无人机协作多输入多输出技术研究

摘要

无人机成本低廉，节省能耗，没有人员伤亡的危险，并且轻便快捷，可以在各种环境中灵活作业，目前对无人机数据链路通信已经有了广泛的研究。随着任务难度的提高，单架无人机能力有限，故而考虑将多架无人机协作起来完成任务是未来发展的趋势。
　　多输入多输出（MIMO）技术是第四代移动通信系统的关键技术之一，可以有效提高系统的数据传输速率与传输可靠性。考虑到无人机尺寸和能量受限，一般的单无人机上往往不能安装太多天线，所以传统 MIMO技术在无人机通信系统中的应用非常受限。协作通信技术是传统MIMO技术的扩展，克服了传统MIMO技术的许多缺点。协作通信的基本原理是多用户之间相互协作，构成多天线系统，从而组成虚拟MIMO系统，来获取与传统MIMO相近的性能。对无人机协作MIMO技术进行深入研究，将会大大推进无人机协作通信系统的发展，并促使无人机在军事和民用领域的应用更为广阔和便利。
　　本文研究无人机的协作MIMO技术。无人机分布式MIMO系统存在多时延与多频偏的问题，同时无人机高动态场景下存在大的多普勒频偏，因此有必要研究适合于无人机分布式MIMO系统的时频同步算法。无人机协作MIMO技术的关键是建立合适的协作模型，选择合适的协作通信方式。为了抑制非来波方向信号的干扰，在地面接收站引入波束成形技术。另外，无人机导航定位误差会造成波达角的估计误差，所以分析波达角误差对波束成形系统的影响并仿真验证。基于目前对协作 MIMO技术的研究和无人机的发展趋势，本文主要研究内容包括：
　　（1）无人机空地信道建模。根据无人机空地信道特点，建立无人机编队三维空地信道模型，并采用Kronecker积信道模型进行建模，对关键因素分别进行了详细的阐述。
　　（2）无人机分布式 MIMO同步算法研究。根据无人机分布式 MIMO系统存在多时延与多频偏的特点，结合系统无线帧结构和同步前导序列，研究了一种无人机协作同步算法，给出了一种无人机高动态环境下大多普勒频偏的纠正方法。
　　（3）无人机协作通信方式研究。基于传统的两用户协作模型和三点协作模型，研究了三种无人机协作通信方式：全双工自适应分布式空时码（DSTC）编码协作、半双工自适应DSTC编码协作和协作分集。分别推导其中断概率，与非协作系统进行了对比，并且仿真研究了各个参数对系统中断概率的影响。
　　（4）波束成形技术研究。研究了无人机空地协作传输系统中，地面接收站波束成形接收的问题，推导出波束成形系统的中断概率，并做仿真研究。考虑无人机的导航定位误差，分析了波达角误差给系统带来的影响，仿真验证了接收端波束成形在无人机空地协作通信系统中的可行性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 无人机的发展现状

1.3 协作通信技术

1.4 无人机协作MIMO技术

1.5 本文的主要工作及内容安排

第二章 无人机空地信道建模

2.1 无人机编队三维信道模型

2.2 Kronecker积信道建模

2.3 本章小结

第三章 无人机分布式MIMO同步技术

3.1 无人机分布式MIMO系统同步流程

3.2 无人机分布式MIMO同步算法

3.3 仿真结果与分析

3.4 本章小结

第四章 无人机协作通信方式

4.1 全双工自适应DSTC编码协作

4.2 半双工自适应DSTC编码协作

4.3 协作分集

4.4 仿真结果与分析

4.5 本章小结

第五章 波束成形技术

5.1 系统模型

5.2 基于波达角的波束成形

5.3 自适应DSTC编码协作波束成形

5.4 协作分集波束成形

5.5 本章小结

第六章 展望与总结

6.1 本文工作总结

6.2 进一步研究展望

参考文献

致谢

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