無人機無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目錄TOC\h\h第1章無人機網(wǎng)絡(luò)的信道模型\h1.1引言\h第2章無人機到可穿戴設(shè)備系統(tǒng)的超寬帶通道測量與建模\h2.1引言\h第3章利用強化學(xué)習(xí)優(yōu)化無人機部署的多智能體協(xié)同方法\h3.1引言\h第4章基于強化學(xué)習(xí)的多無人機協(xié)同優(yōu)化部署方法\h4.1引言\h第5章基于毫米波無人機輔助的5G混合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的性能\h5.1無人機部署的意義\h第6章認知無線電網(wǎng)絡(luò)中用于物理層安全的無人機協(xié)同干擾\h6.1引言\h第7章空中移動網(wǎng)絡(luò)的智能反射面輔助定位技術(shù)\h7.1引言\h第8章基于無人機的災(zāi)難恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)性能分析\h8.1引言\h第9章用于鎖定場景智能監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)輔助無人機通信\h9.1引言\h第10章用于農(nóng)業(yè)的無人機：基于物聯(lián)網(wǎng)場景的概述\h10.1引言\h第11章空中系統(tǒng)和水下監(jiān)測\h11.1引言\h第12章未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的需求、安全威脅與相關(guān)問題\h12.1引言\h第13章未來研究熱點第1章無人機網(wǎng)絡(luò)的信道模型1.1引言無人機（UAV）的高機動性、易操作性和可負擔(dān)的價格使其廣泛應(yīng)用于各種民用領(lǐng)域，如救災(zāi)、空中攝影、遠程監(jiān)控和連續(xù)遙測等。當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害時，或者當(dāng)熱點地區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)資源將被耗盡時，可以使用無人機實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)[1]。高通公司已經(jīng)開始進行5G蜂窩應(yīng)用的現(xiàn)場試驗[2]。Google和Facebook公司也在利用無人機為偏遠地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)[3]。根據(jù)不同環(huán)境下的應(yīng)用和目標(biāo)，選擇適當(dāng)類型的無人機對于滿足預(yù)期服務(wù)質(zhì)量（QoS）至關(guān)重要。對于任何特定的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，必須考慮無人機的飛行高度及其性能。根據(jù)飛行高度可以將無人機分為低空平臺（LAP）和高空平臺（HAP）；根據(jù)結(jié)構(gòu)，又可以將無人機分為固定翼無人機和旋翼無人機。與旋翼無人機相比，固定翼無人機為了保持飛行高度，需要一直向前飛行；旋翼無人機則適用于需要無人機在特定區(qū)域內(nèi)保持相對靜止的應(yīng)用。這兩種類型無人機的飛行時間主要取決于其攜帶的能源、重量、飛行速度和軌跡?；跓o人機的通信網(wǎng)絡(luò)的突出特點是空對地和空對空傳播信道。準(zhǔn)確的信道建模對于滿足終端用戶日益增長的數(shù)據(jù)需求是必不可少的?，F(xiàn)有的空對地傳播信道模型是為地面通信或高海拔地區(qū)的航空通信設(shè)計的。這些模型對于在城市環(huán)境中使用小尺寸無人機的低空無人機通信是不適用的?？諏Φ匦诺谰哂懈叩囊暰€（LoS）傳播概率，這可以降低發(fā)射功率，且可靠性高。在非視線（NLoS）情況下，陰影和衍射損失可以通過無人機和地面設(shè)備之間的大仰角得到補償。由于多普勒頻移，無人機的移動會導(dǎo)致空對地和空對空信道傳播時間發(fā)生明顯的變化。小型無人機的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)角變化較大，可能會出現(xiàn)機身陰影。此外，無人機機身的獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料可能會帶來額外的陰影衰減。盡管無人機有前景的應(yīng)用很多，但在推廣前需要解決幾個技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，在空中基站（BS）場景中使用無人機時，主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括無線電資源管理、飛行時間、無人機的最優(yōu)部署、軌跡優(yōu)化和性能分析。在空中用戶設(shè)備（UE）場景下，無人機的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括干擾管理、交接管理、延遲控制和三維定位。因此，在這兩種情況下，信道建模對于實現(xiàn)基于無人機的通信網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。本章概述了使用無人機作為空中用戶設(shè)備和空中基站的情況，并討論了與空對地信道建模、機身陰影、無人機的最佳部署、軌跡優(yōu)化、資源管理以及與能源效率有關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)。