无人机中继平台覆盖区域统计模型

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaJan．252014V01．35No．1223-229ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn无人机中继平台覆盖区域统计模型朱秋明1’2一，周生奎1，霍帅珂1，陈小敏1，徐大专11．南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京2100162．中国空空导弹研究院，河南洛阳471009摘要：针对中继信号覆盖区域确定性模型没有考虑信道随机衰落影响的问题，提出了一种基于中断概率的无人机(

2、UAVs)中继平台信号覆盖半径统计模型。通过将中继链路建模为包含路径损耗、阴影衰落和多径衰落的复合分布模型，推导获得中继信号覆盖半径的概率分布，并给出一种利用中断概率数值求解覆盖半径的方法。仿真结果表明，信道衰落对覆盖半径影响非常大，当中断概率小于10％时，覆盖半径仅为无衰落信道时的一半。研究结果对移动自组织网络(MANETs)中的中继网络的无人机最优布置、飞行策略以及网络性能评估等具有重要的参考价值。关键词：无人机；移动自组织网络；中继平台；覆盖区域；信道建模；中断概率中图分类号：V217+．1；TP393．03文献标识码：A文章编号

3、：1000—6893(2014)01—0223—07地面移动自组织网络节点数目和活动范围不断扩大，以及复杂地形环境如高山、建筑物遮挡等因素，导致网络连通性和吞吐量下降。无人机(UnmannedAerialVehicles，UAVs)具有结构简单和造价低廉等优点，在民用和军用通信领域已得到广泛应用。将无人机作为移动自组织网络(MobileAd—hocNetworks，MANETs)的高空中继平台，连通不同地面移动子网或孤立节点从而提高网络连通性的相关研究受到越来越多关注[1’8]。早期研究主要集中在组网算法、媒体访问控制(MediaAcc

4、essControl，MAC)和路由层协议等方面[1’3]，近期学者开始研究无人机中继的最优布置、飞行路径和网络性能优化等问题[5-8]。其中，文献[5]分析了中继节点采用不同转发策略时的网络容量；文献[6]定义了4种连通性准则并给出对应无人机最优的中继布局和飞行路径，指出单无人机中继系统可提高60％至240％的网络连通性，文献E7]贝IJ进一步研究了多无人机中继的最优飞行路径问题；文献[8]提出采用遍历归一化传输速率作为中继链路的性能指标，并利用优化算法获得无人机机身对地面节点的最优指向。研究结果表明，无人机最优布置、飞行路径及中继网

5、络性能都与中继信号的传播及覆盖密切相关。文献[8]针对第3代移动通信网络推导了高空中继平台的信号覆盖范围，文献I-9]进一步分析了视距、非视距以及混合模式对中继链路覆盖区域的影响。然而，文献[5]～文献[8]均假设中继链路为理想的自由空间传播，并采用确定性的分析方法，而没有考虑多径与多普勒等因素对信号传播的随机影响，所获结论必然与实际情况有所收稿El期：2013-03-26；退修日期：2013-04—17；录用El期：2013—05—28；网络出版时间：2013-06一0613：21网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／det

6、ail／11．1929．V20130606．1321．001htmI基金项目：国家自然科学基金(61172077，61172078)；航空科学基金(20120152001)；中国博士后科学基金(2013M541661)；中央高校基本科研业务费(NS2012075，NZ2012012)；南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金(kfjjl30115)；江苏高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者．Tel．：025·84896490-420E·mail：zhuqiuming@nuaa．edu．cn引用格武lZhuQM．ZhouSK．H

7、uoSK．etal．Astatisticalareacoveragemodelforunmannedaer『alvehiclesasrelayplafformsEJ9．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2014，35(1)：223-229．朱赦明．周生奎，霍{

8、毋珂，等．无A机中继平台覆盖区域统诗模型￡J]．航空学报，2014．35(1)：223-229．航空学报差异。因此，本文在中继信号覆盖区域确定性模型的基础上，综合考虑传播路径损耗、多径衰落以及阴影衰落的影响，提出了一种基于中断概率的覆盖区域统

9、计模型。1中继系统几何模型高空无人机中继平台覆盖区域几何模型如图1所示，假设机载天线安装于机身下方且向下全向辐射，地球半径R约为6370km，无人机高度记为H，中继信号的传播距离记为d，则有效覆盖区域(球冠