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面向6G的绿色无人机通信综述

期刊:Chinese Journal of AeronauticsDOI:10.1016/j.cja.2021.04.025

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作者与期刊信息
本文由Xu Jiang、Min Sheng、Nan Zhao、Chengwen Xing、Weidang Lu和Xianbin Wang共同撰写,分别来自大连理工大学、西安电子科技大学、北京理工大学、浙江工业大学和加拿大西安大略大学。该论文于2022年发表在《Chinese Journal of Aeronautics》第35卷第9期。

主题与背景
本文的主题是“面向6G的绿色无人机(UAV)通信”。随着无人机在军事和商业应用中的广泛应用,其在第六代(6G)网络中的潜力也日益受到关注。6G网络预计将实现空间、空中、地面和水下的全覆盖,而无人机因其低成本、灵活部署和视距(Line-of-Sight, LOS)通信链路等特性,被视为扩展网络覆盖的重要工具。然而,小型无人机的机载能源有限,如何延长其寿命并实现低功耗的绿色通信成为关键挑战。本文对6G绿色无人机通信进行了全面综述,介绍了典型的无人机类型及其能耗模型,探讨了绿色无人机通信的典型趋势、应用场景和设计方法,并指出了未来的研究方向和开放性问题。

主要观点与论据
1. 无人机类型及其能耗模型
无人机根据飞行机制主要分为固定翼无人机和旋翼无人机。固定翼无人机具有较高的速度和较低的能耗,但无法悬停;旋翼无人机则可以在固定位置悬停,但能耗较高。本文详细介绍了两种无人机的能耗模型。固定翼无人机的能耗主要与速度、加速度和飞行轨迹有关,而旋翼无人机的能耗则与悬停和飞行时的功率消耗相关。这些模型为无人机通信系统的能耗优化提供了理论基础。

  1. 绿色无人机通信的典型趋势
    绿色无人机通信的研究主要集中在三个方面:

    • 节能通信:通过优化无人机的轨迹、功率分配和用户调度,最小化通信和推进的能耗。
    • 能量收集:利用无线能量传输(Wireless Power Transfer, WPT)或环境能量(如太阳能、风能)为无人机提供能量支持。
    • 可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS):通过低功耗的被动反射表面改善通信环境,降低通信能耗。
  2. 无人机通信的典型应用与绿色设计
    无人机在6G网络中的应用场景包括:

    • 空中基站:无人机可以作为临时基站,为地面用户提供无线覆盖,特别是在应急情况下。
    • 中继通信:无人机作为中继节点,连接孤立的地面节点或太空设备。
    • 数据收集:无人机在恶劣环境中收集数据,例如无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)。
    • 移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC):无人机为边缘用户提供计算服务,降低计算延迟。
      在这些应用中,绿色设计通过优化无人机的轨迹、功率分配和能量管理,延长了无人机的寿命并提高了系统效率。
  3. 绿色无人机通信的技术与方法
    实现绿色无人机通信的技术包括:

    • 利用无人机的移动性:通过优化无人机的部署位置和飞行轨迹,缩短通信距离,降低路径损耗。
    • 功率分配:根据无人机的飞行状态和通信需求,动态调整发射功率,优化能量使用。
    • 定向传输:利用LOS信道和定向天线,集中发射能量,提高通信效率。
    • 更多频谱资源:通过毫米波(mmWave)和认知无线电技术扩展可用频谱,提高系统容量。
    • 能量收集:利用无线能量传输和环境能量为无人机提供能量支持。
  4. 开放研究问题
    本文还指出了绿色无人机通信领域的几个开放研究问题:

    • 延长无人机寿命:通过电池更换、无线充电和新型电池技术延长无人机的续航时间。
    • 精确的推进能耗模型:现有的能耗模型较为简化,未来需要开发更精确的模型。
    • 利用可再生能源:探索太阳能和风能等可再生能源在无人机通信中的应用。
    • 能量与覆盖的权衡:在扩展通信覆盖范围的同时,优化能量消耗。

论文的意义与价值
本文对6G绿色无人机通信的研究现状进行了全面梳理,为未来研究提供了重要的参考框架。通过总结无人机的能耗模型、绿色通信技术和典型应用场景,本文为学术界和工业界提供了宝贵的见解。此外,本文提出的开放研究问题为未来的研究方向提供了明确的指引,具有重要的学术价值和实际应用意义。

亮点
本文的亮点在于:
1. 全面综述了6G绿色无人机通信的研究现状,涵盖了无人机类型、能耗模型、绿色通信技术和典型应用场景。
2. 提出了多个开放研究问题,为未来的研究提供了明确的方向。
3. 结合理论模型和实际应用,深入探讨了绿色无人机通信的实现方法和优化策略。

通过本文,读者可以深入了解6G绿色无人机通信的前沿进展,并为相关研究提供理论支持和实践指导。

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