Chapter 1
第1章
无人机网络的信道模型

1.1 引言

无人机（UAV）的高机动性、易操作性和可负担的价格使其广泛应用于各种民用领域，如救灾、空中摄影、远程监控和连续遥测等。当发生自然灾害时，或者当热点地区通信网络资源将被耗尽时，可以使用无人机实现无线通信网络[1]。高通公司已经开始进行5G蜂窝应用的现场试验[2]。Google和Facebook公司也在利用无人机为偏远地区提供互联网接入服务[3]。

根据不同环境下的应用和目标，选择适当类型的无人机对于满足预期服务质量（QoS）至关重要。对于任何特定的无线网络应用，必须考虑无人机的飞行高度及其性能。根据飞行高度可以将无人机分为低空平台（LAP）和高空平台（HAP）；根据结构，又可以将无人机分为固定翼无人机和旋翼无人机。与旋翼无人机相比，固定翼无人机为了保持飞行高度，需要一直向前飞行；旋翼无人机则适用于需要无人机在特定区域内保持相对静止的应用。这两种类型无人机的飞行时间主要取决于其携带的能源、重量、飞行速度和轨迹。

基于无人机的通信网络的突出特点是空对地和空对空传播信道。准确的信道建模对于满足终端用户日益增长的数据需求是必不可少的。现有的空对地传播信道模型是为地面通信或高海拔地区的航空通信设计的。这些模型对于在城市环境中使用小尺寸无人机的低空无人机通信是不适用的。空对地信道具有更高的视线（LoS）传播概率，这可以降低发射功率，且可靠性高。在非视线（NLoS）情况下，阴影和衍射损失可以通过无人机和地面设备之间的大仰角得到补偿。由于多普勒频移，无人机的移动会导致空对地和空对空信道传播时间发生明显的变化。

小型无人机的俯仰、偏航和滚转角变化较大，可能会出现机身阴影。此外，无人机机身的独特结构设计和材料可能会带来额外的阴影衰减。

尽管无人机有前景的应用很多，但在推广前需要解决几个技术挑战。例如，在空中基站（BS）场景中使用无人机时，主要技术挑战包括无线电资源管理、飞行时间、无人机的最优部署、轨迹优化和性能分析。在空中用户设备（UE）场景下，无人机的主要技术挑战包括干扰管理、交接管理、延迟控制和三维定位。因此，在这两种情况下，信道建模对于实现基于无人机的通信网络是非常重要的。本章概述了使用无人机作为空中用户设备和空中基站的情况，并讨论了与空对地信道建模、机身阴影、无人机的最佳部署、轨迹优化、资源管理以及与能源效率有关的技术挑战。