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本书系统地介绍无人机通信技术、无人机通信网络组网技术，以及无人机通信网络中涉及的控制、安全等技术。在对无人机进行概述的基础上，本书将第2章到第12章分为三篇。第1篇是无人机通信网络基础篇，包括第2～5章，主要内容包括无线通信网络的基本概念、无人机通信网络的特征、无人机通信网络的信道模型、无人机通信网络性能的理论研究；第2篇是无人机-蜂窝融合通信网络篇，包括第6～9章，主要内容包括无人机通信网络的无线资源分配、无人机空地协作中继通信、无人机通信网络的安全传输、无人机的无线能量传输和无线携能通信；第3篇是无人机空中通信网络篇，包括第10～12章，主要内容包括无人机通信网络的组网技术、无人机集群、空-X一体化网络。

目    录
第1章  概述	1
1.1  引言	1
1.2  无人机的应用场景与发展历程	2
1.2.1  无人机的应用场景	2
1.2.2  无人机的发展历程	5
1.3  无人机系统概述	6
1.3.1  无人机类型	7
1.3.2  无人机控制与集群	9
1.3.3  无人机通信及其标准化	14
1.3.4  无人机通信网络与技术	19
1.4  本书的主要内容	23
本章参考文献	25
第1篇  无人机通信网络基础篇
第2章  无线通信网络的基本概念	29
2.1  引言	29
2.2  无线通信网络基础	29
2.2.1  分集技术	29
2.2.2  复用技术	31
2.2.3  双工技术	32
2.2.4  信道编/解码技术	33
2.3  无线信道的传输损耗与衰落	34
2.3.1  无线信道传输损耗	34
2.3.2  三种主要的快衰落	35
2.4  多址技术	37
2.4.1  多址技术的概述	37
2.4.2  正交频分多址技术	37
2.4.3  非正交多址接入技术	40
2.5  多天线技术	43
2.5.1  多天线技术的发展	43
2.5.2  多用户MIMO	44
2.5.3  Massive MIMO技术	46
2.6  本章小结	49
本章参考文献	50
第3章  无人机通信网络的特征	51
3.1  引言	51
3.2  节点三维运动	52
3.3  LoS电波传播	53
3.4  任务驱动网络	54
3.5  周围环境陌生	55
3.6  信息处理能力受限	56
3.7  能量供给能力受限	57
3.8  气象条件的影响	58
3.9  恶意干扰的影响	59
3.10  本章小结	61
本章参考文献	61
第4章  无人机通信网络的信道模型	64
4.1  引言	64
4.2  无人机通信网络的大尺度衰落模型	64
4.2.1  路径损耗模型	65
4.2.2  阴影衰落模型	68
4.3  无人机通信网络的快衰落模型	70
4.3.1  莱斯衰落模型	71
4.3.2  Nakagami-m衰落模型	71
4.3.3  色散参数	71
4.4  3GPP无人机通信网络的信道建模与测量	75
4.4.1  LoS概率	75
4.4.2  路径损耗	77
4.4.3  阴影衰落	77
4.4.4  快衰落	78
4.5  本章小结	80
本章参考文献	81
第5章  无人机通信网络性能的理论研究	82
5.1  引言	82
5.2  随机几何理论的基础知识	82
5.2.1  空间点过程	83
5.2.2  随机几何的分析工具	85
5.2.3  随机几何分析常用结论	86
5.3  随机几何网络模型	88
5.4  单层无人机通信网络性能的理论研究	89
5.4.1  系统模型	89
5.4.2  覆盖率	90
5.5  热点覆盖场景下无人机通信网络性能的理论研究	93
5.5.1  系统模型	93
5.5.2  覆盖率和频谱效率性能	94
5.5.3  性能仿真验证	98
5.6  灾难救援场景的无人机通信网络性能的理论研究	99
5.6.1  系统模型	99
5.6.2  覆盖率和频谱效率性能	100
5.6.3  性能仿真验证	105
5.7  热点覆盖场景的无人机通信网络缓存性能的理论研究	106
5.7.1  系统模型	106
5.7.2  缓存策略	108
5.7.3  缓存覆盖率与平均速率性能	109
5.7.4  性能仿真验证	115
5.8  灾难救援场景的无人机通信网络缓存性能的理论研究	121
5.8.1  系统模型	121
5.8.2  缓存策略	122
5.8.3  卸载率与平均速率性能	123
5.8.4  性能仿真验证	129
5.9  本章小结	134
本章参考文献	134
第2篇  无人机-蜂窝融合通信网络篇
第6章  无人机通信网络的无线资源分配	137
6.1  引言	137
6.2  无线资源分配研究概述	138
6.2.1  无线资源管理的优化目标	138
6.2.2  无线资源管理的优化方法	139
6.3  无人机辅助异构蜂窝网络的无线资源分配	140
6.3.1  无人机辅助异构蜂窝网络的特点与挑战	140
6.3.2  UBS前传链路和回传链路的联合优化	141
6.4  无人机辅助NOMA系统的无线资源分配	146
6.4.1  NOMA的工作原理	146
6.4.2  无人机辅助NOMA系统的特点与挑战	148
6.4.3  无人机辅助NOMA系统的无线资源联合优化	148
 
