Preface
前言

當前，空中網絡（AN）在軍事、民用和公共應用中發揮著越來越關鍵的作用，已逐漸成為無線通信領域的研究熱點。第三代標準化合作伙伴項目（3GPP）促進了空中無線網絡與未來蜂窩網絡的整合研究。由無人機（UAV）提供的空中無線網絡以較低的成本提供可靠的無線通信，可用于未來各種有通信需求的新型應用。與基于高空平臺的通信或傳統的地面通信相比，用無人機提供的按需通信具有快捷部署的特性，并且在需要重新部署或配置時具有較強的靈活性，特別是其視線（LoS）鏈路距離最短的特性，使得空中無線網絡的傳輸具有較強的優勢。

盡管空中無線網絡有很多優點，但在實際應用中也受到一些限制，例如能量限制（電池電量有限）、飛行區域限制和相關安全問題。因此，為自主空中無線網絡開發新的信號處理、通信與優化框架是至關重要的。新型空中無線網絡應可以提供較高傳輸速率，并協助傳統的地面網絡為傳感應用提供實時和可靠性高的網絡支持。因此，應在考慮用戶的高移動性以及用戶日益增長的數據需求的基礎上，對通信信道進行準確的表征；空中無線網絡的空對地（AG）和空對空（AA）信道傳播模型可以通過測量和經驗研究來描述。此外，需要根據不同的使用場景，對空中無線網絡的關鍵性能指標（KPI）進行優化，如飛行時間、軌跡、數據速率、能源效率和延遲等。

本書探討了空中無線網絡理論和實踐的最新進展，包括應急通信、物聯網（IoT）、信息傳播、未來醫療、pop-up網絡等。本書重點介紹了信道特性和建模、網絡架構、空中網絡、自組織回傳、基于人工智能的軌跡優化，以及空中無線網絡技術在農業、水下通信和應急網絡等領域的應用。本書進一步強調了自主空中網絡設計過程中的主要考慮因素，并探討了由無線通信系統的最新進展帶來的新機遇。本書還向讀者展示了通過自組織網絡和人工智能支持空中無線網絡的各種用例。

無人機為各種需要無線網絡可靠且覆蓋范圍廣的應用提供了一個合適的空中平臺。信道模型在無線通信系統中起著關鍵作用，準確的信道建模對于滿足終端用戶日益增長的數據需求是必不可少的。第1章主要討論無人機網絡的信道模型，介紹了無人機通信中的信道建模，同時關注空對地和空對空傳播信道的突出特點，最后討論了無人機作為空中無線節點實際部署中的一些關鍵研究挑戰。

第2章描述了超寬帶（UWB）信道的基本特性，介紹了人體和無人機在7.5 GHz帶寬下的首次實驗性研究。介紹了測量環境，詳細說明了在室內和室外環境中進行視線和非視線情況下的測量活動。此外，還介紹了基于超寬帶無人機到可穿戴設備（UAV2W）的信道特性，以及通過統計分析準確表征無人機與位于身體不同位置的接收器通信時的信道衰減分布。

第3章介紹了基于合作的多智能體——Q-learning算法。該算法的設計目標是使網絡中離線的用戶數量最小化，它確定了頻率的最佳分配方案以及無人機的使用數量。提出并比較了基于四種不同行動選擇策略的Q-learning算法在設計復雜性、更改運行無人機數量的能力和收斂時間方面的不同。還提出了數值結果，給出了感興趣區域的用戶密度與運行頻率之間的關系。

第4章提出了一個自供能無人機輔助緩存中繼方案。在該方案中，無人機的通信能力可由基于功率分流的無線攜能通信（PS-SWIPT）接收器實現。該接收器采用解碼和轉發（DF）中繼協議來協助信息源節點向用戶傳輸信息。本章提出了可適應系統內通信過程的信息傳輸框圖。此外，在遵守通信網絡服務質量要求的同時，討論了通信系統的最佳運行時間、資源分配以及無人機的最優軌跡，最后介紹了在用戶設備中，系統參數對信息率影響的數值仿真結果。

