機基站的快速部署能力較強，搭建成本較低；

　　5）在有信號覆蓋區(qū)域，無人機基站可作為中繼擴大信號的覆蓋范圍，在無信號覆蓋區(qū)域，無人機基站可提供信號覆蓋；

　　6）無人機基站的動態(tài)移動特性可根據(jù)地面用戶的分布變化自由調(diào)整，以提高網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)連通性；

　　7）無人機基站可以用作宏基站層和小基站層之間的中間空中節(jié)點，以提高覆蓋率和通信容量；

　　8）與地面網(wǎng)絡(luò)相比，無人機基站可以建立直接的視距通信，提高網(wǎng)絡(luò)通信性能。

　　因此，應(yīng)用無人機系統(tǒng)建立空中應(yīng)急通訊系統(tǒng)是理想的方式。無人機系統(tǒng)建立空中應(yīng)急通訊系統(tǒng)的平臺載體有固定翼無人機平臺和旋翼式無人機平臺。

　　圖 5 固定翼和旋翼式無人機平臺通訊應(yīng)急系統(tǒng)

　　固定翼無人機具有航程遠(1500km以上)、航時長(10h以上)、部署機動靈活(巡航速度150km/h以上)等特點，可以滿足定點地區(qū)快速應(yīng)急通訊的需求。固定翼無人機空中通訊中繼系統(tǒng)組成如圖 6所示。

　　圖 6 固定翼無人機空中通訊中繼系統(tǒng)組成

　　在接到任務(wù)指令后，無人機空中通訊系統(tǒng)可以從存放地緊急升空，靠自身航程快速機動到任務(wù)區(qū)域，實現(xiàn)最快速度恢復(fù)通訊的目的。同時，后續(xù)空中平臺可以機動到任務(wù)區(qū)域前沿，通過彈射起飛的方式，實現(xiàn)后續(xù)通訊平臺的部署任務(wù)。通過多架空中平臺的協(xié)同中繼，可以實現(xiàn)較大范圍、較遠距離的通訊需求。同時，備份無人機可以接替燃料用盡的平臺，從而實現(xiàn)長時間無間斷的通訊保障。

　　相較于旋翼式空中通訊中繼平臺，固定翼無人機空中通訊系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

　　1）更加方便的機動靈活部署

　　相較于旋翼無人機，固定翼無人機飛行速度更快，可以從較遠的距離上快速機動到指定任務(wù)區(qū)域。

　　2）更大的使用范圍

　　相較于旋翼無人機，固定翼無人機航程更遠，可以在大范圍內(nèi)使用。另外，固定翼無人機能源效率更高，具有搭載更大的通訊任務(wù)載荷設(shè)備，使其具有更大范圍內(nèi)的通訊保障能力。

　　3）更長的空中使用時間

　　相較于旋翼無人機，固定翼無人機航時更久，可以實現(xiàn)長時間的任務(wù)需求。相較于旋翼不足一個小時的航時，固定翼無人機的留空時間可以達到10個小時以上，甚至更長。如果有輪換無人機，則可以實現(xiàn)長時間無間斷的通訊保障需求。

　　因此，固定翼無人機空中通訊系統(tǒng)具有其它應(yīng)急保障通訊系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)勢。

　　2 研究現(xiàn)狀

　　無人機上搭載的中繼通信平臺可以快速有效針對特定區(qū)域建立通信網(wǎng)絡(luò)，為救災(zāi)等特殊情況爭取寶貴時間?？罩兄欣^平臺利用空中設(shè)備進行信息傳送，可以跨越復(fù)雜地形且傳輸距離遠。搭載中繼通信平臺的多架無人機作為飛行編隊集中控制，使得通信可靠性更強，性能更好，已經(jīng)成為業(yè)界越來越多的人們的研究對象。在空中中繼系統(tǒng)中，對無人機編隊的有效控制，是保障中繼通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

　　國內(nèi)外的許多研究機構(gòu)在無人機輔助通信上進行了深入的研究。例如，美國Facebook公司的Aquila項目[9]，該項目利用固定軌道飛行的無人機高空通信平臺向偏遠地區(qū)提供無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。Aquila無人機使用太陽能電池板自動供電，并配備自動控制系統(tǒng)用于調(diào)整航線和飛行參數(shù)（如航向、高度、空速等）。不同于Facebook公司的Aquila項目，美國Google公司的Loon項目[8]使用平流層飛行的氣球，搭載無線通信設(shè)備為偏遠地區(qū)提供無線網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。相比于高空平臺，諾基亞公司的F-Cell項目[9]。通過部署小型太陽能無人機基站實現(xiàn)高吞吐量、低能耗的無線通信基站快速部署。此外，高通公司和AT&T正計劃部署無人機，以便在第五代無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)大規(guī)模無線通信。華為的無線X實驗室于2017年啟動了“數(shù)字天空”計劃，以推動無人機輔助通信在實際生活場景中的應(yīng)用。

