Chapter 1
第1章
無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信道模型

1.1 引言

無人機(jī)（UAV）的高機(jī)動性、易操作性和可負(fù)擔(dān)的價(jià)格使其廣泛應(yīng)用于各種民用領(lǐng)域，如救災(zāi)、空中攝影、遠(yuǎn)程監(jiān)控和連續(xù)遙測等。當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，或者當(dāng)熱點(diǎn)地區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)資源將被耗盡時(shí)，可以使用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)[1]。高通公司已經(jīng)開始進(jìn)行5G蜂窩應(yīng)用的現(xiàn)場試驗(yàn)[2]。Google和Facebook公司也在利用無人機(jī)為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[3]。

根據(jù)不同環(huán)境下的應(yīng)用和目標(biāo)，選擇適當(dāng)類型的無人機(jī)對于滿足預(yù)期服務(wù)質(zhì)量（QoS）至關(guān)重要。對于任何特定的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，必須考慮無人機(jī)的飛行高度及其性能。根據(jù)飛行高度可以將無人機(jī)分為低空平臺（LAP）和高空平臺（HAP）；根據(jù)結(jié)構(gòu)，又可以將無人機(jī)分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)。與旋翼無人機(jī)相比，固定翼無人機(jī)為了保持飛行高度，需要一直向前飛行；旋翼無人機(jī)則適用于需要無人機(jī)在特定區(qū)域內(nèi)保持相對靜止的應(yīng)用。這兩種類型無人機(jī)的飛行時(shí)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(jī)的通信網(wǎng)絡(luò)的突出特點(diǎn)是空對地和空對空傳播信道。準(zhǔn)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。現(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(shè)計(jì)的。這些模型對于在城市環(huán)境中使用小尺寸無人機(jī)的低空無人機(jī)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(jī)和地面設(shè)備之間的大仰角得到補(bǔ)償。由于多普勒頻移，無人機(jī)的移動會導(dǎo)致空對地和空對空信道傳播時(shí)間發(fā)生明顯的變化。

小型無人機(jī)的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)角變化較大，可能會出現(xiàn)機(jī)身陰影。此外，無人機(jī)機(jī)身的獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料可能會帶來額外的陰影衰減。

盡管無人機(jī)有前景的應(yīng)用很多，但在推廣前需要解決幾個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，在空中基站（BS）場景中使用無人機(jī)時(shí)，主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括無線電資源管理、飛行時(shí)間、無人機(jī)的最優(yōu)部署、軌跡優(yōu)化和性能分析。在空中用戶設(shè)備（UE）場景下，無人機(jī)的主要技術(shù)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(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)的通信網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。本章概述了使用無人機(jī)作為空中用戶設(shè)備和空中基站的情況，并討論了與空對地信道建模、機(jī)身陰影、無人機(jī)的最佳部署、軌跡優(yōu)化、資源管理以及與能源效率有關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)。