第1章 绪 论
1.1 无人机的发展
无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）是一种由无线电遥控设备或自身程序控制的无人驾驶飞行器。无人机*早出现的时间是在第一次世界大战以后。1917年，第一台自动陀螺稳定器诞生，这种装置能够使飞机保持平稳向前飞行。美国军方借助这项技术将海军寇蒂斯N-9型教练机改造为无线电控制的无人飞行器，这就是世界上的第一架无人机，而此时的无人机还处于研究初期，并未参与实战。到了第二次世界大战后，随着电子技术的进步，无人机被广泛应用于战场侦察。1982年，以色列航空工业公司首次使用无人机进行侦察、情报收集、跟踪和通信等[1]。
在海湾战争之后，以美国为首的西方国家充分认识到无人机在战场环境中的作用，竞相把高新技术应用到无人机的研制上，无人机因此进入了飞速发展阶段，在续航时间、数据传输速率、安全性、稳定性等方面都得到了较大的提升。近年来，无人机进一步武器化，可以执行对地攻击、拦截导弹等空中作战任务，逐渐发展成为真正的作战装备[2]。
除军事用途外，由于无人机具有制造成本低廉、易于维护、飞行轨迹可控、有效载荷能力不断增强、通信链路质量好、易于部署等优点，被广泛应用于民用领域。随着深圳市大疆创新科技有限公司等公司的发展和对民用无人机的推广，无人机正在被广泛应用于多种场景，包括通信中继、通信基站、灾害救援、环境监测、电力线巡检、航拍等，预计未来的应用场景将不断扩大。
根据无人机的构造，可以将其分为以下三种类型[3]。
（1）多旋翼无人机（也称为旋翼无人机），可以垂直起飞和降落，并且可以悬停在固定位置上持续执行任务。这种高机动性使其适用于无线通信场景，因为它们可以高精度地将基站部署在所需的位置上，或者携基站按指定的轨迹飞行。但是多旋翼无人机的机动性有限，并且能量效率较低。
（2）固定翼无人机，可以在空中滑行，显著提高能量效率，并且载重较大。同时相比于多旋翼无人机，固定翼无人机能以更快的速度飞行。固定翼无人机的缺点是：无法进行垂直起降，并且不能悬停在固定位置上。
（3）混合型无人机，混合型无人机形似鹦鹉，它可以垂直起飞，通过在空中滑行快速到达目的地，然后使用四个旋翼切换到悬停状态。
伴随着无人机的学术研究和工业推广的不断演进，无人机吸引了很多大型企业以及国内外学者的高度关注。Google推出的气球互联网项目目前已经可以使用空中无人机（气球）为偏远和农村地区提供持续的互联网服务[4]。亚马逊的航空项目预计将启动一个基于无人机的包裹递送系统[5]。高通公司和美国电话电报公司计划在第五代无线通信网络中部署无人机，以实现大规模无线通信[6]。欧洲研究委员会（European Research Council，ERC）在Perfume项目中提出了“自主空中蜂窝中继机器人”的概念，其中无人机作为中继能够增强现有商业终端的连通性，提高吞吐量[7]。Facebook提出的Aquila项目旨在利用无人机为偏远地区提供网络覆盖，该项目中无人机能够以18～20km的高度沿自定义的轨迹飞行，通信覆盖范围约为100km[8]。
1.2 无人机通信与组网的应用场景
多架无人机构成的无人机集群通常需要高效的通信技术。对此，很多学者在无人机无线通信领域进行了深入的研究。Shakhatreh等组织了一项全面的调研，重点关注无人机在能量收集、防碰撞、网络安全等方面遇到的挑战，并就如何处理这些挑战提出了重要见解[9]。Cao等对无人机在低空平台（low altitude platform，LAP）、高空平台（high altitude platform，HAP）和综合机载通信系统中的通信协议与技术进行了研究[10]。Sekander等从频谱效率的角度分析了多层次无人机通信系统面临的各种挑战[11]。Khawaja等对空对地（air to ground，A2G）信道测量以及各种衰落信道模型面临的挑战和未来的研究方向进行了广泛的调研[12]。