基于蜂窝网络集成无人机的5G及未来通信技术教程：综述报告
引言 本文档是于2019年12月发表在《IEEE Proceedings》（第107卷第12期）的一篇教程性综述文章，标题为《从天空接入：面向5G及未来的无人机通信教程》（“Accessing from the sky: a tutorial on UAV communications for 5g and beyond”）。该文由东南大学的曾勇（Yong Zeng， IEEE会员）、新加坡国立大学的吴青菁（Qingqing Wu， IEEE会员）和张瑞（Rui Zhang， IEEE Fellow）共同撰写。文章旨在全面概述无人机（Unmanned Aerial Vehicle， UAV）通信领域的最新进展，核心焦点在于探讨如何将无人机有效集成到即将到来的第五代（5G）及未来的蜂窝网络中。
文章核心框架与主要内容 本文并非汇报单一原创性研究的实验性论文，而是一篇系统性、指导性强的深度综述。文章逻辑清晰，旨在为研究人员提供一个理解无人机通信关键问题、机遇与挑战，并掌握相关基础模型与设计原则的知识框架。文章的主体内容围绕两个核心范式展开：无人机辅助无线通信和蜂窝网络连接的无人机。为了支撑对这些范式的深入讨论，文章首先系统性地阐述了无人机通信的基础模型。以下将详细展开文章提出的各个主要观点及其支撑性内容。
主要观点一：无人机通信的需求与技术选择分析是集成设计的前提 文章开篇即强调，无线通信是实现无人机大规模应用的关键使能技术。与传统地面通信相比，无人机通信面临独特挑战，同时也带来了新的设计自由度（Degree of Freedom， DoF）。为了理解集成到蜂窝网络的必要性，作者首先剖析了无人机通信的基本需求。 * 支持论据1：区分控制与非载荷通信与控制与非载荷通信（Control and Non-Payload Communication， CNPC）与载荷通信（Payload Communication）。 CNPC关乎飞行安全，其特点是数据速率要求较低（如60-100 kb/s），但对可靠性和延迟有极严苛的要求（如误包率低于10^-3，延迟小于50毫秒）。而载荷通信则与应用高度相关，数据速率要求高得多（例如高清视频流可达数Mb/s至数十Gb/s）。这种差异化的服务质量（Quality of Service， QoS）需求直接影响网络设计。 * 支持论据2：评估并对比现有无线技术。 作者系统地比较了四种候选技术：1) 直接链路：成本低但范围有限、易受阻塞、安全性差，无法支持大规模部署；2) 卫星通信：覆盖广但延迟大、成本高、终端设备笨重，难以满足CNPC的严格需求；3) 自组织网络：如飞行自组织网络（Flying Ad Hoc Network， FANET），灵活但网络拓扑动态变化，路由协议复杂，难以保证可靠性与可扩展性；4) 蜂窝网络：覆盖近乎无处不在，具备高速光纤回程和先进通信技术（如5G的理论峰值速率10 Gb/s和1毫秒往返延迟），有望同时满足CNPC和载荷通信的需求，且能复用现有基础设施，是成本效益最高的方案。 * 结论：综合分析表明，蜂窝网络是支持大规模无人机通信最具前景的平台。未来的无人机通信网络将是一个由无人机-无人机、无人机-卫星、无人机-地面通信组成的集成三维架构，而蜂窝网络是其中的核心组成部分。