第5章重點介紹了毫米波（mmWave）和太赫茲（THz）通信的案例研究，以及應用毫米波和太赫茲頻段對無人機通信技術的挑戰。本章首先介紹了毫米波和太赫茲頻段的通信潛力，隨后概述了為無人機通信實施毫米波和太赫茲頻段的技術挑戰，接下來提出了理論分析，重點是無人機的配置問題。此外，本章考慮嚴格的通信限制，如系統帶寬、數據速率、信噪比（SNR）等，研究了無人機輔助的混合異構網絡（HetNet）的性能，通過解決地面小尺寸蜂窩基站（SCB）與無人機通信的相關問題，使整個系統的總速率最大化。數值結果顯示基于無人機輔助的無線網絡性能良好。

第6章討論了一種使用合作型無人機作為友好干擾器來提高認知無線電網絡安全性能的方法。本章首先介紹了認知無線電系統中無人機合作干擾的系統模型，然后提出了優化問題。網絡中的資源分配必須與發射功率、無人機軌跡進行聯合優化，在滿足主接收機（PR）給定干擾閾值的同時，最大化安全傳輸速率。由于原始問題是非凸的，我們首先將原始問題轉化為可優化的形式，然后提出了一種基于凸近似的連續算法來解決它，最后通過數值結果驗證了認知無線網絡的安全性能得到顯著改善。

第7章探討了在空中無線網絡中使用智能反射面（IRS）對用戶和基站進行定位的技術。定位是目前和未來無線網絡中的一個重要部分，它可以提高網絡運行效率并協助多種基于定位的應用。本章首先介紹了相關工作以及基于智能反射面與無人機基站的潛在應用，然后討論了智能反射面在空中無線網絡中的整合以及潛在的使用案例，之后介紹了一個基于智能反射面的自動導航儀的定位模型以及一些數學模型，最后提出了一些研究方向以及未來研究挑戰。

第8章描述了無人機在災難網絡恢復中的應用。本章首先對無人機網絡進行了概述，包括對無人機架構的描述，即單無人機系統、多無人機系統、合作多無人機系統和多層無人機網絡。然后我們討論了無人機最廣泛的應用與無人機系統要求的不同、在災難網絡恢復背景下無人機網絡的設計考慮、無人機災難網絡的新技術和基礎設施趨勢[即網絡功能虛擬化（NFV）、軟件定義網絡（SDN）、云計算和毫米波網絡]，以及人工智能、機器學習、優化理論和博弈論等技術。

第9章討論了無人機在智能城市環境監測中對病毒防范的重要性。我們介紹了無人機的兩個使用場景，即無人機作為空中基站（ABS）和無人機作為中轉站，同時還介紹了兩個場景光線追蹤的仿真設置。在空中基站傳輸功率和懸停高度的限制下，我們推導出覆蓋指定區域的最優空中基站數量，并考慮了光線追蹤模擬的路徑損耗和信道衰減效應。然后，我們描述了使用無人機作為中轉站時的5G空中接口，介紹了地面用戶的接收功率和覆蓋區域吞吐量的模擬結果。

第10章介紹并討論了基于物聯網的智能農業（SF）的研究舉措和科學文獻，然后分析了無人機在智能農業中的使用方式和應用場景，詳細回顧了文獻中的各項科學工作。接著，本章介紹了聯網的要求和解決方案，以及對農業環境中支持物聯網方案的現有協議的簡要對比。最后，本章討論了聯合使用移動邊緣計算（MEC）和5G網絡的潛在作用，提出了通過無人機和衛星連接智能農場的網絡架構。

濕地監測需要準確的地形圖和測深圖，這可以通過使用無人機來實現，無人機可以定期創建地圖，而且成本最低，對環境影響也小。第11章介紹了實現該功能所需的一套系統。我們首先討論了自動圖像標記系統，接下來介紹了一個用于區分陸地和水面的在線分類系統，然后使用航空機器人創建離線測深制圖。由于離線方法沒有充分利用無人機提供的適應性，我們還介紹了在線測深制圖。最后，本章介紹了結果和分析，以顯示在線測深制圖的最佳組合。

隨著探索深空和連接太陽系行星與地球的研究，傳統的衛星網絡已經超越了地球同步赤道軌道（GEO），其中星際互聯網將發揮關鍵作用。第12章對衛星間以及深空網絡（ISDN）進行了簡要回顧。本章討論了衛星網絡以及深空網絡的分類，將其分為不同的層級，同時強調了通信和網絡范式。我們討論了每個層級的安全要求、挑戰和威脅，并提出在衛星及深空網絡不同層級中對已確定挑戰的潛在解決方案，最后在結論中強調了衛星網絡以及深空網絡在未來蜂窩網絡中的關鍵作用。