1.2無人機的分類，4]為了確定執(zhí)任務(wù)的無人機類型，需要考慮具體的任務(wù)、環(huán)境條件以及當(dāng)?shù)孛裼煤娇找?guī)定。此外，對于任何特定的無人機無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，還應(yīng)考慮如無人機的數(shù)量、最佳部署方案和對于預(yù)期服務(wù)質(zhì)量的要求等因素。根據(jù)飛行高度，可將無人機分為低空平臺無人機和高空平臺無人機。低空平臺無人機可以在幾十米到幾千米的高度飛行[4]。為了避免與商業(yè)航班發(fā)生空中碰撞，一些國家的民航部門將無人機的飛行高度設(shè)定為幾百米。例如，表1.1列出了在無飛行許可證的情況下，不同國家對低空平臺無人機部署的規(guī)定[5]。高空平臺無人機通常指飛行高度在17km以上的無人機。此時，無人機通常是準(zhǔn)靜止的[1。表1.1不同國家對低空平臺無人機部署的規(guī)定對于實時性要求較高的應(yīng)用，如緊急服務(wù)，低空平臺無人機比高空平臺無人機更適合，因其可以實現(xiàn)快速部署、快速移動，具有一定的成本效益。低空平臺無人機還可用于從地面收集傳感器數(shù)據(jù)。此時，低空平臺無人機需要隨時更換電池或充電。相比之下，高空平臺無人機因其長時間（數(shù)天或數(shù)月）的飛行和對地面更廣泛的覆蓋而成為該場景下的首選[1]。然而，隨著高空平臺無人機部署時間的增加，其飛行成本也會顯著提高。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，無人機也可以分為旋翼無人機和固定翼無人機。旋翼無人機由旋轉(zhuǎn)的葉片提供動力，根據(jù)葉片數(shù)量的不同，它們被稱為四旋翼、六旋翼或八旋翼。固定翼無人機是指由小尺寸發(fā)動機驅(qū)動螺旋槳來提供動力的無人機，其機翼是固定的。無人機的飛行時間取決于幾個關(guān)鍵因素，如類型、重量、速度、能量來源（電池或發(fā)動機）以及飛行軌跡。1.3基于無人機的無線通信無人機可以作為空中用戶設(shè)備和空中基站，如圖1.1所示。例如，使用無人機為那些車輛難以到達地區(qū)提供空中監(jiān)視是一種更具成本優(yōu)勢的解決方案。在這種情況下，配備攝像頭和傳感器的無人機可以收集地面上特定目標(biāo)的視頻、實時圖像信息以及傳感器數(shù)據(jù)。無人機通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施與地面用戶協(xié)調(diào)，在達到預(yù)期服務(wù)質(zhì)量要求的同時，以一定的可靠性、吞吐量和延遲來傳輸所收集的信息。圖1.1中的第一種情況（左側(cè)）要求空中用戶設(shè)備和至少一個地面基站有較好的連接。然而，當(dāng)存在空中干擾的用戶設(shè)備時，預(yù)計性能會下降。此外，還必須研究空中用戶設(shè)備、地面用戶設(shè)備和蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之間的共存問題。圖1.1無人機可以作為空中用戶設(shè)備和空中基站無人機具有移動性，可以在未來的無線網(wǎng)絡(luò)中作為空中基站進行部署。在這種情況下，無人機可以根據(jù)不同需求動態(tài)地提供額外容量。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商可以利用無人機網(wǎng)絡(luò)的這一優(yōu)勢，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴容，擴大覆蓋面積，或在緊急情況下實現(xiàn)快速部署。此外，由于無人機和地面用戶之間的有利傳播條件，定位服務(wù)的精度可以得到提高。圖1.1中的第二種情況（右側(cè)）需要在空中基站與所有地面用戶設(shè)備之間建立更好的聯(lián)系。與固定基站相比，空中基站能夠調(diào)整飛行高度實現(xiàn)良好的視線傳播。這種情況下的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是空中基站的最優(yōu)部署，即在當(dāng)前情況下實現(xiàn)最大的覆蓋范圍，并獲得更高的數(shù)據(jù)吞吐量。1.4無人機通信中的信道建模在無線通信中，無線信道是發(fā)射器和接收器之間的通信空間。很明顯，無線網(wǎng)絡(luò)的性能受到傳播信道特性的影響。因此，關(guān)于無線信道的研究對于設(shè)計基于無人機網(wǎng)絡(luò)的無線通信很有意義。此外，無線信道的特征與無人機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建模對網(wǎng)絡(luò)性能的分析至關(guān)重要。大部分的信道建模工作都是針對基于地面固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線信道。然而，由于無人機的移動性和小尺寸，這些信道模型可能并不完全適用于使用無人機的無線通信。無人機和地面用戶之間的空對地信道意味著更高的鏈路可靠性，并且由于視線傳播的概率更高，只其傳輸功率更低。在非視線的情況下，功率變化較大，因為空對地鏈路的地面一側(cè)被障礙物包圍，對傳播有不利影響。圖1.2描述了基于無人機蜂窩網(wǎng)絡(luò)的空對地傳播信道，并顯示了信道的視線和非視線之間的區(qū)別，其中d是傳播距離。時間的變化和多普勒位移是由無人機的移動引起的。因此，無人機移動模式的多樣性與不同的操作環(huán)境是空對地信道建模的挑戰(zhàn)。此外，其他因素（如機身陰影和機載天線的位置、特性）也會影響接收功率的強度。p圖1.2基于無人機蜂窩網(wǎng)絡(luò)的空對地傳播信道空中無人機之間的空對空信道與空對地信道相似，可以實現(xiàn)視線傳播。然而，由于無人機的機動性較高，其多普勒偏移也會升高。