　　在無人機輔助通信的應(yīng)用方向，基站數(shù)量受限、傳輸距離遠、部分偏遠地區(qū)信號差和通信產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)給目前通信網(wǎng)絡(luò)的性能帶來許多挑戰(zhàn)。無人機作為一種可以自主飛行的移動設(shè)備，為解決上述問題提供了一種新的解決方案。無人機輔助通信的優(yōu)勢在于無人機可以隨時隨地地進行快速部署，并根據(jù)系統(tǒng)需求及時調(diào)整。無人機基站作為新興的無線通信技術(shù)手段具有廣泛的應(yīng)用空間：可以作為移動中繼或基站；可以用于改善蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)連接和覆蓋；可以為遠距離區(qū)域或服務(wù)請求量大的區(qū)域提供通信支持；可以顯著提高移動自組織網(wǎng)絡(luò)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能等。

　　(1) 無人機輔助中繼

　　在無人機輔助通信中，無人機可以作為移動中繼改善網(wǎng)絡(luò)性能。與傳統(tǒng)的地面中繼相比，無人機中繼具有成本低、部署靈活、機動性強和適用性強等特點。嚴(yán)曉琴等[10]提出了一種無人機中繼通信系統(tǒng)功率分配算法，以最大化系統(tǒng)能效為目標(biāo)對功率進行最優(yōu)分配。方斌等[11]將中繼鏈路的最優(yōu)鏈路代價問題，構(gòu)建為一個需求與供給的微分對策問題，同時給出幾何法的求解方式。為優(yōu)化無線通信性能，Zhan 等[12]提出將無人機作為無線網(wǎng)絡(luò)基站和地面終端之間的中繼設(shè)備。Yong 等[13]以無人機中繼系統(tǒng)吞吐量最大化為目標(biāo)，對無人機軌跡和功率分配問題進行了研究。為提高移動自組網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)范圍和可靠性，Palat 等[14]研究了很多無人機中繼的協(xié)同優(yōu)化問題。朱秋明等[15]以信道隨機衰落對中繼信號覆蓋區(qū)域影響為出發(fā)點，給出了一種基于信號中斷概率的最大化中繼平臺覆蓋范圍模型。吳高峰等[16]給出了一種多項式時間中繼布置算法，用于解決在鏈路有效性和安全性約束條件下的中繼節(jié)點最優(yōu)布置問題。Li 等[17]給出網(wǎng)絡(luò)傳輸時延最小化的中繼策略。針對存在通信盲區(qū)和無人機使用數(shù)目受限條件下的無人機通信鏈路質(zhì)量優(yōu)化問題，方斌等[18]將通信中繼鏈路中無人機部署問題形式化表示為多條路徑優(yōu)化問題，通過最短路徑算法給出無人機通信中繼鏈路構(gòu)建問題的解決方案。

　　(2) 無人機輔助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在當(dāng)前生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用，如區(qū)域監(jiān)測、醫(yī)療保健監(jiān)測、自然災(zāi)害預(yù)防和水質(zhì)控制等。同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也面臨眾多挑戰(zhàn)，如功耗限制、低處理能力和有限的節(jié)點存儲容量等。裝載無線設(shè)備的無人機系統(tǒng)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的挑戰(zhàn)提供了解決方案。無人機輔助通信可以有效的降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和延長服務(wù)壽命[19]。無人機輔助通信在改善無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能方面?zhèn)涫車鴥?nèi)外研究學(xué)者關(guān)注。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，Polo 等[20]設(shè)計了一種低成本無人機無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用無人機的機動性收集數(shù)據(jù)和檢測地面節(jié)點的變化。Ma等[21]設(shè)計了一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無人機輔助數(shù)據(jù)采集方案，并以傳感器與無人機之間的數(shù)據(jù)傳輸速率和持續(xù)時間為優(yōu)化問題，給出了四種數(shù)據(jù)采集算法。Jawhar 等[22]以降低數(shù)據(jù)傳輸能耗和減少多跳數(shù)據(jù)路由干擾為目標(biāo)，提出了基于無人機的數(shù)據(jù)采集框架，并給出一種基于循環(huán)需求驅(qū)動策略的無人機路由算法。Mohamed 等[23]對無人機無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和可靠性保證問題進行了研究。針對無人機中繼過程中可能出現(xiàn)的通信中斷、失真等問題，符小衛(wèi)等[24]以通信延時為性能指標(biāo)，給出優(yōu)化信息傳輸?shù)穆酚蛇x擇模型。胡續(xù)俊等[25]綜合考慮無人機自身運動姿態(tài)和環(huán)境因素的影響，給出了一種基于兩跳中繼鏈路的傳播模型。

