【摘 要】
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在5G和B5G通信技术快速发展的今天,用户对无线通信网提出了大容量和高可靠的要求,但传统蜂窝通信网在应急通信场景下难以有效保障用户的可靠接入。而无人机负载和续航等能力的提升为其搭载通信设备充当移动空中基站提供了可能性,因此结合无人机部署灵活快速的特点,无人机通信将成为灾区和流量热点地区提升通信保障能力的有效解决方案。尽管将无人机集群应用于应急通信具有重大现实意义,但无人机集群频繁的拓扑变换和复杂的
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在5G和B5G通信技术快速发展的今天,用户对无线通信网提出了大容量和高可靠的要求,但传统蜂窝通信网在应急通信场景下难以有效保障用户的可靠接入。而无人机负载和续航等能力的提升为其搭载通信设备充当移动空中基站提供了可能性,因此结合无人机部署灵活快速的特点,无人机通信将成为灾区和流量热点地区提升通信保障能力的有效解决方案。尽管将无人机集群应用于应急通信具有重大现实意义,但无人机集群频繁的拓扑变换和复杂的飞行轨迹使其难以直接应用传统路由协议以及系统级性能分析复杂度较高,因此大规模应用无人机应急通信系统亟需解决无人机集群在组网路由协议和系统级性能分析方面的问题。因此本文结合无人机集群路由优化和随机几何理论,对无人机应急通信系统集群组网路由和系统级性能分析两方面展开研究,主要工作内容和研究成果概述如下:（1）研究基于拓扑信息的无人机集群组网问题。首先,充分考虑了无人机集群的分布、飞行模式以及能源受限场景下无人机飞行速度与能耗的关系,并由此构建无人机集群系统的网络模型。此外,针对无人机集群拓扑变化频繁的特点,为了提高最优化链路状态协议（Optimized Link State Routing,OLSR）在无人机集群系统中的性能,本文基于无人机的拓扑信息对OLSR协议的消息发送机制进行了相应的优化,使其能灵活感知集群网络的拓扑结构变化,并给出了对应的HELLO消息格式和具体的消息发送周期计算规则。在仿真实验中,本文基于网络仿真软件Qualnet对比分析了不同路由协议的性能与开销,仿真结果验证了上述路由算法的有效性,提升了无人机集群组网的网络性能。（2）研究基于随机几何理论的无人机通信系统性能分析问题。首先,在上文无人机集群有效组网的基础上,本文结合空对地信道模型以及视距内、视距外传输下的信道衰落特性构建无人机应急通信系统的下行通信模型。针对当前研究中无人机飞行模式与实际工况差异较大以及马尔科夫模型理论分析较为复杂的问题,本文提出了一种适用于实际部署条件的无人机通信系统简易性能分析框架,该分析框架通过结合三维布朗运动、确定性运动和静止模型大幅降低了现有无人机飞行模型的局限性和复杂性。此外,本文基于随机几何理论对频谱效率和中断概率展开分析,推导出无人机应急通信系统性能的上界和下界,并基于蒙特卡洛方法仿真验证了该性能分析框架的可靠性与可行性,为网络运营商优化网络架构和无人机应急通信系统的大规模应用提供了借鉴。
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