蜂窩聯(lián)接的毫米波/太赫茲無人機通信網絡中的通信-感知-控制融合調度

浪逸書生 2022-04-24

展開全文

寫在前面：本期推送是IEEE JSAC通感一體專題計劃的第七篇，介紹近期在IEEE JSAC發(fā)表的論文“Integrated Scheduling of Sensing, Communication, and Control for mmWave/THz Communications in Cellular Connected UAV Networks”。該論文利用通信感知控制融合調度，解決無人機輔助高頻毫米波/太赫茲通信中的波束追蹤對準問題，同時保障無人機運動控制和通信傳輸速率性能需求。作者如下：

《蜂窩聯(lián)接的毫米波/太赫茲無人機通信網絡中的通信-感知-控制融合調度》

常博^① 唐威^① 閆曉鈺^① 童鑫^① 陳智^①

^①(電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室)

Citation: B. Chang, W. Tang, X. Yan, X. Tong and Z. Chen,'Integrated Scheduling of Sensing, Communication, and Control for mmWave/THz Communications in Cellular Connected UAV Networks,'. IEEE J.Sel. Areas Commun., early access, doi: 10.1109/JSAC.2022.3157366.

本文下載地址：

https://ieeexplore./abstract/document/9729746

一、研究背景和研究動機

在無線通信、人工智能、傳感技術、云/邊緣計算等先進技術的推動下，無人機(unmanned aerial vehicle, UAV) 網絡正在向蜂窩化過渡。蜂窩輔助無人機網絡通過構建空地網絡，實現(xiàn)無縫廣域覆蓋，在無需或幾乎不需要人工協(xié)助條件下，為用戶（UE）提供高速率、低延遲和超可靠的無線通信。蜂窩輔助無人機作為回程的輔助節(jié)點，可以將用戶生成的海量數(shù)據回傳到地面基站(BS)。例如，自動駕駛汽車每小時可能會生產大約4TB的回傳數(shù)據。蜂窩輔助無人機網絡可以為自動駕駛汽車提供高效回程鏈路。然而，目前無線通信所采用的頻段并不能保證如此高的數(shù)據速率要求。

高頻毫米波（mmWave）和太赫茲（THz）通信有望通過提供超高傳輸速率來滿足上述數(shù)據傳輸需求（每秒數(shù)十Gbps甚至數(shù)Tbps速率需求）。采用毫米波/太赫茲頻段的無人機網絡有兩個主要優(yōu)勢。首先，如上所述，毫米波/太赫茲通信可以充分保證無人機到基站回程鏈路的超高數(shù)據速率。其次，高頻毫米波/太赫茲波段可以提供高質量的感知特性。此時，基站可以作為雷達跟蹤無人機，以實現(xiàn)基站到無人機的波束對準和無人機運動控制。具體來說，由于無人機在空中自由移動，基站需要通過雷達感知對無人機定位。然后，通過波束對準和優(yōu)化資源分配，可以最大化無人機到基站的傳輸速率。另一方面，一旦無人機即將超出分配波束的有效覆蓋范圍，基站可以根據感知信息生成運動控制命令，更新無人機的位置，從而實現(xiàn)波束的重新對準，獲得最優(yōu)傳輸速率。因此，為了保障數(shù)據傳輸速率，感知功能、毫米波/太赫茲通信、和無人機運動控制融合調度是至關重要的技術之一。

然而，感知、通信、和運動控制的融合調度策略設計極具挑戰(zhàn)。首先，感知和無人機運動控制具有高度協(xié)作性。運動控制的流程首先從被控對象狀態(tài)（如位置、速度、加速度、方向等）的感知采樣開始；然后基于感知采樣信息生成控制指令，對被控對象進行狀態(tài)更新，滿足控制性能要求。在上述過程中，感知采樣與控制指令形成緊密節(jié)拍，循環(huán)往復，完成控制任務。在感知—控制過程中，感知的時間頻率越高，控制性能越好；但是，當基站執(zhí)行更多感知-控制任務時，會造成數(shù)據傳輸性能顯著降低，無法滿足數(shù)據回傳需求。反之，當基站和無人機之間執(zhí)行更多數(shù)據傳輸任務時，感知頻率會降低，造成無人機控制性能的顯著下降。因此，需要對感知、通信、和運動控制的調度策略進行融合設計，既滿足數(shù)據傳輸需求，又要保障控制性能。

二、本研究問題構建與解決途徑

針對上述挑戰(zhàn)，本研究提出一種新型感知、通信和運動控制融合調度方法，其中本研究重點關注于從無人機到基站的回程數(shù)據傳輸。

圖1. 基于高頻毫米波/太赫茲通信的蜂窩無人機網絡

考慮如圖1所示的基于高頻毫米波/太赫茲通信的蜂窩無人機網絡。每個無人機覆蓋相應的用戶群，負責數(shù)據匯聚傳輸。然后，基于無人機運動控制的狀態(tài)更新模型和毫米波/太赫茲通信數(shù)據傳輸模型，分析毫米波/太赫茲通信中波束對準誤差所引起的數(shù)據傳輸速率損失與運動控制狀態(tài)更新誤差之間的關系：波束對準誤差隨運動控制狀態(tài)更新誤差線性單調增長?；究梢宰鳛槊嫦驘o人機運動控制的感知雷達。

具體來說，在基站中嵌入遠程控制器。當基站作為雷達感知無人機的狀態(tài)（如位置、速度、加速度、方向等）時，控制器將獲取感知到的信息。然后，控制器計算出控制命令并將其發(fā)送給無人機。接著，無人機更新波束對準狀態(tài)，保障從無人機到基站的回程數(shù)據速率要求。為了保持數(shù)據傳輸充足的時間資源，需要合理的感知—控制調度策略。

針對無人機運動控制，提出狀態(tài)噪聲比新指標，該指標是運動控制狀態(tài)更新方程中狀態(tài)與物理環(huán)境噪聲之間的比值。基于此，可以得到傳輸速率與狀態(tài)噪聲比的關系。最終得到基于傳輸速率門限的感知—控制激活調度策略。上述操作流程如圖2所示。