高容量无人机基站群组网理论和应急通信

20210721

信息传输、软件和信息技术服务业

本项目在无人机无线通信组网的传输、用户接入跟踪以及控制等多个方面开展了研究。在国内外期刊和学术会议共发表14篇高水平论文，其中11篇可被SCI或EI检索;本项目提交4项有应用价值的发明专利，目前已授权3项发明专利；所设计实现的仿真平台能够支持关键技术的仿真与评估。 专利一，一种无人机基站部署方法、装置：该工作研究了在目标区域中无人机作为基站的快速部署策略，并且还实现了最大化增强通信网络中的下行链路速率之和的目的。设计了一种地理位置信息学习（GPI-Learning）算法来学习用户与无人机之间的GPI关系。这种方法通过避免计算精确的信道而消耗了较少的时间，并填补了快速设置多无人机为多用户提供服务的情况下存在的空白。在不失一般性的前提下，将GPI-Learning应用在不同的情况下，例如用户数量或区域大小的变化。对于不同的区域大小，模拟结果显示提出的算法可以适应不同的训练集大小并且具有良好的性能。该工作的研究结果对无人机在密集部署和应急通信场景中的应用具有重要意义，提供高效的无人机基站在待覆盖区的快速部署和移动跟踪。 专利二，一种多目标点同时到达约束下的集群任务分配和控制方法，该工作针对一类具有可测非线性的非最小相位系统，提出了一种采样数据重复控制设计，以提高对周期变化的鲁棒性。该设计依赖于加性状态分解，通过加性状态分解，输出反馈控制问题被分解为线性时不变部分的输出反馈重复控制问题和非线性部分的状态反馈镇定问题。对系统的分解，使得现有的在频域和时域中控制器设计方法易于对连续时间非线性系统的鲁棒性和离散化进行处理。这给多旋翼飞行器减振问题提供了一个可靠解决方案，是无人机在携载基站飞行中保持飞行的稳定性和系统可靠性。 专利三，多目标点同时到达约束下的集群四维轨迹规划设计方法，该工作研究了一种基于监督控制理论的半自主控制模式的故障保护机构设计方法。故障保护机制是一种控制逻辑，通过考虑来自制导、姿态控制、诊断和其他低级子系统的实时信息，指导多旋翼无人机应该采取的后续行动。为了设计多旋翼无人机的故障保护机构，分析了多旋翼的安全问题。然后，针对用户要求，包括功能要求和安全要求进行文字描述。其中功能要求指导一般多旋翼的建模，安全要求涵盖处理所提出的安全问题的故障安全措施。基于这些要求，定义了几种多旋翼模式和事件。在此基础上，用自动机对多旋翼设备和控制规范进行建模。然后，使用监督控制理论合成一个监督者。该工作对于多旋翼飞行器的决策逻辑和失效保护设计起着重要的作用，对飞行姿态。 本项目的技术成果可以支持可靠安全的无人机飞行，并支持无人机基站群在三维空间内实现灵活部署。（1）研究工作中设置多个地面站的多无人机多地面站并行回传的技术，主要解决并行无线链路的干扰对齐与干扰中和问题。同时重点研究多点对多点并行链路的最大传输容量或自由度问题，并且基于迫零、干扰对齐及协作干扰的技术研究给出相应的可达方案。（2）本研究考虑到分布信息的获取、可靠飞行的速度限制、分布及需求的实时变化等实际因素的影响，在空间部署与移动策略方面展开了深入的研究提出了高效的方式。不仅实现了在目标区域中无人机基站的快速部署策略，并且还实现了最大化增强通信网络中的下行链路和速率之和的目的。（3）本项目设计了故障控制逻辑，通过考虑来自制导、姿态控制、诊断和其他低级子系统的实时信息，指导多旋翼无人机应该采取的后续行动。这为用户处理故障提供了理论上的指导，并为其具体实现提供了一种切实可行的方案。

本项目在无人机无线通信组网的传输、用户接入跟踪以及控制等多个方面产生了相应的研究成果。对成果转化合作方的需求可以是在相应多个产业方向的技术企业，比如通信设备商或无人机企业。对于通信设备商而言，成果里包含无线组网的关键技术，可以服务于无线网络组网技术和协作通信应用，可以应用于无线通信产品或如小基站等产品之中。转化通信设备商一般应具有较好的通信实验场地环境和仪器仪表设备，对潜在可应用的技术具有快速而有效的实施和应用能力，或具有良好的通信仿真能力，在无线通信组网方面有一定的技术积累和专业技术人员。对于无人机设备企业来说，本项目成果包含无人机飞行控制的技术成果，能够提高多旋翼无人机飞行器的飞行可靠性，同时能支持无人机群的鲁棒控制，技术可以应用于多旋翼无人机的产品之中。转化无人机设备企业一般应具有基本的商用产品。由于无人机的飞行试验需要一定的空间，相应企业需要有条件进行较大范围的室内室外飞行试验，可以完成对技术和产品的转化。同时对于无人机设备研发而言，需要具备较充足的电子仪器仪表设施，能够支持软硬件系统的开发，具有高水平的软硬件开发人才和控制技术人才。另一方面，如果企业同时具有无线通信设备和无人机设备的产品能力，会是更加优秀的转化合作方。除基本的通信技术能力和无人机开发能力外，还应具有良好的工业集成能力，具备将无线通信设备与无人机结合而集成为无人机基站的能力，这样的具有无人机基站产品的企业将更容易发挥本项目成果的技术转化应用。

