《无人机集群自组网理论与技术》重点介绍面向无人机集群的自组网问题。主要考虑无人机集群作为空中基站构建空中骨干网来辅助地面通信和使用无人机集群构建*立网络这两种典型场景。在这两种场景下，多无人机之间主要通过自组织的方式形成网络，其中涉及无线通信、自组网、资源优化，以及智能化等技术。因此，《无人机集群自组网理论与技术》的主要内容包括：面向无人机集群不同传输需求的一体化可靠通信波形设计；无人机作为空中基站场景下的按需覆盖部署、终端接入控制，以及通信资源和移动轨迹等多维资源的智能优化；无人机集群构建*立网络场景下的自组织快速建网机制、分布式资源分配和拓扑控制等相关内容。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 无人机通信网络概述 1
1.2 无人机技术与发展 3
1.2.1 单体无人机发展概述 3
1.2.2 无人机集群发展概述 9
1.3 无人机通信组网的需求与发展趋势 12
1.3.1 需求分析 12
1.3.2 研究现状 15
1.3.3 发展趋势 21
1.4 本书章节安排 23
参考文献 24
第2章 面向无人机集群的一体化可靠通信 29
2.1 引言 29
2.2 基于SC-FDE的直接序列扩频通信波形 31
2.2.1 系统框架 31
2.2.2 时频混合直接序列扩频接收机结构 32
2.2.3 基于CAZAC序列的扩频通信方法 33
2.2.4 仿真结果与分析 34
2.3 控制数传一体化波形设计 36
2.3.1 基于循环码移键控的高速扩频通信方法 36
2.3.2 多模式自适应扩频通信机制设计 40
2.3.3 仿真结果与分析 41
2.4 认知跳频抗干扰机制 43
2.4.1 问题概述 43
2.4.2 分布式认知跳频通信框架 45
2.4.3 基于异步跳频机制的信道盲交汇策略 47
2.4.4 实验结果与分析 49
2.5 本章小结 56
参考文献 57
第3章 无人机空中基站按需部署及终端接入 59
3.1 引言 59
3.2 国内外研究现状及发展动态分析 60
3.3 无人机空中基站部署算法 63
3.3.1 系统模型与问题描述 64
3.3.2 无人机空中基站部署算法设计 68
3.3.3 仿真结果与分析 73
3.4 无人机辅助固定基站的部署算法 80
3.4.1 系统模型与问题描述 80
3.4.2 混合式部署算法设计及仿真 84
3.4.3 性能仿真与分析 89
3.5 地面终端用户接入算法 102
3.5.1 三种典型的接入算法 102
3.5.2 仿真结果与分析 105
3.6 本章小结 107
参考文献 108
第4章 无人机空中骨干网通信资源分配 112
4.1 引言 112
4.2 网络场景和协议介绍 114
4.2.1 并行传输MAC协议 115
4.2.2 无人机空中骨干网通信过程 116
4.3 系统模型和问题描述 116
4.3.1 位置预测和表征 117
4.3.2 定向天线三维模型 118
4.3.3 毫米波信道模型 120
4.3.4 问题构建 121
4.4 基于对偶的迭代搜索资源分配方案 123
4.4.1 构建对偶问题 123
4.4.2 计算对偶函数 124
4.4.3 优化对偶函数和求解原问题 127
4.4.4 基于对偶的迭代搜索算法 130
4.4.5 算法复杂度分析 130
4.5 序贯穷举资源分配方案 131
4.5.1 序贯穷举分配算法 131
4.5.2 算法复杂度分析 133
4.6 仿真结果与分析 133
4.6.1 算法收敛性评估 135
4.6.2 链路数量、时隙数量和波束宽度对平均吞吐量的影响 136
4.6.3 链路调度优先级 138