6.5  无人机辅助缓存蜂窝网络及其资源分配	157
6.5.1  无人机辅助缓存蜂窝网络概述	157
6.5.2  无人机辅助缓存蜂窝网络的资源分配	159
6.6  无人机毫米波通信波束赋形与资源分配	167
6.6.1  无人机毫米波通信的特点与挑战	167
6.6.2  波束赋形与资源分配设计	168
6.7  本章小结	173
本章参考文献	174
第7章  无人机空地协作中继通信	176
7.1  引言	176
7.2  无人机空地协作中继通信的研究现状	177
7.3  远程应急无人机中继系统	179
7.3.1  无人机信道模型	179
7.3.2  多中继接收信噪比	181
7.3.3  最优部署位置与飞行高度	182
7.3.4  性能理论分析	185
7.3.5  性能仿真验证	187
7.4  低时延高可靠的无人机中继系统	189
7.4.1  系统模型	189
7.4.2  无人机悬停部署设计	191
7.4.3  性能仿真验证	193
7.5  无人机中继系统的飞行轨迹优化	195
7.5.1  系统模型	196
7.5.2  轨迹与功率联合优化	197
7.5.3  性能仿真验证	200
7.6  本章小结	203
本章参考文献	203
第8章  无人机通信网络的安全传输	205
8.1  引言	205
8.2  基于人工噪声的无人机通信网络的安全传输	206
8.2.1  系统模型	207
8.2.2  安全传输方案设计	208
8.2.3  性能仿真验证	211
8.3  基于NOMA的无人机通信网络的安全传输	214
8.3.1  系统模型	214
8.3.2  NOMA-UAV网络的安全功率分配方案	216
8.3.3  性能仿真验证	219
 
8.4  无人机中继系统的安全传输	221
8.4.1  系统模型	221
8.4.2  无人机中继系统保密速率优化方案	224
8.4.4  性能仿真验证	227
8.5  无人机中继辅助隐蔽通信	230
8.5.1  无人机中继通信信道及有限包长传输速率	230
8.5.2  无人机有限字长隐蔽通信设计	231
8.5.3  性能仿真验证	235
8.6  本章小结	236
本章参考文献	236
第9章  无人机的无线能量传输和无线携能通信	238
9.1  引言	238
9.2  WPT和SWIPT技术概述	238
9.2.1  WPT技术的基本原理	238
9.2.2  SWIPT技术的基本原理	239
9.3  无人机WPT网络优化	241
9.3.1  无人机WPT网络模型	241
9.3.2  飞行轨迹和波束方向图优化算法设计	242
9.3.3  性能仿真验证	242
9.4  无人机辅助SWIPT网络优化	244
9.4.1  无人机辅助SWIPT网络模型	244
9.4.2  基于用户动态需求的实时路径规划算法设计	246
9.4.3  性能仿真验证	246
9.5  多无人机辅助SWIPT网络优化	247
9.5.1  多无人机辅助SWIPT网络模型	247
9.5.2  无人机飞行轨迹和资源分配优化算法	249
9.5.3  性能仿真验证	249
9.6  本章小结	250
本章参考文献	251
第3篇  无人机空中通信网络篇
第10章  无人机通信网络的组网技术	253
10.1  引言	253
10.2  无人机频谱管理	254
10.2.1  无人机频谱的挑战	254
10.2.2  动态频谱管理系统	255
10.2.3  与频谱相关的关键技术	255
 