主要观点二：必须建立适用于无人机通信场景的专用基础数学模型 为了对上述两种范式进行严谨的性能分析和优化设计，文章投入大量篇幅详细介绍了无人机通信的基础数学模型，这是本文的核心技术贡献之一，为相关研究提供了通用工具箱。 * 支撑子观点2.1：三维空对地信道模型需超越传统地面模型。 由于无人机的高空特性，其与地面节点（基站或用户）的信道具有视距（Line-of-Sight， LoS）成分主导、散射有限的特点。作者综述了多种模型：1) 自由空间模型：简单，适用于高空或郊区场景，用于轨迹优化的初步分析。2) 高度/仰角依赖参数模型：将路径损耗指数、莱斯因子等建模为无人机高度或与地面节点仰角的函数，以反映传播环境的变化。3) 概率视距模型：更符合城市环境，将信道分为LoS和非视距（Non-Line-of-Sight， NLoS）两种状态，并给出其发生概率（如使用逻辑函数建模为仰角的函数），分别赋予不同的路径损耗。预期信道功率是无人机水平距离和高度的函数，存在一个最优高度以平衡LoS概率增加和路径损耗增大的矛盾。4) 3GPP标准信道模型：介绍了3GPP为支持无人机研究而制定的详细模型，该模型综合了概率视距、路径损耗、阴影衰落和小尺度衰落，针对农村宏蜂窝、城市宏蜂窝、城市微蜂窝等不同部署场景给出了具体参数。 * 支撑子观点2.2：天线模型需从二维扩展到三维。 传统地面通信的二维天线模型已不适用。文章重点介绍了：1) 蜂窝基站三维定向天线模型：现有基站天线通常采用机械或电子下倾以覆盖地面，其旁瓣仍可为低空无人机提供服务。文章展示了使用均匀线性阵列（Uniform Linear Array， ULA）合成下倾波束的图案，并提到了简化的两瓣模型（主瓣和旁瓣）用于理论分析。2) 无人机天线模型：对于作为基站或用户的无人机，其定向天线增益可建模为以其地面投影为中心的对称波束。3) 无人机多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output， MIMO）通信：需要三维信道建模，3GPP建议在基站使用均匀矩形阵列（Uniform Rectangular Array， URA）以实现三维波束赋形或全维度MIMO。文章还指出，考虑到无人机功耗和尺寸限制，低成本、低复杂度的MIMO架构（如透镜天线阵列）是值得研究的方向。 * 支撑子观点2.3：无人机能耗模型必须包含独特的推进能耗。 无人机的能量受限是其核心约束之一。文章的一个突出贡献是详细推导并介绍了固定翼和旋翼无人机的推进功率消耗闭合表达式。1) 固定翼无人机：功率消耗P(v) = c1*v^3 + c2/v，其中v为速度，包含与速度立方成正比的寄生功率和与速度成反比的诱导功率。固定翼无人机必须保持最低速度才能飞行。2) 旋翼无人机：功率消耗表达式更复杂，包含叶片型面功率（悬停时存在）、诱导功率（随速度增加而减少）和寄生功率（与速度立方成正比）。旋翼无人机可以悬停（v=0）。文章进一步定义了最大续航速度和最大航程速度，并指出对于旋翼机，悬停通常并非最省能的状态。这些模型是后续进行能效优化的基础。 * 支撑子观点2.4：性能指标需结合通信与无人机任务特性。 除了传统的信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio， SINR）、中断概率、吞吐量和能效（比特/焦耳）外，文章指出在无人机通信中，任务完成时间和总能量消耗也成为了重要的性能指标。
主要观点三：无人机辅助无线通信通过灵活部署空中平台增强地面网络 在这一范式中，无人机作为空中基站或中继平台，协助增强地面通信。其核心优势在于按需快速部署、高概率LoS链路以及通过三维移动性带来的额外性能优化自由度。 * 支撑子观点3.1：核心设计是通信与轨迹的协同优化。 文章强调，利用无人机可控的移动性，可以将其轨迹设计与通信资源（如功率、频谱、波束）分配进行联合优化，以最大化系统性能（如覆盖范围、吞吐量、能效）或最小化任务完成时间。这构成了一个新颖的“通信-轨迹协同设计”问题。 * 支撑子观点3.2：应用场景广泛。 包括热点区域（如体育场）的数据分流、无线传感器和物联网数据收集、紧急情况下的快速服务恢复、应急通信中继等。 * 支撑子观点3.3：关键研究问题包括： 1) 无人机部署：在静态场景下，优化无人机的悬停位置（三维放置）以最大化地面覆盖或服务质量。2) 轨迹优化：在动态场景下，设计无人机的飞行路径以满足地面用户的通信需求，同时考虑信道条件、干扰和自身能耗。3) 能效优化：在能量受限条件下，联合设计轨迹和通信策略，最大化能量效率或总吞吐量。
