基于无人机的无线天线阵列的通信与控制

本文研究了将多架四旋翼无人机作为空中天线阵列为地面用户提供无线服务的有效使用方法。特别地, 在以最小化与地面用户通信所需空中服务时间为目标下, 提出了一种部署与运行由单天线无人机作为阵元构成的基于无人机的天线阵列系统的新框架。在所考虑的模型中, 通过最小化无线传输时间以及无人机移动与稳定所需的控制时间, 使服务时间最小。为最小化传输时间, 首先通过优化阵内无人机间距来最大化天线阵列增益。此时, 利用扰动技术, 通过求解连续的扰动凸优化问题来处理无人机间距优化问题。随后, 推导出无人机围绕阵列中心的最优位置, 使该用户的传输时间最小。给定所确定的无人机最优位置后, 无人机必须花费控制时间动态调整其位置以服务多个用户。为最小化四旋翼无人机的该控制时间, 基于无人机目的地及外力 (如风与重力) 最优调整旋翼转速。特别地, 利用 bang-bang 控制理论, 以闭式推导出最优旋翼转速及最小控制时间。仿真结果表明, 与相同数量无人机组成固定均匀天线阵列的固定阵列情形相比, 所提方法能显著减少对地用户的服务时间。结果还表明, 与固定阵列情形相比, 利用无人机天线阵列系统可将网络频谱效率提升 32%。