10.3  多路访问控制协议	257
10.3.1  多路访问控制协议概述	257
10.3.2  多路访问控制协议分类与研究现状	258
10.4  拓扑及功率管理	259
10.4.1  拓扑结构	259
10.4.2  功率控制技术	261
10.4.3  拓扑控制技术	262
10.5  路由协议	263
10.5.1  主动协议	264
10.5.2  被动协议	264
10.5.3  混合协议	265
10.6  本章小结	266
本章参考文献	266
第11章  无人机集群	270
11.1  引言	270
11.2  无人机集群的路径规划	271
11.2.1  A*算法	271
11.2.2  人工势场法	272
11.2.3  蚁群算法	275
11.2.4  粒子群算法	276
11.2.5  遗传算法	278
11.3  无人机集群的抗干扰技术	280
11.3.1  频域抗干扰技术	280
11.3.2  功率域抗干扰技术	281
11.4  无人机集群的路由及拓扑管理	281
11.4.1  分簇结构	281
11.4.2  分簇算法	282
11.4.3  分簇路由	284
11.5  无人机集群控制	284
11.5.1  集中式控制	286
11.5.2  分布式控制	286
11.6  无人机集群智能	287
11.6.1  无人机集群智能简介	287
11.6.2  无人机集群智能在任务规划中的应用和技术发展	287
11.6.3  无人机集群智能在信息交互中的应用和技术发展	288
11.7  本章小结	288
本章参考文献	289
 
第12章  空-X一体化网络	294
12.1  引言	294
12.2  空地一体化网络	295
12.2.1  空地一体化网络的现状	295
12.2.2  空地一体化网络的架构	297
12.2.3  空地一体化网络的典型应用	298
12.2.4  空地一体化网络的部署挑战	300
12.3  空天一体化网络	301
12.3.1  空天一体化网络的现状	301
12.3.2  空天一体化网络的架构	303
12.3.3  空天一体化网络的典型应用	304
12.3.4  空天一体化网络的部署挑战	305
12.4  空海一体化网络	305
12.4.1  空海一体化网络的现状	305
12.4.2  空海一体化网络的架构	307
12.4.3  空海一体化网络的部署挑战	308
12.5  空天地海一体化网络	308
12.5.1  空天地海一体化网络的现状	308
12.5.2  空天地海一体化网络的关键技术	310
12.5.3  空天地海一体化网络的典型应用	311
12.5.4  空天地海一体化网络的部署挑战	311
12.6  本章小结	312
本章参考文献	312

