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UAV Drones Wireless Networks

无人机(UAV)网络:5G 里的无人机,以及无人机机场该建在哪

什么是无人机网络:无人机在 5G 无线网络里怎么充当空中基站,又怎么作为空中用户接入网络;两篇对我影响很大的论文,以及我自己关于无人机机场选址的研究。

无人机(UAV)网络:5G 里的无人机,以及无人机机场该建在哪

无人机网络(UAV 网络)指的是有无人机参与的无线网络,参与方式大致有两种:一种是无人机充当空中基站或中继,把覆盖和容量送到地面网络够不着、或者扛不住的地方;另一种是无人机本身作为空中用户,像手机一样接入蜂窝网络,网络得在三维空间里为它们服务。

背景
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自从有了平价无人机,用的人一直在增加,主要因为它机动性强,能干各种别的办法不好干的空中活儿。眼下5G近在眼前,研究者们正在找更好的办法安排无人机的位置,不管是在空中飞的时候,还是两次飞行之间停在地面的时候。位置摆对了,蜂窝连接质量会更好,空中用户设备和地面设备之间的平均延迟也能降下来。

A Tutorial on UAVs for Wireless Networks: Applications, Challenges, and Open Problems
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UAV的类型
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无人机分类

论文[1]用一张树状图给UAV分类,一层层分到各个子类。

无人机分类

Beyond 5G with UAVs: Foundations of a 3D Wireless Cellular Network
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简介
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  • 无人机大规模投入使用,会给无线网络带来很大影响。
  • 应用场景包括热成像、包裹递送、空中基站。
  • 这篇论文研究的是3D空间里的低空无人机用户设备,由高空平台(飞艇这类UAV)上的接入点为它们提供服务。

背景
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  • 以往的研究忽视了无人机本身在飞行中作为用户设备(UE)的情况。
  • 关于无人机网络用户关联的已有研究,都没有考虑空中基站。

系统模型
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  • 两类无人机:高空无人机充当接入点,服务低空的用户设备无人机。
![系统模型](/img/posts/drones/systemmodel.jpg)

运输理论
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![系统过程](/img/posts/drones/model.jpg) - 作者用最优运输理论来决定每台无人机UE接入哪个空中基站。仿真结果显示,相比经典的基于SINR的关联方式,平均延迟最多能降低46%。

我的研究
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Facility Location Problem Approach for Distributed Drones
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这篇论文从两个空白出发:政府和航空管理部门迟早会限制无人机能起降的地方,而现有的无人机研究大多直接假定无人机从哪里出发,却不说明理由。于是我们提出了无人机机场,也就是供无人机起降和充电的固定地点,再加上一个从设施选址问题推导出来的算法:从一组候选位置里选出机场,让无人机飞到区域内各个任务点的平均距离最短。它给出的是接近最优的布点,能降低无人机的整体能耗。之后我们又用了几种旅行商问题算法,求出无人机走完所有任务点的最短路线。

无人机机场布点

上图展示的就是这个想法:把无人机机场设在需求高的区域。大的彩色机场是被选为最优的布点,小的灰色机场是候选位置里没被选上的那些。

设施选址问题
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套用设施选址问题,无人机机场的布点就变成了一个优化问题:给定预算和一组候选位置,找出最合适的建站地点。

参考文献
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[1] Mozaffari, Mohammad, et al. “A tutorial on UAVs for wireless networks: Applications, challenges, and open problems.” arXiv preprint arXiv:1803.00680 (2018).

[2] Mozaffari, Mohammad, et al. “Beyond 5G with UAVs: Foundations of a 3D wireless cellular network.” IEEE Transactions on Wireless Communications 18.1 (2019): 357-372.

[3] Lynskey, Jared, et al. “Facility Location Problem Approach for Distributed Drones.” Symmetry 11.1 (2019): 118.