因此，多個無人機之間的位置很難保持一致。準(zhǔn)確的空對地和空對空傳播信道模型對于無人機通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化部署和設(shè)計是必不可少的。本節(jié)將討論最近在空對地和空對空傳播信道建模方面的工作。背景知識在無線通信中，電磁波從發(fā)射器向多個方向輻射。在其到達接收器之前會與周圍環(huán)境相互作用，此時會出現(xiàn)幾種傳播現(xiàn)象。由于自然界的障礙物和人工建筑物的影響，會出現(xiàn)反射、散射、衍射和穿透等傳播現(xiàn)象，如圖1.3所示，這些現(xiàn)象引發(fā)了無人機發(fā)射信號的多重實現(xiàn)，通常被稱為多徑分量（MPC）。因此，接收器收到的每個分量都有不同的振幅、相位和延遲。結(jié)果信號是傳輸信號的多個副本的疊加，它們可以根據(jù)各自的隨機相位進行破壞性的干擾[6]。通常情況下，幾種衰減機制以dB為單位線性相加，可以將無線電信道表示為式中，PL是與距離有關(guān)的路徑損耗，X是由環(huán)境引起的大規(guī)模功率變化造成的衰減，X是小尺度衰減。信道模型的參數(shù)，如路徑損耗指數(shù)和LoS概率，取決于海拔高度，因為傳播條件在不同的海拔高度會發(fā)生變化。根據(jù)海拔高度通常信道分成以下三個：LS（1）地面信道。對于郊區(qū)和城市環(huán)境，海拔高度分別在0～10m和0～22.5m之間[7]。在這種情況下，地面信道模型可用于模擬空對地傳播，因為空中的無人機低于屋頂水平。因此，非視線傳播是傳播中的主要組成。（2）受阻的空對地信道。對于郊區(qū)和城市環(huán)境，海拔高度分別為10～40m和22.5～100m。在這種情況下，視線傳播的概率比地面信道要高。（3）高海拔的空對地信道。在100～300m及以上的高度，所有頻道都處于視線傳播狀態(tài)。因此，傳播環(huán)境與自由空間類似。此外，這些信道也沒有出現(xiàn)陰影。圖1.3城市環(huán)境中空對地傳播的多種路徑1.路徑損耗和大尺度衰落空對空信道自由空間路徑損耗模型是最簡單的信道模型，可以代表空對空傳播時在相對高空環(huán)境中的傳播。因此，接收功率由參考文獻[6]給出：式中，P表示發(fā)射信號功率，G和G分別代表發(fā)射器和接收器天線的增益，d是發(fā)射器和接收器之間的地面距離，λ是載波波長。路徑損失指數(shù)（η）是與距離有關(guān)的功率損失率，其中η隨環(huán)境不同變化。在自由空間傳播時η=2。因此，與距離有關(guān)的路徑損耗表達式可以被概括為TTRc空對地信道在城市環(huán)境中，空對地信道幾乎沒有自由空間傳播的情況。在現(xiàn)有的關(guān)于無人機通信的文獻中，對數(shù)距離模型因其簡單性和在環(huán)境參數(shù)難以定義時的適用性，成為了最常用的路徑損耗模型。因此，以dB為單位的路徑損耗由以下公式給出：式中，是參考距離d的路徑損耗。在同一環(huán)境中的不同位置，即使地面設(shè)備和無人機之間的傳播距離相同，信號傳播的大規(guī)模變化也是不同的。這是由于障礙物的材料不同，對信號傳播的影響程度也不同。因此，對于距離d，式（1.1）中的X是以dB為單位的陰影衰落。X被建模為以dB為單位、方差為σ的正態(tài)隨機變量。這個模型被廣泛地應(yīng)用于地面信道的建模。表1.2列出了一些用于估計路徑損耗和大規(guī)模空對地傳播衰減的測量活動。0LL表1.2估計路徑損耗和大規(guī)?？諏Φ貍鞑ニp的測量活動（續(xù)）另一個廣泛使用的用于描述無人機通信中空對地傳播的信道模型是參考文獻[4]和參考文獻[17]中的概率路徑損耗模型。在參考文獻[17]中，地面設(shè)備和無人機之間的路徑損耗取決于無人機的位置和傳播環(huán)境（如郊區(qū)、城市、密集的城市、高樓）。因此，在空對地?zé)o線電傳播期間，通信鏈路可以是視線或非視線，這取決于環(huán)境。許多關(guān)于無人機通信的現(xiàn)有工作[18-35]采用了參考文獻[4]和參考文獻[17]的概率路徑損失模型。在這些工作中，視線或非視線鏈接發(fā)生的概率是關(guān)于環(huán)境參數(shù)、建筑物的高度以及地面設(shè)備和無人機之間仰角的函數(shù)。該模型是基于國際電信聯(lián)盟（ITU）建議中定義的環(huán)境參數(shù)。特別地，ITU-R提供了與環(huán)境有關(guān)的統(tǒng)計參數(shù)，這確定了建筑物或障礙物的高度、數(shù)量和密度。例如，在參考文獻[36]中，建筑物的高度可以通過使用瑞利分布進行建模。在參考文獻[17]中，空對地傳播的平均路徑損耗為式中，PLLoS和PLNLoS分別是自由空間傳播的視線和非視線路徑損耗。?LoS是視線傳播的概率，其公式為式中，A和B是與環(huán)境有關(guān)的常數(shù)，是地面用戶與無人機之間的仰角，h是無人機的高度，d是無人機的地面投影與地面設(shè)備之間的距離。根據(jù)式（1.6），當(dāng)仰角隨著無人機高度的增加而增加時，阻塞效應(yīng)就會減少，空對地傳播就會產(chǎn)生更多視線傳播。這個模型的優(yōu)點是它適用于不同的環(huán)境和不同的無人機高度。然而，由于缺乏與統(tǒng)計參數(shù)相關(guān)的信息，它無法捕捉到空對地傳播在山區(qū)和水面對路徑損耗的影響。傳統(tǒng)的蜂窩通信信道模型可用于無人機高度在1.5～10m之間的無人機通信。第三代標(biāo)準(zhǔn)化合作伙伴項目（3GPP）在參考文獻[7，37]中為農(nóng)村環(huán)境設(shè)計了宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型。由于視線和非視線路徑被分開處理，視線傳播的概率被表示為在根據(jù)式（1.7）知道視線傳播的概率后，就可以計算出路徑損耗和大規(guī)模衰減。