　　(3) 無人機輔助移動自組網(wǎng)絡(luò)

　　無人機的高度機動性特點同樣適用于優(yōu)化移動 Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)性能。在 Ad-hoc 中，部分節(jié)點被視為骨干節(jié)點[26]負(fù)責(zé) Ad-hoc中節(jié)點的運動和位置協(xié)調(diào)，并為斷開的子網(wǎng)提供通信連接。無人機可作為 Ad-hoc中的骨干節(jié)點，提升網(wǎng)絡(luò)的連通性、可擴展性、負(fù)載平衡和網(wǎng)絡(luò)可靠性[27]等。S. Park 等[28]針對災(zāi)后地面 Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)的重建問題，提出了一種分布式覆蓋路徑規(guī)劃算法和路由拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方案，利用無人機將空中無線鏈路補充到損壞的地面網(wǎng)絡(luò)中快速有效的恢復(fù)和提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率。此外，無人機還可以通過最小化路由開銷來提高無線 Ad-hoc 的性能，從而減少能耗和提高吞吐量[29]。無人機的移動性部署策略應(yīng)考慮 Ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)的高動態(tài)性和自主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以最大限度地減少數(shù)據(jù)包延遲，提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。

　　(4) 無人機輔助車載自組網(wǎng)絡(luò)

　　車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-hoc Network, VANET)是移動自組網(wǎng)絡(luò)的一個子類，傳統(tǒng)的車輛自組網(wǎng)絡(luò)通信方式分為車對車通信和車對路通信。VANET旨在為道路使用者提供安全管理、交通管理和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等服務(wù)[30]。隨著移動車輛數(shù)量和數(shù)據(jù)交換量的不斷增加，如何在車輛高機動性和各種障礙物影響的復(fù)雜環(huán)境中，優(yōu)化數(shù)據(jù)吞吐量和無線通信服務(wù)成為VANET應(yīng)用研究中的關(guān)鍵問題。無人機輔助通信為上述問題提供一種有效地解決方案，用于支持和協(xié)助車輛進行通信。無人機輔助通信可以有效的增強VANET網(wǎng)絡(luò)的可擴展性、生存性和覆蓋范圍[31]。郭芳等[32]給出一個最小傳輸速率最大化的無人機飛行軌跡的優(yōu)化策略，用于滿足被服務(wù)車輛的通信公平性需求。針對車輛移動性對VANET網(wǎng)絡(luò)通信的挑戰(zhàn)，Omar等[33]提出了一種車輛自組織網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)(UAV-Assisted VANET Routing Protocol, UVAR)用于為城市環(huán)境中車輛之間數(shù)據(jù)傳輸提供一種高效的路由解決方案。在雙向公路VANET網(wǎng)絡(luò)上，Seliem等[34]給出一種車輛與無人機通信包傳輸延遲概率分布表達式，并以最小化車輛與無人機數(shù)據(jù)包傳輸延遲為目標(biāo)函數(shù)提出一種路由協(xié)議，用于提升車輛自組網(wǎng)絡(luò)通信性能，改善城市地區(qū)道路安全和流量。

　　(5) 無人機空中基站

　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁堵或網(wǎng)絡(luò)中斷的現(xiàn)象發(fā)生時，一個快速有效的臨時移動基站就變得非常必要。無人機空中基站因其具有成本低、速度快和部署靈活等優(yōu)勢，對上述問題給出了一個完美的解決方案。Mozaffari等[35-37]分別研究了無人機基站通信中下行鏈路的最優(yōu)化覆蓋率空間部署問題；上行鏈路的用戶最小能耗部署優(yōu)化問題；下行鏈路的最優(yōu)化傳輸速率問題和下行鏈路的最優(yōu)化能耗傳輸問題。Lyu 等[38]提出一種基于用戶需求的空中基站部署策略，以最小化空中基站數(shù)量實現(xiàn)最大化地面用戶覆蓋。Soorki 等[39]以最小化上傳鏈路用戶能源消耗為目標(biāo)，建立空間無人機基站部署優(yōu)化模型。Ayyagari 等[40]以最大化覆蓋率為目標(biāo)，提出一種使用無人機的快速部署無線移動通信網(wǎng)絡(luò)。