4.6.4 传输速率公平性 139
4.6.5 时隙分配公平性 140
4.6.6 计算复杂度 141
4.7 本章小结 142
参考文献 142
第5章 无人机空中基站轨迹和通信资源联合优化 146
5.1 引言 146
5.2 基于约束强化学习的单无人机轨迹与通信资源联合优化 148
5.2.1 系统模型与问题描述 148
5.2.2 基于约束强化学习的无人机轨迹与通信资源联合优化 151
5.2.3 仿真实验与性能分析 158
5.3 基于协作多智能体强化学习的多无人机轨迹与通信资源联合优化 163
5.3.1 系统模型与问题描述 163
5.3.2 基于协作多智能体强化学习的轨迹与通信资源联合优化 167
5.3.3 仿真结果与分析 175
5.4 本章小结 180
参考文献 181
第6章 无人机自组网抗干扰快速建网 184
6.1 引言 184
6.2 基于局部信息的多信道自主建网机制 185
6.2.1 问题定义 185
6.2.2 多信道自主建网算法 186
6.2.3 仿真结果与分析 193
6.3 基于自适应蜂鸟算法的拓扑优化 197
6.3.1 问题定义 197
6.3.2 基于ADHA的拓扑优化 201
6.3.3 仿真结果与分析 211
6.4 本章小结 219
参考文献 220
第7章 受生物启发的无人机自组网资源分配 223
7.1 引言 223
7.2 受萤火虫同步启发的时域避免碰撞演进机制 224
7.2.1 萤火虫同步现象及其数学模型 225
7.2.2 受萤火虫同步现象启发的免碰撞资源调度方案 231
7.2.3 仿真结果与分析 237
7.3 基于浓度扩散的频域多信道分布式自适应组网机制 239
7.3.1 问题建模 240
7.3.2 基于分布式分簇改进模型及算法 242
7.3.3 仿真结果与分析 245
7.4 基于图着色的时频空三维网络资源调度算法设计 251
7.4.1 基本概念与问题建模 251
7.4.2 基于图着色的二维资源分配 253
7.4.3 基于图着色的多频率下时频空三维资源分配 256
7.4.4 仿真结果与分析 258
7.5 本章小结 260
参考文献 261
第8章 基于虚拟力的无人机集群拓扑控制 263
8.1 引言 263
8.2 虚拟力场基本模型 266
8.2.1 引力模型 267
8.2.2 斥力模型 268
8.2.3 引力和斥力作用实例 269
8.3 基于虚拟力场的按需覆盖 274
8.3.1 系统模型与问题描述 274
8.3.2 虚拟力设置 275
8.3.3 基于虚拟力的分布式部署算法 279
8.3.4 算法仿真 282
8.4 基于虚拟力场的规则拓扑构建 287
8.4.1 系统模型和问题构建 287
8.4.2 虚拟力设置 288
8.4.3 基于虚拟力的拓扑构建算法 293
8.4.4 仿真结果与分析 294
8.5 基于虚拟力场的群体移动控制算法 299
8.5.1 系统模型和问题构建 299
8.5.2 虚拟力设置 300
8.5.3 基于虚拟力的群体移动控制算法 301
8.5.4 仿真结果与分析 307
8.6 本章小结 316
参考文献 316

第1章绪论
　　近十年来，随着人工智能、控制、通信和计算机等相关支撑技术的不断进步，以无人机、无人车和无人艇等为代表的无人系统得到迅速发展。无人系统也逐渐融入人们的生活中，在勘探测量、无人物流、智能交通、智慧农业等各行业领域都展现出广阔的发展前景。在各种无人系统中，无人机技术的发展尤为迅猛，无论是在民用领域还是国防领域都得到了广泛应用。在民用领域，面向普通民众的消费级无人机已随处可见，面向农业植保、森林防火、交通监视、电路巡检等应用的专业级产品也日趋普及；在国防领域，无人机更被视为未来战场的重要组成部分，不仅能作为实时、主动、全天候地探测和收集各类信息的重要手段，还能协助各类平台完成任务支援、信息对抗和火力攻击等高难度任务。无人机突破了有人系统设计的局限，可以预见，无论是在民用还是国防领域，无人机都将为未来生产形态、设备体系、科学技术的创新开启广辟空间。
