蜂窝网络支持的无人机通信：一种连通性约束下的轨迹优化视角

将无人机（UAVs）集成到蜂窝网络中被视为一项有前景的技术，可显著提升无人机与现有地面用户的通信性能。本文首先概述蜂窝无人机通信的两种主要范式，即以无人机作为由地面基站（GBSs）服务的新型空中用户的蜂窝支持无人机通信，以及以无人机作为服务地面用户的新型空中通信平台的无人机辅助蜂窝通信。随后我们聚焦于前者，研究在与地面基站实际通信连通性约束下的新型无人机轨迹设计问题。具体而言，我们考虑一架蜂窝连接无人机从初始位置飞往最终位置的任务，期间需通过每个时刻关联一个地面基站来维持与蜂窝网络的可靠通信。我们的目标是在满足由最小接收信噪比目标规定的 GBS-无人机链路连通质量约束下，通过优化轨迹最小化任务完成时间。为求解这一非凸难题，我们首先提出一种基于图连通性的方法验证其可行性。接着，通过考察随时间变化的 GBS-无人机关联序列，获得关于最优无人机轨迹的有用结构结果，并基于此利用图论与凸优化技术提出两种高效方法，以求得高质量近似轨迹解。分析表明，所提方法能够实现复杂度与性能间的灵活权衡，并在多项式时间内给出任意接近最优解的方案。最后，我们给出结论性评述并指出若干值得未来探索的方向。