　　(6) 啟用緩存的無人機

　　網(wǎng)絡(luò)緩存可以有效的提高網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)性能、減少了傳輸時延和提高用戶的吞吐量[41]。對于靜態(tài)地面節(jié)點，只有將所請求的內(nèi)容緩存在多個節(jié)點中，移動用戶才能夠獲得有效的緩存服務(wù)。然而面對緩存空間的限制和用戶的移動性，靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的緩存可發(fā)揮的實際效用較小。動態(tài)的無人機空中基站緩存為上述問題的解決給出了一個全新的視野空間。無人機基站可搭載無線通信模塊和緩存文件，有針對性的為用戶提供高效的移動緩存服務(wù)。Ba tu 等[41]以中斷概率和平均內(nèi)容傳送率作為目標(biāo)，構(gòu)建了一種無人機緩存模型。Zhao 等[42]研究了無人機輔助下的視頻文件在高密度網(wǎng)絡(luò)中的安全高速緩存和傳輸模型。Wang 等[43]給出了一種無人機輔助超密集網(wǎng)絡(luò)通信中的能效緩存模型。Xu 等[44]利用了用戶主動緩存技術(shù)，提出了一種以內(nèi)容為中心的無人機通信緩存方案。Chen[45]提出了一種基于概念回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的機器學(xué)習(xí)算法，用于關(guān)聯(lián)用戶行為和無人機緩存以提升無人機輔助通信的性能。

　　(7) 無人機作為飛行無線回程

　　在無線網(wǎng)絡(luò)通信中，無線回程主要用于從邊緣網(wǎng)向核心網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。在距離和干擾等因素的影響下，無線回程的通信速率[46]受到很大限制。為解決由于無線接入距離過遠而導(dǎo)致的信號衰減問題，必須使用功率更大的無線電或者成本更高的大天線來提高鏈路增益。無人機的低成本和靈活部署方式讓飛行無線回程成為一種可行的方案。Nguyen 等[47]考慮了一種新的雙層無線回程網(wǎng)絡(luò)模型，并采用時譜傳輸調(diào)整方案優(yōu)化無線回程。Challita 等[48]提出了一種按需飛行網(wǎng)絡(luò)的無線回程方案，構(gòu)造一個多跳回程網(wǎng)絡(luò)以改善回程性能。具體來說，無人機可以快速部署，以取代地面網(wǎng)絡(luò)受損的有線回程。當(dāng)無人機處于提供通信服務(wù)的最佳位置時，它可以提供可靠、高效的通信鏈路。

　　(8) 無人機輔助物聯(lián)網(wǎng)通信

　　人工智能的興起和發(fā)展使物聯(lián)網(wǎng)成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[49]。物聯(lián)網(wǎng)是一個龐大的異構(gòu)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，它包含執(zhí)行器、傳感器、云計算和嵌入式計算的大型物理設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)揮作用的基礎(chǔ)是反應(yīng)快、延時低和可靠性強的無線通信[50]。Li等[51]研究了無人機輔助通信中的空對地遠程物聯(lián)網(wǎng)上行通信中的能量有效分配問題，通過聯(lián)合優(yōu)化子信道選擇、上行鏈路發(fā)射功率控制和無人機中繼部署來最大化系統(tǒng)能量效率。無人機低成本和高機動性被認(rèn)為是解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間能源限制和距離限制的一個有效方案[52, 53]。Mozaffari 等[53]研究了多架無人機作為地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集的空中基站的最優(yōu)軌跡和部署問題。與地面基站不同的是，無人機可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備激活的模式，動態(tài)更新其位置，從而有效增強大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信能力。

　　無人機作為低成本和快速部署的移動性基站，為眾多無線網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題提供了新的解決方案。無人機輔助通信將在未來無線通信活動中發(fā)揮更重要的作用和扮演更重要的角色。當(dāng)前，無人機輔助通信相關(guān)技術(shù)研究仍處于起步階段，很多關(guān)鍵性的問題仍有待解決，特別是結(jié)合實際需求的無人機部署問題。

　　無人機輔助通信的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在無人機基站的機動性，即無人機基站可以根據(jù)用戶需求隨時隨地做出空間位置調(diào)整，以獲得更好的系統(tǒng)服務(wù)性能。無人機的飛行軌跡受空間障礙物、能量約束、地面用戶需求和高空管制等多方面因素限制。用戶需求是無人機輔助通信的目標(biāo)，無人機軌跡應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)吞吐量、能量和頻譜效率以及延遲等關(guān)鍵性能指標(biāo)進行優(yōu)化。