　　在万物智联的趋势下，更多无人机将接入移动通信网络中，或者在一定区域内构建*立的专用通信网络。当前，无论是学术界还是工业界都已形成共识，无人机将在未来空天地一体化网络中充当重要的角色。本章将对无人机通信组网问题进行整体介绍，使读者有全面的了解。
　　1.1无人机通信网络概述
　　无人机在网络中承担的角色大致可以分为空中基站(或者接入点、中继点)、终端和对等节点，如图1-1所示。图1-1用不同的无人机图标来表示不同类型的无人机。一方面，无人机可以作为地面用户的空中通信基站或者中继，特别是在临时热点区域或紧急情况下，不仅能扩大无线网络的覆盖面积，还能提升无线网络的传输性能，此时无人机扮演了基站、接入点或者中继点的角色。另一方面，无人机可以在移动网络架构下作为接入地面基站或者卫星的终端，即形成网联无人机，这样可以扩展操控者对无人机的控制区域，实现远距离操控，此时无人机是网络中的一个终端。另外，移动的无人机之间可以构建自组网络，不依赖基站、卫星或者地面控制站，在一个区域形成相互协作的无人机集群系统，此时各无人机都是相互对等的普通网络节点。可以预见，由于无人机的灵活性(包括部署的灵活性、移动的灵活性和角色切换的灵活性)，无论是在空天地一体化的广域覆盖网络中，还是在对热点区域的局部覆盖网络中，无人机都将扮演越来越重要的角色。
　　图1-1无人机通信网络示意图
　　无人机接入或者构建通信网络有其突出优势，因为无人机的空中飞行使其能够尽可能与地面用户建立视距传输链路，而且无人机移动的灵活性也能够实现快速部署和按需部署。同时，必须认识到无人机通信与传统地面装备的通信有很大区别，无人机自身设计和工作环境的动态性都为通信网络的设计带来挑战。表1-1列出了无人机与传统地面装备在通信方面的主要区别。从无人机自身看，与传统地面装备相比，其移动和悬停抖动会导致信道动态变化，并且通信波形设计需要满足功耗和实时性等方面的*特需求，其执行任务的无人化和强自主性导致其大部分数据传输和组网都需要通过自主决策来完成；从无人机的工作环境看，在很多突发事件中，无人机常常面临环境高复杂、博弈强对抗、信息不完整等挑战，无人机集群的行为无法像诸多无人机商业表演那样事先彩排，难以集中控制，遇到紧急情况时更是无法预先规划，只能自组织地完成。
　　随着相关学科理论、技术和制造工艺的不断发展，无人机的形态越来越多样化，个体的传感、计算等能力和飞控性能等不断增强，但受限于工作环境和可用的通信频段，承担无人机个体间联系纽带作用的通信和组网成为无人机集群形成生产力的瓶颈问题。一个重要原因就是其通信模块设计还是基于地面装备的思路，缺乏对无人机所处的通信环境的深入理解，因此难以针对性地对其适用的射频天线、通信波形和组网机制进行设计。
　　综上所述，目前无人机通信网络中还有许多基础性的理论问题和关键技术问题需要解决。这也是本书写作的主要动机，希望作者的一些前期研究和探索能给读者带来启发。为此，*先简述无人机技术与集群技术的发展现状，然后分析无人机个体间以及无人机与地面设备间的通信组网需求和特点，并基于此对无人机通信组网要解决的问题和现状进行概述，*后给出本书章节安排。
　　1.2无人机技术与发展
　　1.2.1单体无人机发展概述
　　1.商业/民用无人机领域的发展概述
