国家自然科学基金项目
蜂窝通信网络接入的无人机轨迹优化研究
基本信息
项目批准号：62101474
申请代码：F0105
项目名称：蜂窝通信网络接入的无人机轨迹优化研究
项目负责人：张硕闻
依托单位：香港理工大学深圳研究院
研究期限：2022-01-01 至 2024-12-31
资助经费：30.0（万元）
中文摘要：
随着超远距离的无人机应用的激增，传统的基于蓝牙或Wi-Fi技术的短距离空对地信息传输方式已无法满足无人机通信的需求。为解决该问题，无人机可以接入蜂窝通信网络，通过广泛分布的地面基站进行大范围、高性能的通信。以同时保证无人机飞行任务的高效完成和通信的高质量为目标，本项目拟研究在蜂窝通信质量约束下的无人机飞行轨迹优化，使得无人机在可以低时延接收地面控制信息和向地面高速传输所收集的数据信息，并尽快完成飞行任务。具体而言，拟对针对控制信息传输的轨迹优化、针对数据信息传输的轨迹优化及针对控制信息和数据信息联合传输的轨迹优化三方面展开研究。基于无人机应用的特点设计通信方案；建立系统的基于图论和凸优化理论的优化框架；取得无人机飞行任务性能和通信性能的最优平衡；提出低复杂度的离线和在线轨迹优化算法。研究成果将提高无人机飞行的安全性、拓宽无人机的应用场景，从而促进无人机产业和移动通信产业的发展。
英文摘要：
Motivated by the upsurge of long-distance applications of unmanned aerial vehicles (UAVs), the traditional short-distance communication technologies based on Bluetooth and Wi-Fi cannot satisfy the increasingly high communication demand between the UAVs and the ground. To overcome this issue, cellular-enabled UAV communication is an appealing new solution, where the UAVs can enjoy extended communication range and improved communication performance with the ground base stations (GBSs) in the cellular network. Aiming at simultaneously realizing efficient UAV flight and high communication quality, this project aims to study the UAV trajectory optimization under cellular communication constraints, so that the UAVs can receive control signals from the ground with high reliability and low latency as well as upload their collected data to the ground with high data rate. Specifically, this project aims to study 1) the trajectory optimization for control information transmission; 2) the trajectory optimization for payload data transmission; 3) the trajectory optimization for joint control information and payload data transmission. By exploiting the unique features of UAV communications, this project will design novel communication schemes; develop trajectory optimization frameworks based on graph theory and convex optimization; achieve the optimal trade-off between UAV’s flight performance and the communication performance; and devise low-complexity offline and online trajectory design algorithms. It is anticipated that this project will improve the safety of UAV flights and expand the application scenarios of UAVs, consequently benefiting both the UAV industry and the cellular industry.
结题摘要
无人机是低空经济的核心组成部分。通过将无人机接入蜂窝通信网络，广泛分布的地面蜂窝基站可以对无人机提供高质量的通信服务，从而保证无人机的飞行安全，支持无人机的新型应用，护航并服务低空经济。本项目聚焦蜂窝通信网络接入的无人机，提出了融合通信理论、感知理论、图论、优化理论的无人机传输机制和轨迹优化框架，并形成了从系统建模到理论分析到算法定制的完整解决方案。具体而言，针对无人机与基站间的数据信息传输（如高清图像、视频）、控制信息传输（如地面指令）及数据信息和控制信息共同传输这三种典型场景，本项目创新性地设计了量身定做的飞行、通信协议和传输机制。依托图论和优化理论，针对不同无人机应用场景（如多点拍摄、数据收集、货物运送、无线感知），考虑多个实际的无人机飞行、通信、任务性能指标（如飞行时间、通信信噪比、拍摄分辨率、感知成功率、基站切换次数），设计了新颖有效的无人机轨迹优化框架，以取得多个性能指标之间的平衡。所提算法可在多项式时间复杂度下实现高性能的无人机轨迹设计，并在性能和复杂度方面均大幅优于传统算法。此外，本项目亦将无人机传输机制和轨迹优化问题与下一代新型蜂窝通信网络中的热点技术（例如智能反射面、通信感知一体化）结合，考虑无人机用户的独有特点（如视距信道，高移动性，时延敏感等），提出了有针对性的通信系统解决方案。本项目拓宽了无人机的应用场景，为无人机产业、移动通信产业和低空经济产业的发展提供了关键的技术支持。项目执行过程中，课题组发表多篇IEEE顶级期刊论文（如IEEE Journal on Selected Areas in Communications 2篇, IEEE Transactions on Wireless Communications 5篇, IEEE Communications Magazine 1篇）和多篇IEEE通信、信息论、信号处理和车载技术领域旗舰会议论文（如IEEE Globecom, ISIT, ICASSP, VTC）。项目负责人获2024年IEEE通信学会亚太区杰出青年学者奖，2023年IEEE通信学会最佳教程论文奖，2022年IEEE通信学会青年作者最佳论文奖，2023年香港理工大学青年创新研究者奖等奖项。
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