主要观点四：蜂窝网络连接的无人机将无人机作为新空中用户接入现有网络 在这一范式中，无人机作为用户设备接入蜂窝网络。这为无人机运营商提供了几乎无限的操控范围和可靠的通信链路，同时为蜂窝网络开辟了新的业务增长点。 * 支撑子观点4.1：面临的主要挑战是强烈的空对地干扰。 无人机的高空和LoS主导信道特性是一把双刃剑。一方面提供了更好的链路质量，另一方面也导致严重的干扰问题。例如，一个上行传输的无人机用户可能因其与多个邻近基站的LoS链路而对它们造成强干扰；同样，下行接收的无人机用户也会受到多个同频基站的强干扰。这种干扰可能严重降低现有地面蜂窝网络的容量。 * 支撑子观点4.2：干扰缓解是关键技术。 文章概述了多种潜在的干扰管理技术：1) 专用于无人机的频谱分配：为无人机通信分配专用频段，与地面用户隔离，但牺牲频谱效率。2) 功率控制：动态调整无人机和基站的发射功率以抑制干扰。3) 天线技术：利用基站的三维波束赋形，将波束主瓣对准服务的无人机，同时将零陷指向受干扰的基站或用户。4) 协作通信：多个基站通过协作多点传输/接收服务无人机用户。5) 无人机轨迹规划：通过设计无人机的飞行路径，使其避开与强干扰源的LoS对齐，或主动寻找干扰较小的区域进行通信。
主要观点五：标准化与实验验证是推动技术落地的重要环节 文章不仅关注理论研究，也综述了产业界的实践与标准化进展。 * 支撑子观点5.1：3GPP的标准化工作。 详细介绍了3GPP在 Release-15 中启动的“基于LTE的空中车辆支持增强”研究项目及其成果，包括为无人机-基站通信制定的详细信道模型、天线模型以及具体的通信需求表格。这为学术界和工业界的研究与开发提供了重要依据和共同基准。 * 支撑子观点5.2：早期的现场试验。 提及了从2G到4G时代，一些运营商和机构进行的支持空中用户的可行性测试。例如，有初步的现场测量表明，现有基站天线的旁瓣可以为高达122米（400英尺）的无人机提供基本满足通信需求的覆盖。
文章的价值与意义 本文作为一篇发表在顶级期刊上的教程性综述，具有重要的学术价值和实践指导意义： 1. 系统性与前瞻性：文章首次以教程形式，系统性地构建了将无人机集成到5G及未来蜂窝网络的完整技术框架，清晰划分了“无人机作为平台”和“无人机作为用户”两大研究范式，指明了领域发展的主要方向。 2. 深度与实用性：文章超越了简单的文献罗列，深入探讨了无人机通信特有的基础模型（如精确的信道模型、创新的能耗模型），并提供了统一的教学式阐述，为后续研究者提供了可直接使用的理论工具和分析起点。 3. 桥梁作用：文章紧密连接了学术界的前沿研究（如轨迹-通信协同优化、干扰管理算法）与工业界的实际关切和标准化进程（如3GPP规范、现场试验），起到了很好的桥梁作用。 4. 启发未来研究：文章在总结现有成果的同时，明确指出了多个富有潜力的未来研究方向，例如：毫米波无人机通信、基于机器学习的无人机轨迹设计、考虑风的能耗模型、低成本MIMO架构、更精确的三维轨迹能耗模型、以及物理层安全等。这些洞察对领域后续发展具有显著的启发和引导价值。
总而言之，本文是无人机通信与蜂窝网络融合领域的一份里程碑式文献，为相关领域的研究人员、工程师和学生提供了不可或缺的入门指南和技术参考，极大地推动了该交叉学科方向的发展。