　　随着技术的不断进步和应用场景的拓展，无人机将发挥更重要的作用，其在商业领域和民用领域的需求规模不断增长，特别是在货运快递、高效检查、精确测绘等垂直行业领域得到*快速的发展。在货运快递领域，无人机的快速配送将提升效率和降低成本，满足人们对即时送货的需求。国内外的快递业巨头以及全球数百家小型无人机公司正在通过建立无人机交付业务来彻底改变物流链和供应链的运营。这种递送方式将对医疗保健、紧急服务和物流等部门产生极大影响。在高效检查领域，面向建筑、消防、线路巡检等，无人机的应用可显著提高安全监测的效率和救援工作的及时性。特别是对石油和天然气开采、电力线和输电塔等重要基础设施进行检查、监测和维护，无人机有其*特的优势。在精确测绘领域，建筑、采矿和农业等行业从无人机捕获地理空间数据的精确性和效率中获得更高的效益。无人机可帮助农民实现智能化管理，提高农作物的产量和质量。截至2023年，全球无人机测绘和测量市场约为100亿美元。此外，随着无人机技术的进步，人工智能和自动化控制的应用将进一步提升无人机的性能和功能，从而将进一步扩展无人机的应用场景。根据2023年8月发布的全球181个国家数据的年度商用无人机市场报告，包括商业和娱乐在内的民用无人机市场将增长到546亿美元，复合年增长率为7.1%，其中商业无人机市场预计将增长7.7%[1]。
　　亚洲仍是商用无人机的*大市场。目前，我国已经具备自主设计研发低、中、高端无人机的能力，基本形成配套齐全的研发、制造、销售和服务体系，在无人机机种上已经形成种类齐全、功能多样的较完备的系列，而且性能指标也不断得到改善提升，部分技术已经达到国际先进水平，走上全面发展的道路。据统计，目前我国民用无人机的市场规模占比超过了军用无人机，达到70%左右[2]。未来，行业市场结构仍将不断改变，民用无人机市场将不断扩大。
　　整体而言，无人机在商业领域或者民用领域的各个行业中都有很大的发挥空间，而且随着市场的不断扩大，商业无人机的服务厂商进一步细分为三个领域：硬件、软件和服务。硬件厂商主要包括无人机平台制造商，以及无人机组件、系统和载荷的制造商等；软件提供商包括提供无人机飞行规划、数据分析和无人机管理的公司；服务供应商包括所有类型的无人机公司，这些公司提供服务租赁，如检查、测绘、农业植保等在较短时间内就可以完成的服务。在未来，人工智能、自动控制、信息通信、芯片制造、精密加工等相关支撑学科的不断发展将给无人机的行业发展带来不断的突破和新生力量，是推动无人机行业向上发展的原动力。
　　2.军用无人机领域的发展概述
　　除了民用市场的无人机，军用无人机也得到了广泛关注。早在20世纪70年代，军用无人机就在战场上崭露头角。近年来，军用无人机越来越频繁地出现在局部战争中，无人机的发展也被越来越多的国家置于重要的地位。
　　一般而言，无人机按大小和质量可以分为大型无人机(500kg以上)、中型无人机(200～500kg)、小型无人机(小于200kg)、微型无人机(翼展50cm以下)。目前，所有军事强国都装备了大、中、小型等多种型号的无人机，用来执行侦察、监视、攻击、拦截等各种任务。国际无人机包括美国的“全球鹰”无人机、“死神”无人攻击机，以色列的“苍鹭”无人机，法国的“神经元”无人机，英国的“雷神”无人机，俄罗斯的“鳐鱼”无人机等。可以预见，在未来战争中，军用无人机的使用将会更加广泛。
