Chapter 1
第1章
無人機網(wǎng)絡的信道模型

1.1 引言

無人機（UAV）的高機動性、易操作性和可負擔的價格使其廣泛應用于各種民用領域，如救災、空中攝影、遠程監(jiān)控和連續(xù)遙測等。當發(fā)生自然災害時，或者當熱點地區(qū)通信網(wǎng)絡資源將被耗盡時，可以使用無人機實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡[1]。高通公司已經(jīng)開始進行5G蜂窩應用的現(xiàn)場試驗[2]。Google和Facebook公司也在利用無人機為偏遠地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務[3]。

根據(jù)不同環(huán)境下的應用和目標，選擇適當類型的無人機對于滿足預期服務質(zhì)量（QoS）至關重要。對于任何特定的無線網(wǎng)絡應用，必須考慮無人機的飛行高度及其性能。根據(jù)飛行高度可以將無人機分為低空平臺（LAP）和高空平臺（HAP）；根據(jù)結構，又可以將無人機分為固定翼無人機和旋翼無人機。與旋翼無人機相比，固定翼無人機為了保持飛行高度，需要一直向前飛行；旋翼無人機則適用于需要無人機在特定區(qū)域內(nèi)保持相對靜止的應用。這兩種類型無人機的飛行時間主要取決于其攜帶的能源、重量、飛行速度和軌跡。

基于無人機的通信網(wǎng)絡的突出特點是空對地和空對空傳播信道。準確的信道建模對于滿足終端用戶日益增長的數(shù)據(jù)需求是必不可少的?，F(xiàn)有的空對地傳播信道模型是為地面通信或高海拔地區(qū)的航空通信設計的。這些模型對于在城市環(huán)境中使用小尺寸無人機的低空無人機通信是不適用的。空對地信道具有更高的視線（LoS）傳播概率，這可以降低發(fā)射功率，且可靠性高。在非視線（NLoS）情況下，陰影和衍射損失可以通過無人機和地面設備之間的大仰角得到補償。由于多普勒頻移，無人機的移動會導致空對地和空對空信道傳播時間發(fā)生明顯的變化。

小型無人機的俯仰、偏航和滾轉角變化較大，可能會出現(xiàn)機身陰影。此外，無人機機身的獨特結構設計和材料可能會帶來額外的陰影衰減。

盡管無人機有前景的應用很多，但在推廣前需要解決幾個技術挑戰(zhàn)。例如，在空中基站（BS）場景中使用無人機時，主要技術挑戰(zhàn)包括無線電資源管理、飛行時間、無人機的最優(yōu)部署、軌跡優(yōu)化和性能分析。在空中用戶設備（UE）場景下，無人機的主要技術挑戰(zhàn)包括干擾管理、交接管理、延遲控制和三維定位。因此，在這兩種情況下，信道建模對于實現(xiàn)基于無人機的通信網(wǎng)絡是非常重要的。本章概述了使用無人機作為空中用戶設備和空中基站的情況，并討論了與空對地信道建模、機身陰影、無人機的最佳部署、軌跡優(yōu)化、資源管理以及與能源效率有關的技術挑戰(zhàn)。