隨著通信節(jié)點位置的變化，路徑損耗也會發(fā)生變化，可以描述為其中，式中，f、h、ω和c分別為載波頻率、地面基站的高度、街道的平均寬度和光速。cG對于無人機在高度10～40m之間的空對地傳播受阻，農(nóng)村環(huán)境中宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)的視線傳播概率可計算為[7]其中，視線和非視線鏈接的路徑損失可以計算為在空對地傳播中高度在40m＜h≤300m時，視線傳播的概率為1，其路徑損失可以根據(jù)式（1.17）計算。2.小規(guī)模衰減小規(guī)模衰減是指在短距離或短時期內(nèi)，由于多徑分量的建設(shè)性或破壞性干擾，接收信號的振幅和相位的隨機波動。對于不同的傳播環(huán)境和無線系統(tǒng)，人們提出了不同的分布模型來分析接收信號包絡(luò)的隨機變化。萊斯分布和瑞利分布是無線通信文獻中廣泛使用的模型，兩者都是基于中心極限定理的。萊斯分布為空對空和空對地信道提供了更好的擬合，其中視線傳播的影響較強。當(dāng)多徑分量以隨機的振幅和相位沖擊接收器時，小規(guī)模的衰減效應(yīng)可以由瑞利分布來捕捉[6]。幾何分析、數(shù)值模擬和經(jīng)驗數(shù)據(jù)被用來獲得隨機消退模型[38-40]。基于幾何的隨機信道模型（GBSCM）是最流行的小規(guī)模消退模型類型。GBSCM又分為基于幾何規(guī)則的隨機信道模型（RS-GBSCM）和基于幾何不規(guī)則的隨機信道模型（IS-GBSCM）?；趲缀尾灰?guī)則的時變隨機信道模型在參考文獻[41]中提出，基于幾何規(guī)則的隨機信道模型在參考文獻[42]和參考文獻[43]中提出。這些工作說明小規(guī)模衰落符合萊斯分布。在參考文獻[44]中，提出了非幾何隨機信道模型（NGSCM），其中空對地傳播的小規(guī)模效應(yīng)通過萊斯和Loo模型進行建模。表1.3提供了不同環(huán)境下空對地傳播的小規(guī)模衰減的測量。表1.3不同環(huán)境下空對地傳播的小規(guī)模衰減的測量1.5無人機支持的無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵研究挑戰(zhàn)本節(jié)討論了在實際部署中無人機作為空中無線節(jié)點所面臨的一些關(guān)鍵研究挑戰(zhàn)。1.5.1無人機的最佳部署，29，30，33，33]基于無人機的通信中，關(guān)鍵研究挑戰(zhàn)之一就是懸停無人機的最佳三維部署。無人機的機動性和高度可調(diào)整的能力為無人機的有效部署提供了新的可控量，以提高網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍。事實上，在無人機通信中，無人機的部署比傳統(tǒng)的地面通信更具挑戰(zhàn)性，因為空對地傳播的特性隨著無人機的位置而改變。為了有效地部署無人機，還必須考慮無人機的飛行時間和能量限制，因為它們會影響網(wǎng)絡(luò)的性能。此外，合作信道干擾和無人機空中碰撞的可能性使得同時部署多個無人機更具挑戰(zhàn)性。另一個重要挑戰(zhàn)是在有地面網(wǎng)絡(luò)情況下的無人機部署。現(xiàn)有文獻廣泛討論了無人機部署問題，包括覆蓋率最大化[17、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)收集[31]、無人機輔助無線網(wǎng)絡(luò)[27]、災(zāi)難場景[49]和緩存應(yīng)用[22]。1.5.2無人機軌跡優(yōu)化可移動無人機的最優(yōu)軌跡設(shè)計是無人機通信的一個重要問題。具體來說，最優(yōu)路徑規(guī)劃器對于從地面?zhèn)鞲衅魇占途彺鏀?shù)據(jù)的無人機來說至關(guān)重要。無人機的軌跡優(yōu)劃主要受目標(biāo)區(qū)域的尺寸、任務(wù)的飛行時間、地面用戶的預(yù)期服務(wù)質(zhì)量要求以及能量限制的影響。除了物理參數(shù)外，無人機軌跡優(yōu)化在分析上是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，因為它涉及與無人機位置相關(guān)的固定數(shù)量的變量優(yōu)化[1]。此外，無人機軌跡優(yōu)化需要將無線通信中的不同預(yù)期服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)與無人機的移動性相耦合。最近，有許多關(guān)于無人機與其無線通信指標(biāo)聯(lián)合的軌跡優(yōu)化研究，如參考文獻[50-52]中的吞吐量最大化和參考文獻[53，54]中的節(jié)能無人機通信。1.5.3能量效率和資源管理當(dāng)無人機在關(guān)鍵場景下運行時（如收集物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)、保障公共安全、支持蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)），需要關(guān)注其能量效率和資源管理。資源管理是無人機通信中的一個主要挑戰(zhàn)，這與蜂窩通信不同[55]。然而，由于無人機飛行時間、移動模式、有限的能源和頻譜效率之間的相互作用，無人機通信在無線電資源管理方面引入了額外的障礙。因此，參考文獻[56]中將資源管理與無人軌跡規(guī)劃進行了聯(lián)合優(yōu)化。電池驅(qū)動的無人機可用的機載能量有限，必須用于推進和完成通信相關(guān)任務(wù)[5]。連續(xù)和長期的無線覆蓋限制了無人機的飛行時間。無人機的能量消耗還取決于其路徑、天氣狀況和無人機的任務(wù)。因此，在規(guī)劃基于無人機的通信系統(tǒng)時，必須明確地考慮到無人機的能量限制。多項工作都研究了能源效率和最佳無人機軌跡之間的相互作用[53-55]。