　　与有人作战飞机相比，无人机在提升性能、降低成本、避免伤亡等方面都有突出的优点。*先，无人机不受飞行员生理和心理机能的限制，可以使性能得到大幅提升，在机动性、隐身性和飞行时长等方面优于有人机。飞行员能短暂承受的机动过载为7g～9g，无人机可到达20g，*大飞行速度可达高超声速，续航时间可达数天。其次，无人机没有驾驶舱和救生系统，因此可以减小体积和重量，大大降低了研发和生产成本。携带相同的载荷时，无人机重量*大可减轻57%，体积*大可缩小40%，无人机的研发和生产费用为有人机的1/3，操作维护成本为有人机的1/4。而且无人机操作员的培养费用要大大低于有人机，目前世界各军事强国的无人机操作员数量已经超过战斗机飞行员数量。*后，无人机可以不受人身安全限制，执行危险单调任务，避免人员伤亡。在有核沾染、生化武器或者其他安全威胁的地方，无人机具有应用优势，关键时刻还可以牺牲无人机来换取人员安全。
　　3.无人机在通信网络中的角色分析
　　1)无人机作为空中通信基站或者中继
　　尽管各种地面基站基本可以满足日常的通信负荷，然而当出现突发情况时或者在非常规的临时场景中，仅依靠地面无线通信设施无法满足现实需求，如重大自然灾害的网络重建、偏远地区的临时通信部署、重大节假日聚集活动现场的无线资源分配等。为了有效提升这些场景中无线通信的质量，可以通过部署无人机来辅助通信，在此场景下，宏基站(macro base station，MBS)用于提供地面区域的基本覆盖，无人机作为空中基站(aerial base station，ABS)，当热点区域或者灾害区域存在多样或者大量的服务需求时，可以帮助地面宏基站提供高速率的数据覆盖。对于有无人机蜂窝基站和宏基站重叠覆盖的区域，可以使用无人机蜂窝基站来缓解下行流量拥塞，该区域用户可以基于用户优先级、信号强度信息或者与基站的距离信息来选择宏基站服务或者无人机机载基站部署的服务。对于宏基站无法覆盖到的区域，可以使用无人机作为中继，来满足地面用户的入网需求，此时可以基于地面用户的时间和空间分布特性来灵活部署无人机的位置。在我国*近几年的紧急救灾过程中，经常使用无人机作为空中通信基站为用户提供语音、短信和互联网服务，有效满足了当地救灾指挥通信需求，恢复了公众通信基本能力。
　　具体而言，无人机作为空中通信基站或者中继来辅助通信时具有如下优势。
　　(1)视距信道。无人机可以悬停或盘旋在空中，因而与地面用户间的信道主要为直射链路。可以通过直射链路而不需要折射或散射，无人机与地面通信设备间的信道质量高、衰减小。因此，通过无人机辅助可以有效提升接收端的信噪比，进而实现高质量通信。
　　(2)高移动性。无人机作为小型飞行器，可以通过遥控终端进行控制。由于空中并无遮挡且其自身的位置不固定，可以通过实时调整部署以实现应急通信。此外，对于一些非突发但临时的应用场景，无人机通信也可以方便快捷地进行部署。
　　(3)低成本组网。无人机可以灵活部署，应用于复杂多变的场景及环境。由多无人机组成的蜂群可以在不同的应用场景下构建稳定的通信网络，并且可以进行多次再部署。因此，可以利用无人机进行低成本临时组网，以应对不同类型的需求。
　　2)无人机作为移动网络终端
　　除了作为空中基站服务地面用户，无人机本身也可以作为新的空中用户，从空中接入蜂窝网络、卫星网络或者空天地一体化网络中进行通信，这种方式下的无人机作为移动网络终端的工作示意图如图1-2所示。蜂窝网络在全球范围内的可访问性，使得地面飞行员能够远程指挥和控制无人机，其操作范围广，为无人机在未来的应用开辟了新的领域。目前已公布的许多第五代移动通信技术(5th generation mobile communication technology，5G)组网无人机项目，其基本原理是利用5G通信网络替代无人机上自带的通信链路。搭载5G通信模块的无人机和地面端计算机通过5G蜂窝网络，利用5G基站接入运营商服务器，*终实现无人机远程控制。
　　图1-2无人机作为移动网络终端的工作示意图
　　无人机作为空中用户，与地面基站相连接而形成的结构是多样的、灵活的。图1-3中给出了五种典型的无人机网