　　在以系統(tǒng)下載速率為目標(biāo)的無人機軌跡優(yōu)化問題上，Zeng 等[6]通過聯(lián)合優(yōu)化信號功率和中繼軌跡，解決了移動中繼系統(tǒng)中的吞吐量最大化問題，同時給出對于固定中繼軌跡，隨著時間的推移，吞吐量最優(yōu)的源/中繼功率分配遵循“階梯式”注水結(jié)構(gòu)。Jiang 等[54]分析了單無人機基站向多個用戶提供通信服務(wù)場景下的無人機航向和系統(tǒng)速率關(guān)系模型，以最大系統(tǒng)上行鏈路速率為目標(biāo)，給出了一種動態(tài)調(diào)整無人機航向的算法。Mozaffari 等[55]分析了無人機輔助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上行鏈路通信模型，以最小化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的總發(fā)射功率為目標(biāo)，優(yōu)化無人機的布局和移動性。作者根據(jù)每一時刻物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的位置確定無人機的最佳關(guān)聯(lián)位置，進而在時變網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)地為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)。Wu 等[56]從用戶之間通信性能均衡角度出發(fā)，通過優(yōu)化無人機的軌跡和功率，使下行鏈路通信中所有地面用戶的最小吞吐量最大化，并給出了一種基于簡單圓軌跡和圓填充方案的無人機軌跡設(shè)計方案。Chowdhury 等[57]分析了持續(xù)時間約束條件下的無人機最優(yōu)軌跡問題，目的是使蜂窩系統(tǒng)速率最大化，并采用動態(tài)規(guī)劃算法來優(yōu)化無人機軌跡。

　　在以能效優(yōu)化為目標(biāo)的無人機軌跡優(yōu)化問題上，Zhang等[58]研究了多無人機中繼系統(tǒng)中最大化用戶吞吐量問題，通過優(yōu)化無人機軌跡和發(fā)射功率實現(xiàn)系統(tǒng)性能最優(yōu)。Ruan等[59]提出了一種基于能效的多無人機網(wǎng)絡(luò)覆蓋部署模型。作者將系統(tǒng)覆蓋率最大化和功率最小化構(gòu)建為博弈模型，并采用基于空間自適應(yīng)博弈的多無人機節(jié)能覆蓋部署算法對無人機軌跡進行優(yōu)化。Zhan等[60]構(gòu)建了一個無人機輔助多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的聯(lián)合優(yōu)化模型，模型以最小化能量消耗為目標(biāo)同時給出軌跡的迭代優(yōu)化解。Franco等[61]提出了一種基于能量感知的路徑規(guī)劃算法，該算法在滿足覆蓋率和分辨率等一系列要求的同時，將能量消耗最小化。Grotli等[62]綜合考慮無人機路徑中的飛行干涉、禁飛區(qū)和高度等限制條件，以服務(wù)性、安全性和能效性為目標(biāo)建立軌跡優(yōu)化模型，并采用混合整數(shù)線性規(guī)劃算法得到優(yōu)化的軌跡路徑。

　　在以相關(guān)性能優(yōu)化為目標(biāo)的軌跡優(yōu)化問題上，Han等[63]研究了如何利用無人機提高移動自組網(wǎng)絡(luò)的連通性問題，通過量化四種網(wǎng)絡(luò)連通性：全局消息連通性、最壞情況連通性、網(wǎng)絡(luò)二分連通性和k連通性，制定無人機的部署和移動策略。Zhao等[64]分析了無人機飛行軌跡與系統(tǒng)通信性能之間的關(guān)系，針對單無人機場景，給出了一種頻率相關(guān)三維信道模型；針對多無人機場景，給出了一種協(xié)同通信優(yōu)化模型。

　　Fotouhi等人[65]提出了一種分布式無人機軌跡優(yōu)化算法，該算法將干擾信號、移動用戶的位置和用戶的接收信號強度作為模型的約束條件，優(yōu)化得到無人機基站移動的最佳方向。Khabbaz等[66]分析了無人機輔助車輛通信情景下的無人機路徑與系統(tǒng)延時和連通性的關(guān)系模型，旨在開發(fā)智能無人機來提高車載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信性能。作者根據(jù)無人機路徑可用性和數(shù)據(jù)傳輸延遲之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，用以優(yōu)化無人機路徑。

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