【摘 要】
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应急通信是灾难救援场景中的重要部分。在自然灾害发生时,如果能够快速搭建应急通信网络,恢复受灾地区与外界的通信,便能有效地降低灾难带来的损失,对防灾减灾具有重要意义。而无人机具有低成本、可快速部署、广覆盖等特征,能够有效解决传统通信中地面基站部署成本高,部署速度慢,受地面因素限制大等问题,在应急通信领域有着不可替代的作用。通过对无人机基站的合理部署,可以充分发挥无人机的优势,为地面用户提供高质量稳定
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应急通信是灾难救援场景中的重要部分。在自然灾害发生时,如果能够快速搭建应急通信网络,恢复受灾地区与外界的通信,便能有效地降低灾难带来的损失,对防灾减灾具有重要意义。而无人机具有低成本、可快速部署、广覆盖等特征,能够有效解决传统通信中地面基站部署成本高,部署速度慢,受地面因素限制大等问题,在应急通信领域有着不可替代的作用。通过对无人机基站的合理部署,可以充分发挥无人机的优势,为地面用户提供高质量稳定的通信服务。为了从系统的角度对基于无人机的无线网络系统性能进行分析验证,本文搭建了系统级仿真平台并进行了相关的仿真与研究工作,主要研究内容包括:首先,本文设计并搭建基于无人机的无线网络系统级仿真平台。重点搭建了平台的初始化模块、时间推移模块、基站模块、用户模块和移动性模块,能够实现无人机基站在静态部署和动态部署两种部署方式下为地面用户提供接入服务的功能。然后,基于所搭建的系统级仿真平台,本文分别对载波频率、飞行旋转半径和天线配置等关键参数对系统性能的影响进行了仿真评估。仿真结果表明,当采用700MHz载波频率通信时,无人机基站采取静态部署方式下的系统性能会优于动态部署方式,能够使得最低用户速率满足2k视频传输需求。而采用2.4GHz或3.5GHz载波频率通信时,相比起静态部署方式,无人机采用动态部署的方式能够使最低用户速率提升大约239%,满足1080p视频传输需求。在动态部署方式下的飞行半径选择上,仿真结果表明,无人机基站的飞行旋转半径为用户分布区域半径的一半时,能够使系统性能达到最优。当无人机基站的天线数从4根增加到16根时,扇区的整体速率提升了约22.0Mbps,最低用户速率提升了约3.0Mbps。最后,为了提高应急通信场景下基于无人机的无线网络系统性能,本文对无人机的飞行轨迹和多无人机基站动态部署的场景进行了研究。首先针对无人机飞行轨迹设计,构建了扇区整体速率最大化的优化问题,提出了基于地面用户位置和梯度下降的无人机飞行轨迹算法,得到无人机基站位置更新信息。仿真结果表明,该算法能够有效地利用地面用户位置信息,优化基于无人机的无线网络系统的整体性能和最低用户速率,并能随着用户的位置移动而不断优化自身轨迹。考虑到单无人机服务场景会给用户造成延迟通信,本文还对多无人机动态部署的场景进行了仿真评估。仿真结果表明,多无人机动态部署能够有效地降低用户的通信等待时长,极大地提高通信系统整体的性能。本论文对基于无人机的无线网络系统进行了仿真评估和性能优化,为基于无人机的无线网络系统未来应用提供了仿真数据支持和理论保障。
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