1.6總結(jié)本章討論了無人機在無線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，特別是將無人機作為空中基站和作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)輔助系統(tǒng)中的空中用戶設(shè)備。在這兩種情況下，準(zhǔn)確的空對地和空對空傳播的信道模型是最重要的，它必須通過環(huán)境條件、無線信道損失以及無人機的可移動性來描述基于無人機的通信網(wǎng)絡(luò)的性能。本章研究了一些信道建模工作。此外，本章還強調(diào)了一些關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，如無人機的最佳部署、軌跡優(yōu)化、資源管理和能源效率等。參考文獻1Zeng，Y.，Zhang，R.，andLim，T.J.（2016）.Wirelesscommunicationswithunmannedaerialvehicles:opportunitiesandchallenges.IEEECommunicationsMagazine54（5）:36-42.2QualcommTechnologiesInc.（2016）.LeadingtheWorldto5G:EvolvingCellularTechnologiesforSaferDroneOperation.Technicalreport.Qualcomm.3Patterson，T.（2015）.Google，F(xiàn)acebook，SpaceX，OneWebplantobeaminterneteverywhere./2015/10/30/tech/pio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獻[16-18]在一個封閉的場景中進行了遠離人體的無線電信道研究，天線放置在獨立的位置。另一個最接近的研究是參考文獻[2-3]，它在沒有真實的人類參與的情況下進行了遠離人體和體表的信道特性研究。據(jù)我們所知，這是最早考慮在7.5GHz帶寬下人類和無人機之間的超寬帶信道特性的研究工作之一，它還進一步研究了不同的環(huán)境和不同身體姿勢對超寬帶系統(tǒng)的影響。2.2測量設(shè)置通常有兩種方法來測量無線通信中的信道響應(yīng)：一種是基于時間相關(guān)器，另一種是基于頻率掃描。在我們的工作中，基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）采用了后一種方法。圖2.1顯示了本章采用的超寬帶通信測量設(shè)置。在這個設(shè)置中，接收器（Rx）被安裝在人體的特定位置，發(fā)射器（Tx）天線安裝在無人機上，無人機懸停在一個固定的高度，并與人體保持不同的距離。接收器和發(fā)射器天線分別連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的端口1和端口2。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的發(fā)射功率保持在-40dB，這樣它就符合2.1節(jié)中提到的聯(lián)邦通信委員會與人體相關(guān)的規(guī)定。本底噪聲與帶寬的關(guān)系如下：式中，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是接收器的溫度（K），B是所考慮的帶寬，NF是接收器的噪聲系數(shù)。在我們的測量設(shè)置中，帶寬為7.5GHz，-40dB的發(fā)射功率被認為是人體可承受的。給矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)定從3.1～10.6GHz的頻率掃描，在頻域上有1601個均勻分布的點。然后通過雙端口校準(zhǔn)機制對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行校準(zhǔn)，以消除測量中的電纜影響。測量數(shù)據(jù)（即S12參數(shù)）將代表頻域中的通道傳輸函數(shù)。這樣獲得的S12參數(shù)由筆記本計算機上基于Python和MATLAB的腳本來處理。通過采取快速傅里葉反變換（IFFT），還將進行各種時域分析，如均方根（RMS）時間和最大超時時間。圖2.1超寬帶通信測量設(shè)置。資料來源：Kachroo等人[1]，已獲取IEEE許可本次測量活動中使用的設(shè)備及其規(guī)格見表2.1。mph，英里每小時，單位符號為mile/h，1mile/h=0.44704m/s。\h盎司，此處為質(zhì)量單位，1oz=28.3495g。1in=0.0254m。超寬帶天線（OctaneBW-3000-10000-EG）是一個全向的寬帶天線，在3GHz、6GHz和9GHz有5.5dBi、8.2dBi和6.3dBi的增益。這種小型（2oz\h）天線的尺寸較小，尺寸為4.5in×4.25in×0.4in\h，電壓駐波比小于2:1。在這次測量活動中使用的“IRIS+四軸飛行器”有一個用于通信的“3DR鏈接”，最大速度為25mph2。圖2.2為測量中使用的超寬帶天線和IRIS+四軸飛行器。▼表2.1使用的設(shè)備及其規(guī)格▲圖2.2測量中使用的超寬帶天線和IRIS+四軸飛行器。資料來源：Kachroo等人[1]，已獲取IEEE許可在視線情況下，用于測量的超寬帶天線被放置在九個不同的身體位置；在非視線情況下，天線被放置在四個身體位置；天線被放置在不同姿勢下的兩個身體位置（額頭和腹部）。這些不同環(huán)境下的不同身體位置可以從圖2.3中直觀地看到。在非視線情況下只使用四個身體位置的原因是，在視線測量活動中，我們觀察到，由于身體對稱性，左臂/左脛的測量結(jié)果與右臂/右脛的測量結(jié)果相近。