可国（境）内外转让

本项目的成果在无人机无线通信组网的传输、用户接入跟踪以及控制等方面具有较好的转化价值。当前无人机基站用于应急通信的场景大都只能使用单个无人机进行场地的接入覆盖，使得应急通信的覆盖范围和接入服务能力受到限制。为了达到更广的覆盖和更多用户规模接入的效果，需要扩展多个无人机基站形成无人机基站群来进行服务，如此对多个无人机的部署以及相互间的关系需要有高效率的方法。本项目成果实现了无人机根据用户的分布做适应性变化，在三维空间内实现灵活部署。当正常能力无人机飞行时，动态空间部署容量相对静态部署总体网络吞吐量有显著提升。技术的应用能够显著提升无人机基站的服务能力和应急接入能力，技术能够使得接入容量提升的同时，能够适应不同的地形和场地环境，对不同类型的用户分布不需要进行单独的专门测量均可以在线应用，能够大大的节约部署的时间和避免勘测的难题。同时，本项目针对飞行控制技术提出的故障保护机制设计可以增强无人机飞行的安全性，且针对多无人机飞行提出鲁棒的安全飞行控制技术，可以进一步增强无人机基站群的可靠安全飞行。对于应急环境下的无线通信应用更加重要，企业采用相应的技术成果，能够增强无人机基站产品的市场竞争力，能够产生显著的经济价值和社会价值。

北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金前沿项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

为了解决多无人机基站组网问题，充分发挥无人机基站灵活及机动性的特征，需要解决无线通信多点协作组网理论、无人机空间位置部署与移动策略、无人机安全飞行控制技术三方面问题。针对这三方面问题，本项目在针对多无人机基站群无线组网的三个方面开展了研究，并取得研究成果：研究内容一，针对无人机基站群的无线通信多点协作组网理论研究，开展对无人机基站群无线组网理论的研究，针对多点协作技术，利用信息理论分析计算论证明了多双用户秩亏MIMO广播信道和秩亏MIMO干扰信道的系统安全安全自由度和可达收发方案。研究内容二，无人机基站群的空间位置部署与移动策略研究，根据用户的分布、信道环境、业务需求等情况，设计了地理位置信息学习算法，使无人机基站群能达到好的部署位置，提出基于近端策略优化的算法，在用户运动状态下能够渐进跟踪最佳覆盖容量。研究内容三，针对无人机基站飞行安全飞行控制技术研究，研究了多旋翼无人机飞行器可靠安全控制，基于加性分解，提出了采样重复控制设计方法，减缓多旋翼振动。提出了一种基于监督控制理论的半自主控制模式的故障保护机制形式化设计方法，增强无人机飞行可靠性。本项目的技术成果可以支持可靠安全的无人机飞行，并支持无人机基站群在三维空间内实现灵活部署，达到接入能力显著提升。相应的技术成果，能够增强无人机基站产品的市场竞争力，能够产生显著的经济价值和社会价值。 1、技术原理 （1）通过对无人机基站群无线组网理论的研究，突破5G密集基站空间随机部署的限制，抽象理论模型为多点至多点的协作传输理论问题，理论分析多站点至多用户传输的容量性能极限以及可行的收发方案，研究利用密集无线组网和协作技术，达到更高的网络容量性能理论分析站点可适应覆盖用户重点实际分布后的最佳覆盖能力，研究空间位置作为一种资源可供自适应调整时的容量界限，利用无线多点协作组网可以实现无缝高容量覆盖。 （2）通过理论分析可以根据用户的分布、信道环境、业务需求等情况，确定无人机基站的位置部署和移动策略，使得无人机基站群能达到最佳容量的部署位置，在用户运动状态下能够渐进跟踪最佳覆盖容量。 （3）研究多旋翼无人机飞行器可靠安全控制理论，考虑多个无人机集站之间在飞行及位置变化时，采用加性分解的思想对振动进行处理，从而提高飞行器的安全性。 2、关键性技术指标 （1）利用信息论技术理论，证明分析了含保密信息的双用户秩亏多输入多输出广播信道和含保密信息的双用户秩亏MIMO干扰信道的安全自由度外界，并利用实干涉对准、空间对准和零强迫等技术，提出了相应的方案。同时给出了具有N个外部天线协同干扰机的双用户MIMO干扰信道环境下的安全自由度计算，利用符号扩展和空间对齐技术为相应的区域提供了不同的可达方案。 （2）针对无人机基站快速部署，设计了一种地理位置信息学习算法来学习用户与无人机之间的GPI关系，实现了最大化增强通信网络中的下行链路速率之和。针对无人机跟踪沿某些特定路径移动的用户情况，提出了一种基于近端策略优化的算法，以使瞬时总和率最大化提升，并且利用随机训练近端策略优化算法，实现了无人机在未知的紧急情况下为用户提供服务时的快速部署。针对无人机的三维部署，利用随机几何学，将无人机的位置建模为二项式点过程，并得出配备有定向天线和全向天线的覆盖概率的精确表达式，同时利用深度强化学习技术，最终可在3D空间中部署无人机以最大化增强网络实用性。 （3）针对一类具有可测非线性的非最小相位系统，基于加性分解，提出了采样重复控制设计方法，以提高对周期变化的鲁棒性。这有利于多旋翼振动减缓，提高飞行的可靠安全。进一步，在决策层面，提出了一种基于监督控制理论的半自主控制模式的故障保护机制形式化设计方法，在理论在保证无人机飞行安全可靠。 3、应用前景 项目成果面向无人机基站的无线通信覆盖，可以在应急通信进行独立站点的覆盖和服务，也可多无人机基站形成基站群进行协作的覆盖，并提供了高效快速的部署与跟踪方法，增强应急通信处理能力，同时在飞行控制上的成果能更好的保障安全飞行。