前    言
无人机是一种具有自主动力的非载人飞行器，可通过人工操控或者自动驾驶方式执行多种任务。凭借着灵活的飞行特性，无人机的应用受到了广泛关注。起初，无人机主要用于在军事领域执行前线侦察、情报收集、空中打击等任务，随着无人机技术的不断发展，设备成本不断降低，小型无人机开始应用于民事领域。无人机与农业、公安、测绘和物流等行业的结合，创造出了极大的社会经济价值。目前，各国已将无人机纳入国家空域管理体系，各大无人机制造商也在致力于无人机的创新应用。
在无人机支持的各种应用中，在无人机上部署无线通信设备获得广泛关注，使用无人机实现高速移动通信有望在未来的无线网络中发挥重要作用。无人机作为通信设备主要分为两种方式：一种是作为移动终端同时搭载专门工具用于多种应用，如航空测绘、航空拍摄、物流快递、低空监视、灾后救援、后勤应用等，这类无人机作为移动终端主要用于信息传输；另一种则作为网络设备构建各类无人机通信网络，通过无人机的灵活部署实现受灾地区或战场的应急通信、热点区域的网络扩容与覆盖，以及飞行自组织网、空天地海一体化网络等。随着无人机的广泛应用和无人机通信网络的迅速发展，很多研究机构、标准组织都将目光投向了无人机通信网络的研究开发与标准化工作。同时，各大高校、研究机构都开展了无人机通信相关技术的理论研究与验证。
无人机作为通信设备具有成本低、移动性好的优势，可以实现灵活部署与动态调整，尤其是多旋翼无人机，可以悬停在固定位置并执行任务。同时，小型无人机通常在300 m以下的低空飞行，在大多数情况下都可以与地面节点建立视距链路，改善地面通信因建筑物、山地等导致的无线信道损耗。因此，无人机通信网络在通信恢复、热点覆盖、通信中继、信息传播、数据收集等方面发挥着重要作用，有望成为第六代（6G）移动通信网络的重要组成部分之一。
无人机通信网络在军事和民事领域具有巨大的应用前景，同时也面临着较多技术挑战。无人机与当前移动通信领域新技术紧密结合，相关学者针对无人机结合毫米波技术、非正交多址接入技术、物理层安全技术、无线携能通信技术等问题已经开展了大量研究。在开展无人机通信网络的研究过程中，我们发现，没有可用的参考书来指导相关的研究。一方面，无人机通信网络技术在近年来发展迅速，新技术从理论研究到实际应用的时间越来越短，很多参考书更新不及时；另一方面，无人机通信网络的研究是当前的研究热点，越来越多的研究工作者准备或者正在从事相关研究工作，因此需要有一本合适的参考书来全面概括无人机通信网络的知识，深度总结已有研究内容、研究方法和主要结论，对未来潜在的研究方向给予指导和启发。基于上述考虑，在电子工业出版社的支持下，我们开始了本书的编写工作。本书侧重于无人机通信网络的相关技术研究，展现了无人机通信网络的相关技术研究方法与成果，以及无人机通信网络在设计与部署方面面临的机遇与挑战。
本书编著者来自北京邮电大学、大连理工大学、华南理工大学的相关研究团队，均为无人机通信领域的专家。北京邮电大学的研究团队在无人机组网和资源管理方面具有较多理论研究成果，同时研制了6G移动通信网络的无人机基站原型，搭建了无人机移动边缘计算原型系统。大连理工大学的研究团队在无人机中继协作、无人机通信安全方面具有丰硕的理论研究成果，并成功搭建了无人机中继通信网络。华南理工大学的研究团队在无人机无线携能通信方面具有较多理论研究成果，完成了无人机无线携能通信系统的概念验证。上述研究团队的研究工作也得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等一系列国家级科研项目的资助。
本书由北京邮电大学的许文俊教授和张天魁教授、大连理工大学的赵楠教授、华南理工大学的唐杰教授编写。许文俊教授编写了第1章、第3章、第10章、第11章、第12章，张天魁教授编写了第2章、第4章、第5章、第6章（除6.6节），赵楠教授编写了第7章、第8章、6.6节，唐杰教授编写了第9章。北京邮电大学的博士生雷佳艺、王柄荣、徐瑜、张婧琳、钟培垚、童伟强、林兰、向兰华、张艺檬，大连理工大学的博士后蒋旭和博士生陈新颖、逄小玮、王蔚及硕士生苏宇华，华南理工大学的博士生冯婉媚、马若炎和硕士生余钰、宋静茹、李凯，在本书的前期准备过程中做了大量的文献搜集、资料整理与仿真验证工作。此外，需要特别感谢雷佳艺为本书各章进行的文字整理与校对工作，为本书付出了大量的时间与心血。本书得到国家重点研发计划项目（2020YFB1807002）和国家自然科学基金项目（No. 61971060、No. 61871065）的资助。
移动通信技术在不断创新变革，并且与多领域、多学科交叉渗透，具有广阔的发展空间和深远的社会、经济影响。无人机通信网络技术涉及控制、安全等多个领域，很多技术研究方兴未艾，同时很多技术问题尚未最终定论。整理、撰写、校订书稿对于编著者也是一个学习的过程，由于时间、知识和精力有限，书中难免出现错误或疏漏，如有不妥之处，恳请广大读者批评指正，以便编著者继续学习并不断完善本书。

编著者  
2023年7月

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