因此，對于非視線測量，為了節(jié)省時間和精力，我們只考慮了四個傳感器的位置（見圖2.3b）。圖2.3用于UWB測量活動的超寬帶天線貼片位置如前所述，發(fā)射器天線放置在空中既定高度的無人機上，接收器天線貼在人體上；因此，通過人體（接收器）移動0.5m來改變發(fā)射器和接收器之間的距離，以覆蓋地面上的10個點，這相當(dāng)于接收器與無人機對角線的距離由8.0m變?yōu)?.5m。圖2.4為草圖，標(biāo)注了人體（接收器）離無人機最遠和最近時的點和對角線距離。圖2.4測量活動草圖與10個不同的點。在這種布局下，對角線距離為3.5～8m。資料來源：Kachroo等人[1]，已獲取IEEE許可在每個距離點，超寬帶天線被放置在不同的身體位置，總共記錄了10張S12數(shù)據(jù)的快照，隨后進行了平均，以減少誤差的概率。S12數(shù)據(jù)包括幅值（dB）和相位（°）的頻率響應(yīng)。對于每個頻率響應(yīng)，在平均后確定傳遞函數(shù)，然后取傳遞函數(shù)的IFFT來獲得信道的時域特性。視線和非視線的測量是在室內(nèi)（倉庫）和室外環(huán)境中進行的。圖2.5顯示了該活動的實際室內(nèi)和室外測量環(huán)境。此外，在三種不同姿勢（站立、睡眠、坐著和彎腰）的情況下，在測試兩個關(guān)鍵靜態(tài)身體位置（額頭和腹部）時，攜帶測量貼片的兩人保持6m的固定距離。在2.3節(jié)中，我們將對測量活動中收集的S12數(shù)據(jù)進行深入分析，并對這種無人機到可穿戴設(shè)備系統(tǒng)的超寬帶信道衰減和時間分散特性進行表征。圖2.5該活動的實際室內(nèi)和室外測量環(huán)境2.3基于超寬帶的無人機到可穿戴設(shè)備的無線電信道特性分析在本節(jié)中，我們將研究測量活動的下一個部分，即數(shù)據(jù)處理和分析。我們將分析不同機體位置的路徑損耗、超寬帶信道衰減特性和不同環(huán)境下的時間色散特性。首先，我們進行路徑損耗分析。2.3.1路徑損耗分析在上述測量活動的設(shè)置中，頻率響應(yīng)是關(guān)于頻率、時間和距離的函數(shù)。因此，每個距離點的平均路徑損耗是通過對隨時間變化的頻率響應(yīng)H（ti，fi，d）以及頻率進行平均得到的。式中，N=10，M=1601，H（ti，fj，d）是信道傳遞函數(shù)（或S12參數(shù)）。根據(jù)參考文獻[20，21]，廣泛使用的帶陰影的路徑損耗方程為2式中，d是在人體特定位置拍下的超寬帶接收器和發(fā)射器之間的距離，PL（d）是該距離的路徑損耗（dB），d是參考距離，PL（d）是參考距離d的路徑損耗（dB），γ是路徑損耗指數(shù)，X（d）是陰影系數(shù)。陰影因子由高斯分布表示，其平均值為零，方差為σ。這個方程可以很容易地用線性回歸求解，并用于求解路徑損耗指數(shù)。本章中，該方程又被用于室內(nèi)和室外環(huán)境中（包含視線和非視線場景）的數(shù)據(jù)測量。圖2.6顯示了在室內(nèi)環(huán)境中，在腰部、腹部與無人機之間使用超寬帶無線電信道的情況下，應(yīng)用線性擬合來求解路徑損耗指數(shù)的一個案例。000σ圖2.6在室內(nèi)環(huán)境中，在腰部、腹部與無人機之間使用超寬帶無線電信道的情況下，應(yīng)用線性擬合來求解路徑損耗指數(shù)的一個案例表2.2顯示了在視線情況下，九個身體位置在室內(nèi)和室外環(huán)境中，超寬帶無線電信道的路徑損耗測量值和路徑損耗指數(shù)。為了簡化分析，兩個或三個身體位置被合并為一個位置，它們各自的路徑損耗測量值和路徑損耗系數(shù)被平均化了。被合并的身體位置是手腕/手臂作為手，腹部/腰部/心臟作為胸部，耳朵/前額作為頭部，大腿/小腿作為腿。表2.3顯示了在視線情況下，四個身體位置在室內(nèi)和室外環(huán)境中，超寬帶無線電信道的路徑損耗測量值和路徑損耗指數(shù)。▼表2.2在視線情況下，九個身體位置在室內(nèi)和室外環(huán)境中，超寬帶無線電信道的路徑損耗測量值和路徑損耗指數(shù)▼表2.3在視線情況下，四個身體位置在室內(nèi)和室外環(huán)境中，超寬帶無線電信道的路徑損耗測量值和路徑損耗指數(shù)表2.4中給出了在非視線情況下，室內(nèi)和室外環(huán)境中，四個身體位置和無人機之間的超寬帶無線電信道的路徑損耗測量值和路徑損耗指數(shù)。從這些測量結(jié)果可以清楚地推斷出，額頭是超寬帶天線放置的最佳位置，因為它的路徑損耗值最低；耳朵是超寬帶天線放置的最差位置，在室內(nèi)和室外環(huán)境的視線和非視線情況下，路徑損耗值最高。耳朵效果最差的主要原因是，貼在耳朵上的天線方向與其他地方不同。這將使得耳朵上的超寬帶天線和無人機上的天線之間產(chǎn)生指向性損失（極化損耗）。因為前額是身體最頂端的位置，所以天線指向無人機，使其具有較好的指向性。通過對比身體各部分，頭部如預(yù)期的那樣是超寬帶天線放置的最佳位置，而腿部的結(jié)果則是最差的。在路徑損耗之后，我們將闡明時間色散分析，特別是RMS延時、最大附加時延和平均時延。表2.4在非視線情況下，室內(nèi)和室外環(huán)境中，四個身體位置和無人機之間的超寬帶無線電信道的路徑損耗測量值和路徑損耗指數(shù)2.3.2時間色散分析由于多徑傳輸與大規(guī)模衰減的影響，當(dāng)天線位于人體不同位置時，與無人機之間的超寬帶信道會產(chǎn)生不同的延遲。在本節(jié)中，我們將根據(jù)功率延遲曲線（PDP）[20-21]來分析三個延遲參數(shù)，即RMS延時、最大附加時延和平均時延。從數(shù)學(xué)上講，功率延遲曲線是由以下公式給出的：式中，h（t，τ）是延遲為τ且距離d處的信道響應(yīng)，P（t，τ）是測量功率。平均附加時延是功率延遲曲線的第一個時刻，并給定為[1]RMS延時擴散基本上是功率延遲曲線的第二時刻，其公式為2其中τ根據(jù)下式計算：式中，n代表總的樣本數(shù)。