Zeng等对无人机无线通信的体系结构、信道特性、方案设计和未来机遇进行了综述[13]。Khan等为多层无人机自组织网络提出了一种去中心化的通信范式，并提出了许多适用的路由协议[14]。Jiang和Han调查了*具代表性的无人机路由协议，并比较了现有的路由协议的性能[15]。Lu 等介绍了为提高无人机飞行时长而设计的无线充电技术[16]。他们把无线充电技术分为基于非电磁和基于电磁两种类型。Mozaffari等给出了无人机无线网络的整体调研，并回顾了为解决开放问题而设计的各种分析框架和数学工具，同时他们还全面概述了无人机在各种无线网络场景中的潜在应用和未来研究方向[17]。游文静等从系统架构的角度对分簇和联盟两种分层架构的近期研究成果进行了介绍和分析，讨论了大规模网络节点给无人机自组网带来的通信挑战[18]。卓琨等重点对多址接入控制（multiple access control，MAC）协议、路由协议、传输协议、跨层设计和机会网络这 5 个方面的研究进展进行了系统概述[19]。
通过上述文献调研，可以将无人机无线通信场景分为两大类。
（1）无人机辅助地面通信：无人机作为空中通信平台，通过安装通信收发器在高流量需求的情况下向地面用户提供增强的通信服务[20-22]。与固定在地面的基础设施相比，无人机辅助地面通信有很多优势：无人机可以按需灵活部署，特别适合野外紧急搜救等场景；无人机和地面用户通信时有更好的视距链路，提高用户调度和资源分配的可靠性；无人机的高机动性增强了通信的自由度，可根据地面通信需求调整位置。这些优势使无人机辅助地面通信成为蜂窝网络和5G网络研究的热点。目前无人机辅助地面通信的应用场景可以分为无人机基站，无人机辅助车联网、物联网等。
（2）无人机独立组网：多架无人机以自组织方式进行通信，可以在地面基础设施受限的地理区域扩大通信范围。无人机独立组网的优势在于即使某个节点无法与基础设施直接连接，仍可通过其他无人机进行多跳通信连接到基础设施；即使某个节点因故障离开网络，仍可利用独立组网的自愈性维持网络的稳定运行。在无人机独立组网性能分析方面，在评估无人机独立组网性能的同时需要考虑无人机的移动性，由于涉及空间和时间两个维度的变化和联系，无人机独立组网的性能分析仍然是个难题。此外，无人机独立组网的研究还包括多址接入协议、路由协议和高可靠、低时延的资源分配和轨迹优化等方面的难题。
1.3 无人机通信与组网的研究方向
由于无人机处于快速飞行的状态，多普勒频移等因素导致无人机无线通信链路存在不稳定性；无人机具有机动性高、灵活性强等特点，导致无人机网络拓扑动态变化。这些因素都给无人机通信网络的部署和应用带来了巨大的挑战。因此，亟须从理论上探索环境和无人机动力学等参数对无人机网络通信连通性（可靠性）和网络容量性能（有效性）的影响，为无人机网络的设计和优化提供理论指导。在此基础上，从协议设计和频谱利用两方面，提升无人机网络的性能。*后研究无人机网络联合路径规划与资源管理方案，利用通信与控制联合优化的方法提升无人机网络的资源利用率。
1.3.1 无人机通信与网络的性能分析
研究无人机A2G、空对空（air to air，A2A）通信的性能对优化无人机部署和网络设计都有重要的指导意义。目前学术界对无人机通信性能分析的研究现状如下。Wei 等研究了无人机基站的网络容量，以及无人机数量对网络容量与路径损耗的影响[23]。Yuan等分析了无人机基站空地链路容量和随机三维轨迹之间的联系[24]。Liu 等为了提高空地通信的频谱效率引入了非正交频分多址接入技术[25]。Bai 等设计了高速无人机空地通信链路下的波束形成器，并采用特殊的功率控制方法以提供高健壮性和高质量的空地无线链路[26]。Qiu 等利用凸优化理论对带内无线回程的无人机基站（UAV-mounted base stations，UBS）部署和动态资源配置进行了研究[27]。文献[28]研究了空对空通信链路共享地面蜂窝网络上行用户的频段时，在频段复用和正交共用两种条件下的覆盖概率，并给出了*佳频谱共享方案。文献[29]研究了空对空通信系统的保密性能，推导了保密掉话概率和平均保密容量的闭式表达，并用蒙特卡罗方法验证了模型的正确性。文献[30]对无人机飞行轨迹进行设计，基于逐次凸逼近和经典Dinkelbach方法研究了一种节能的无人机空地通信方案。
