面向低空经济的无人机蜂群使能两级可动天线系统无线通信

无人机（UAV）因其三维机动性、灵活部署以及视距空对空/地通信链路等优势，被视为低空经济的关键使能平台。特别是，其固有的高机动性使得 UAV 特别适合在空中作为可动天线（MA）运行。在本文中，通过利用 UAV 蜂群的灵活机动性和 MA 的天线位置调整，我们提出了一种新颖的 UAV 蜂群使能两级 MA 系统，其中 UAV 不仅各自部署一个局部 MA 阵列，还通过蜂群协调将其各自的 MA 阵列形成一个更大规模的 MA 系统。我们构建了一个通用优化问题，通过联合优化 3D UAV 蜂群放置位置、各自 MA 的位置以及针对不同地面用户设备（UE）的接收波束成形，来最大化所有 UE 的最小可达速率。为了获得有用的见解，我们首先考虑每个 UAV 仅有一根天线的特殊情况，分别在单个 UE、两个 UE 和任意数量 UE 的不同场景下进行研究。特别地，对于双 UE 场景，我们在均匀平面波（UPW）模型成立的条件下，推导出了实现无用户间干扰（IUI）通信的最优 UAV 蜂群放置位置的闭式解，其中 UAV 蜂群形成了满足最小安全距离约束的均匀稀疏阵列（USA）。而对于具有任意数量 UE 的一般情况，我们提出了一种高效的交替优化算法来求解所构建的非凸优化问题。然后，我们将结果推广到每个 UAV 配备多根天线的情况。数值结果验证了所提出的低空 UAV 蜂群使能 MA 系统显著优于各种基准方案，这得益于对两级机动性的利用，从而为多 UE 通信创造了更有利的信道条件。