此外，最大附加時延是指接收功率低于特定閾值的時間延遲。在我們的案例中，該閾值被設(shè)定為5dB。如前所述，無線信道的功率延遲曲線描述了接收信號的平均功率，即在多徑傳輸中相對于第一到達路徑的延遲。從圖2.7中可以看到不同距離下的延遲傳播的平均功率延遲曲線，圖2.8比較了視線情況下最大附加時延、平均附加時延和RMS時延。這里需要注意的一點是，隨著發(fā)射器和接收器之間距離的增加，接收信號及其多徑分量的延遲也會增加。這一點可以從圖2.7中很容易看出來。圖2.7不同距離下的延遲傳播的平均功率延遲曲線類似的規(guī)律可以推廣到與功率延遲曲線相關(guān)的不同延遲（最大附加時延、平均附加時延和RMS時延），即發(fā)射器和接收器之間的距離越長，相應(yīng)的延遲值就越高，這一點可以從圖2.8中輕易推斷出來。此外，表2.5和表2.6顯示了這些參數(shù)在視線和非視線情況下基于不同環(huán)境的時間色散分析?！鴪D2.8視線情況下最大附加時延、平均附加時延和RMS時延▼表2.5視線傳播情況下9個身體位置的時間色散分析▼表2.6非視線傳播情況下4個身體位置的時間色散分析2.3.3不同姿勢下的路徑損耗分析最后，我們將研究身體姿勢不同時的路徑損耗和時間色散特性。在不同身體姿勢（站、坐、彎腰和平躺）情況下，測試者之間保持6m的固定距離。在室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境分別測試，待測試的位置為額頭和胸部。表2.7列出了這四種不同姿勢在室內(nèi)和室外環(huán)境中的路徑損耗值。表2.7四種不同姿勢在室內(nèi)和室外環(huán)境中的路徑損耗值2.3.4不同姿勢的時間色散分析本節(jié)將研究不同環(huán)境下兩個身體位置與四種身體姿勢的時間分散特性（最大附加時延、平均附加時延和RMS時延）。表2.8詳細列出了室內(nèi)和室外環(huán)境中不同身體姿勢和身體位置的時延測量值。從這些測量值來看，在考慮到RMS時延時，對于室內(nèi)的視線情況，額頭是最佳位置，延遲為30.5ns；對于室外的視線情況，胸部是最佳位置，延遲為41.6ns；而對于非視線情況，腹部是最佳位置（包括室內(nèi)和室外環(huán)境），在室內(nèi)和室外環(huán)境中延遲分別為57.3ns和61.4ns。表2.8室內(nèi)與室外環(huán)境中不同身體姿勢與身體位置的時延測量值（單位為ns）現(xiàn)在，考慮平均附加時延，在室內(nèi)視線情況下，額頭是最佳位置，延遲為30ns；在非視線情況下，延遲值也分別為81.9ns和92.3ns。然而，在非視線情況下，胸部是最佳位置，室內(nèi)環(huán)境的延遲為37.6ns。當(dāng)考慮最大附加時延時，額頭也是最佳位置，在視線情況下，室內(nèi)環(huán)境中的延遲值為21.7ns，在非視線情況下，室內(nèi)和室外環(huán)境中的延遲值為135ns和152ns。然而，在視線情況下，手臂和腰部是戶外環(huán)境中更好的位置，每個位置的最大附加時延為12.7ns。最后，仔細檢查不同姿勢的路徑損耗和延遲，可以有把握地得出結(jié)論：兩個位置的路徑損耗和延遲相對相同；在某些姿勢中，延遲較小的姿勢路徑損耗缺較大。總的來說，對于超寬帶無線貼片來說，無論環(huán)境、傳播情況（視線或非視線）以及不同的身體姿勢，最佳位置是額頭，因為它同時滿足低路徑損耗和低延遲。2.4統(tǒng)計分析到目前為止，我們分析了無人機到可穿戴設(shè)備系統(tǒng)在不同環(huán)境和不同體位下的路徑損耗和時間色散特性。現(xiàn)在，我們將研究超寬帶信道衰減的建模問題。為此，在我們的研究中，我們使用了二階Akaike函數(shù)（AIC）[22-23]來確定測量活動中收集到的超寬帶無線電信道衰減中路徑損失的最佳擬合分布。較低的AIC值代表最佳擬合。在數(shù)學(xué)上，二階AIC給出的是式中，L是最大似然分數(shù)，k是估計參數(shù)的總數(shù)，n是總樣本量。相對修正后的AIC為Δ=AICc-min（AICc）這意味著0將表示最佳擬合。擬合度與正態(tài)、威布爾分布、對數(shù)正態(tài)分布、瑞利分布、Nakagami分布、萊斯分布、Gamma分布和指數(shù)分布進行了比較。根據(jù)結(jié)果（見圖2.9），對數(shù)正態(tài)分布是最適合的。表2.9中顯示了不同分布的AIC分數(shù)。通過估計的對數(shù)正態(tài)分布，將5.5m和7.5m兩個距離的累積分布擬合（CDF）與經(jīng)驗累積分布擬合進行了比較，結(jié)果表明估計值與經(jīng)驗值非常接近（見圖2.10）。▲圖2.9通過統(tǒng)計測試（AIC）來確定無人機和人體在幾個距離點上的最佳衰減分布▼表2.9不同分布（用于對衰減特性建模）的AIC分數(shù)（續(xù)）▲圖2.10額頭與無人機之間無線電信道的經(jīng)驗及預(yù)測累積分布擬合值，測量環(huán)境分別為：室內(nèi)，對角線距離為3.5m、5m和8m2.5總結(jié)在這一章中，我們對人體和無人機之間在7.5GHz帶寬下的體外超寬帶信道進行了深入分析。發(fā)射器天線被放置在無人機上，而活動期間接收器天線被貼在人體不同位置。測量活動分別在室內(nèi)和室外環(huán)境下進行的，包含視線和非視線情況。從二階Akaike（AIC）擬合測試中發(fā)現(xiàn)，超寬帶信道衰減遵循對數(shù)正態(tài)分布。此外，對不同貼片位置的路徑損耗和延遲進行了分析，結(jié)論是：在室內(nèi)或室外環(huán)境中，額頭是放置超寬帶天線的最佳位置，包括視線和非視線。另外，考慮不同姿勢下的路徑損耗和延遲的最佳組合，額頭是放置超寬帶貼片的最佳位置。參考文獻1Kachroo，A.，Vishwakarma，S.，Dixon，J.N.etal.