有风环境下的节能无人机通信：三维建模与轨迹设计

无人机（UAV）技术的快速发展为地面节点提供了灵活的通信服务。能效对于无人机的部署至关重要，尤其是旋翼无人机，其推进功率对风效应十分敏感。本文中，我们首先在随机风建模与三维受力分析的基础上，推导了旋翼无人机的三维广义推进能耗模型（GPECM）。基于GPECM，我们研究了一种无人机赋能的下行通信系统，其中旋翼无人机在随机风扰下飞行并为地面用户（GUs）提供通信服务。我们的目标是通过基于GPECM联合优化GUs间的三维轨迹与用户调度，最大化无人机的能效（EE）。我们将该问题建模为随机优化问题，由于缺乏实时风信息而难以求解。为此，我们提出了一种基于离线的在线自适应（OBOA）设计，包含离线阶段与在线阶段两个阶段。在离线阶段，我们基于风统计信息利用随机规划（SP）对风对无人机的影响取平均；随后在在线阶段，我们进一步优化瞬时速度以适应实时风。仿真结果表明，两个阶段优化得到的无人机轨迹均能更好地适应风速与风向的变化，并且相比无风方案实现了更高的能效。特别地，我们提出的OBOA设计可应用于风况剧烈变化的场景，并使无人机动态调整速度以在能效方面取得更优性能。