太阳能无人机通信系统的三维轨迹优化设计与资源分配

本文研究多载波太阳能无人机（UAV）通信系统的资源分配算法设计。具体而言，无人机由太阳能供电，可为多个地面用户提供可持续的通信服务。我们研究三维（3D）飞行轨迹与无线资源分配的联合设计，以最大化给定时段内的系统总吞吐量。作为性能基准，我们首先考虑离线资源分配设计，假设已知非因果的信道增益信息。该算法设计被建模为混合整数非凸优化问题，其中考虑了气动功耗、太阳能收集、有限储能容量以及用户的服务质量（QoS）要求。尽管优化问题非凸，我们通过对单调优化求解得到最优 3D 轨迹及最优功率与子载波分配策略。随后，我们聚焦于仅需实时与统计信道增益信息的在线算法设计。最优在线资源分配算法受离线方案启发，但计算复杂度高。因此，我们还基于连续凸近似提出了一种低复杂度的次优迭代在线方案。我们的结果揭示了太阳能收集与节能通信之间的权衡。具体而言，太阳能无人机先爬升至高空以收集充足太阳能，再下降到低空以减小其所服务用户通信链路的路径损耗。