基于激光供能的无人机无线通信系统设计

论文摘要

随着无人机在生活的推广应用,无人机可被用来解决通信服务的突发障碍。为提高地面无线通信系统的覆盖范围和网络容量,利用无人机作为移动中继或移动基站的无人机辅助无线通信已经成为一种有望的解决方案。然而,随着无人机产业发展持续提速,应用普及范围不断扩张,无人机的续航能力瓶颈也愈发凸显。无论是在空中飞行,还是与地面设备的通信以及完成各种特定的任务,无人机的操作其实是非常耗能的。而传统的电池供电的无人机仅具有非常有限的电池容量。因此,大规模地实施无人机辅助无线通信系统是具有挑战性的。为了应对这个问题,已经有学者提出了各种方法来减少无人机的能量消耗,例如通过减少无人机的重量和设计能效高的无人机飞行路径。尽管进行了这些研究工作,但由于电池容量有限,电池供电无人机的能源供应仍是基本无法维持。激光功率供能正在成为一种可行的解决方案,为飞行中的无人机提供无限的动力。与由射频(RF)信号实现的其他无线功率传输(WPT)技术相比,由于更窄的能量束发散,激光束功率传输能够为接收器提供更大的能量。因此,激光无线功率传输将有效地支持远距离无人机的各种耗能操作。已有现场测试成功展示了激光动力无人机的可行性。因此,研究基于激光充电的无人机在无线通信系统中是个很有意义和前景的课题。据我们所知,尚未有学者研究激光能量获取约束条件下的无人机无线通信的设计。本文所完成的研究工作是基于激光供能的无人机无线通信系统,其中地面的多个激光发射器同时发射激光束为飞行中的无人机充电,并且无人机使用所收集的激光能量与每个地面基站分别进行通信。为了保持无人机的可持续运行,其总能耗不能超过从激光发射器获得的能量消耗。在这样的激光能量收集约束下,我们通过联合优化UAV的轨迹及其下行链路的发射功率分配,在有限的持续时间内最大化从UAV到每个地面基站的下行链路通信吞吐量。然而,由于复杂的无人机能耗模型,这个问题是非凸的并且难以解决。为了解决这个问题,我们提出了一个有效解决方案,通过应用交替优化和连续凸规划(SCP)技术,在激光能量获取约束条件与最大化无人机无线通信性能之间取得平衡。最后,进行仿真设计来验证算法的有效性,能提高该系统的通信吞吐量性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及目的意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 无人机辅助无线通信技术
•     1.2.2 无人机续航
•   1.3 本文的研究工作
•   1.4 文章架构
• 第2章 相关技术研究
•   2.1 无人机飞行原理
•   2.2 激光无线供能技术
•     2.2.1 激光无线能量传输系统
•     2.2.2 激光无线供能技术应用
•   2.3 本章小结
• 第3章 单激光发射器单基站的无人机无线通信系统（STSS）
•   3.1 STSS模型
•     3.1.1 射频通信链路
•     3.1.2 无人机能耗
•     3.1.3 激光能源链路
•     3.1.4 目标函数及其约束
•   3.2 双圆轨迹的特殊解决方案
•   3.3 STSS的求解算法
•     3.3.1 给定轨迹优化功率分配
•     3.3.2 给定功率分配优化轨迹
•     3.3.3 联合优化迭代算法
•   3.4 本章小结
• 第4章 多激光发射器多基站的无人机无线通信系统（MTMS）
•   4.1 MTMS模型
•     4.1.1 射频通信链路
•     4.1.2 无人机能耗
•     4.1.3 激光能源链路
•     4.1.4 目标函数及其约束
•   4.2 MTMS的求解算法
•     4.2.1 给定轨迹优化功率分配
•     4.2.2 给定功率分配优化轨迹
•     4.2.3 联合优化迭代算法
•   4.3 本章小结
• 第5章 系统性能分析
•   5.1 参数设置
•   5.2 仿真结果
•     5.2.1 STSS场景下无人机通信系统性能分析
•     5.2.2 MTMS场景下无人机通信系统性能分析
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 欧阳颉

导师: 陆克中

关键词: 无人机,激光供能,无线通信,连续凸规划

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,航空航天科学与工程,无线电电子学,电信技术

单位: 深圳大学

分类号: V279;TN92;TN249

总页数: 64

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