基于无人机中继的全双工协作通信研究

发布时间：2020-08-14 07:47

【摘要】：在没有基础设施覆盖的地区,无人机(Unmanned Air Vehicles,UAVs)以其成本低、连接灵活等优点,在无线通信方面取得了长足的进展。本文研究了一种新型的无人机中继系统,可以获得高移动性和高性能的特征。本文主要研究内容如下:首先,提出了两种潜在的中继系统,分别是全双工单向中继(Full-Duplex One-Way Relaying,FD-OWR)系统和全双工双向中继(Full-Duplex Two-Way Relaying,FD-TWR)系统,目的是通过采用频谱效率的基于轨迹优化的放大转发(Amplify-and-Forward,AF)中继或解码转发(Decode-and-Forward,DF)中继来最大限度地提高通信的吞吐量。将不同的时隙分配给上行链路和下行链路,实现源节点和目的节点之间的全双工通信。文中还对两个通信系统的吞吐量进行了详细的性能比较。其次,在给定功率分配的情况下,采用连续凸优化算法得到了无人机的最优轨迹,结果表明,优化后的轨迹是一条曲线轨迹,无人机首先向源节点移动,然后向目的节点移动,最后到达最终位置。对于固定无人机轨迹,采用注水算法实现最优功率分配,结果表明,FD-TWR系统的吞吐量约为FD-OWR系统的两倍,与传统的静态中继相比,所提出的两种模型均能获得显著的吞吐量增益。在此基础上,提出了一种交替迭代算法来求解优化问题的联合最优解,提出了一个联合优化问题,通过联合优化无人机轨迹和源/中继传输功率,使通信系统的吞吐量最大化。在实际情况下,该问题受初始/最终位置、最大速度、最大功率和各节点信息因果关系的约束。数值结果表明,通过联合优化轨迹和功率,所提出的两种无人机全双工中继模型能够比传统的静态中继获得显著的吞吐量增益。而且,与固定中继轨迹相比,无人机在较短的轨迹范围内可以获得显著的吞吐量增益。最后,研究了固定圆形轨迹半径优化功率分配的吞吐量对比分析,结果表明,对于圆形轨迹,FD-TWR系统的吞吐量约为FD-OWR系统的两倍,二者的吞吐量增益均比静态中继好得多,却略低于直线轨迹的吞吐量。吞吐量在飞行初期与静态中继基本一致,何时开始增长与无人机飞行速度有关。进一步讨论了圆形轨迹下使吞吐量最优的无人机半径与源节点和目的节点之间距离的关系,结果表明,源节点和目的节点之间距离与最优的无人机半径呈线性关系且最优半径始终不大于源节点和目的节点之间距离的二分之一。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V19;TN925

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