（2019）.Unmannedaerialvehicle-to-wearables（UAV2W）indoorradiopropagationchannelmeasurementsandmodeling.IEEEAccess7:73741-73750.2Khan，M.M.，Abbasi，Q.H.，Alomainy，A.，andHao，Y.（2012）.Performanceofultrawidebandwirelesstagsforon-bodyradiochannelcharacterisation.InternationalJournalofAntennasandPropagation2012:10.3Khan，M.M.，Abbasi，Q.H.，Alomainy，A.etal.（2013）.Experimentalcharacterisationofultra-widebandoff-bodyradiochannelsconsideringantennaeffects.IETMicrowaves，Antennas&Propagation7（5）:370-380.4Hall，P.S.andHao，Y.（2006）.Antennasandpropagationforbodycentriccommunications.EuCAP2006.FirstEuropeanConferenceonAntennasandPropagation，2006，IEEE，pp.1-7.5Foerster，J.，Green，E.，Somayazulu，S.，Leeper，D.etal.（2001）.Ultra-widebandtechnologyforshort-ormedium-rangewirelesscommunications.IntelTechnologyJournal2:2001.6Allen，B.，Dohler，M.，Okon，E.etal.（2007）.UWBAntennaandPropagationforCommunications，RadarandImaging.Wiley:Hoboken，NJ.7Schootman，M.，Nelson，E.J.，Werner，K.etal.（2016）.Emergingtechnologiestomeasureneighborhoodconditionsinpublichealth:implicationsforinterventionsandnextsteps.InternationalJournalofHealthGeographics15（1）:20.8Lum，M.J.H.，Rosen，J.，King，H.etal.（2007）.Telesurgeryviaunmannedaerialvehicle（UAV）withafielddeployablesurgicalrobot.StudiesinHealthTechnologyandInformatics125:313-315.9Todd，C.，Watfa，M.，ElMouden，Y.etal.（2015）.AproposedUAVforindoorpatientcare.TechnologyandHealthCare1-8/article/med/26409533.10Fleck，M.（2016）.UsabilityoflightweightdefibrillatorsforUAVdelivery.Proceedingsofthe2016CHIConferenceExtendedAbstractsonHumanFactorsinComputingSystems，ACM，pp.3056-3061.11Tatham，P.，Stadler，F(xiàn).，Murray，A.，andShaban，R.Z.（2017）.Flyingmaggots:asmartlogisticsolutiontoanenduringmedicalchallenge.JournalofHumanitarianLogisticsandSupplyChainManagement7（2）:172-193.12Patrick，W.G.（2016）.RequestapparatusfordeliveryofmedicalsupportimplementbyUAV.April5USPatent9，307，383.13Hu，Z.H.，Nechayev，Y.I.，Hall，P.S.etal.（2007）.Measurementsandstatisticalanalysisofon-bodychannelfadingat2.45GHz.IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters6:612-615.14Alomainy，A.，Hao，Y.，Owadally，A.etal.（2007）.Statisticalanalysisandperformanceevaluationforon-bodyradiopropagationwithmicrostrippatchantennas.IEEETransactionsonAntennasandPropagation55（1）:245-248.15Nechayev，Y.I.，Hu，Z.H.，andHall，P.S.（2009）.Short-termandlong-termfadingofon-bodytransmissionchannelsat2.45GHz.Antennas&PropagationConference，2009.LAPC2009.Loughborough，IEEE，pp.657-660.16Abbasi，Q.H.，Sani，A.，Alomainy，A.，andHao，Y.（2009）.Armmovementseffectonultrawide-bandon-bodypropagationchannelsandradiosystems.Antennas&PropagationConference，2009.LAPC2009.Loughborough，IEEE，pp.261-264.17Abbasi，Q.H.，Sani，A.，Alomainy，A.，andHao，Y.（2010）.On-bodyradiocha