此外，第三代合作伙伴计划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）也对蜂窝网络中的A2G、A2A信道进行了建模研究。基于不同的流量需求和信道特征，3GPP对蜂窝网支持无人机和地面用户场景下的服务性能进行了比较分析，发现无人机比地面用户更容易发生上下行链路干扰。针对无人机上下行链路干扰问题，3GPP提出了一些降低干扰的技术，包括无人机与基站的连接切换技术（无人机移动性增强技术）、下行传输技术以及上行传输技术。
1.3.2 无人机网络的协议设计
MAC协议对于协调无人机接入共享无线媒介非常重要。MAC协议属于数据链路层，它规范了使用相同的传输媒介的用户接入媒介的行为准则，对网络性能有着重要的影响。多址接入协议本质上研究的是如何有效利用无线频谱，避免终端共享频谱资源时的竞争和冲突。针对不同的场景，多址接入协议设计的侧重点也不同。
（1）无人机辅助无线传感器网络的多址接入协议：在无人机数据采集场景下，Say 等提出的协议旨在提供一种有效节能的数据收集方式，引入了传输优先技术和循环优化帧选择技术[31]。同时为了解决丢包问题，让属于不同帧的两个传感器节点组成搭档，一个节点丢包后可以将数据包发给搭档。Ho和Shimamoto根据收到信标的功率确定传感器的位置并划分子组优先级[32]。Li等研究了信息在传感器网络中的分布，提出了一种基于动态优先级分配的A-OAloha协议[33]。Ma等基于传感器节点与无人机之间的传输速率和接触持续时间变化，提出了基于固定信标持续时间和主动调度的混合MAC协议来协调传感器之间的数据通信[34]。
（2）无人机自组网的多址接入协议：利用无人机的移动性，Liu等针对无人机传感器网络的两种数据传输模式（存储-携带-转发传输模式和多跳传输模式），设计了一种包含时延容忍模式的多址接入协议[35]。Zheng等提出了一种新的基于多信道负载感知的分布式MAC协议，协议包括多优先级排队与调度机制、分组接纳控制机制、信道占用统计与预测机制、退避机制和多信道分配机制[36]。Cai 等提出的协议代替了传统的竞争额外空闲时隙的方法，节点自动将当前空闲时隙转移到高负载的空闲时隙[37]。Huang等提出的飞行自组网协议为了自适应地改变连续波的大小，引入了与无人机间距动态相关的触发状态参数邻居集群势能（collective neighboring potential，CNP）[38]。
除了MAC协议，无人机自组网的另一个研究热点是路由协议。目前的无人机自组网路由协议可按照有无地理位置辅助分为两大类。其中无地理位置辅助的路由又可以根据网络规模大小划分为平面路由和分级路由。其中平面路由适用于中小型无人机网络，具备较强的网络健壮性。平面路由中两个重要的研究方向是先应式路由和反应式路由，先应式路由的节点会定期广播路由信息，因为需要时刻维护网络拓扑，所以开销较大，但是时延较低，如*优链路状态路由（optimized link state routing，OLSR）协议和目的序列距离矢量（destination sequenced distance vector，DSDV）路由协议；反应式路由的节点只在通信时发起路由，因此路由开销小，但是时延较高，如按需距离矢量（ad hoc on-demand distance vector，AODV
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