无人机辅助的空路协同车联网通信架构和数据传输研究

By exploiting the benefits of unmanned aerial vehicles (UAVs) in enhancing the communication connectivity and network performance in wireless communications, this project for the first time proposes a novel UAV-assisted aerial-road cooperative vehicular network architecture, which can effectively improve the network throughput and reduce the end-to-end data delivery delay to meet the ultra-reliable, low-latency, and high-throughput communication requirements in Internet of vehicles (IoV). First, this project provides a multi-layer three-dimensional (3D) aerial-road cooperative IoV (ARCoV) communication architecture and investigates the feasibility and efficiency of the proposed ARCoV as well as the collaboration mechanism therein. Then, a MAC protocol based on resource sharing is proposed for the ARCoV. In order to deal with the complicated interference scenario in such a multi-layer heterogeneous network, several dynamic interference graphs (IGs) are constructed to model the interference relationships efficiently with both low complexity and low communication overhead. And thus, dynamic IG-based resource allocation and accessing control protocols are provided to guarantee and improve the efficiency of the proposed ARCoV. Finally, based on the feasible and effective communication architecture of the ARCoV, for different typical data dissemination scenarios in IoV, this project designs the corresponding UAV-assisted data relaying and data dissemination protocols, which can enhance the effectiveness and connectivity of the vehicular communication links and reduce the data delivery delay.

针对新一代车联网高可靠、低时延、高流量的通信需求，考虑到无人机空间分布的灵活性和辅助数据传输的性能优势，本课题开创性的研究基于无人机辅助的空路协同车联网通信架构和数据传输方案，有效提升车联网的网络性能，降低数据传输时延。本课题首先在复杂高速车联网中联合多层无人机进行纵向空间协同组网，构建多层次、立体化空路协同车联网通信架构，并深入分析空路协同车联网的可行性和有效性，提出有效的协同机制。为确保空间异构空路协同车联网中多链路接入的有效性，进一步研究基于多链路资源共享的MAC框架，针对其3D空间异构的复杂干扰环境，设计基于动态干扰图建模的资源管理和接入控制方案。最后，在空路协同车联网可行、有效的通信架构基础上，针对多种车联网中典型的数据传输应用场景，设计相应的无人机辅助车联网数据传输和分发方案，增强网络中传输链路的连接性，有效降低数据传输时延。

针对新一代车联网高可靠、低时延、高流量的通信需求，考虑到无人机空间部署的灵活性和空对地链路的传输优势，本项目聚焦无人机辅助的空路协同车联网通信架构和数据传输方案研究，分别从“空路协同车联网通信架构和协同机制”、“空路协同车联网资源管理和接入控制方案”以及“空路协同车联网中无人机辅助数据传输方案”等三方面内容开展相关研究工作，项目执行过程均按计划实施，目前已顺利完成项目研究目标。首先，开创性的构建了一种多层次空路协同车联网通信架构，从理论上深入分析了无人机辅助空路协同通信架构对车联网区域覆盖以及网络容量提升的有效性，并设计了基于中心调度和区域自组织相结合的高效空路协同机制；其次，针对空间异构的空路协同车联网，设计了基于NOMA和空间复用的资源共享接入策略，考虑多链路资源共享接入的累积干扰效应，构建干扰超图有效建模了这一多层次复杂异构的干扰环境，并提出一种全新的Overlapping NOMA方案，允许单个用户参与多个NOMA传输组从而更加充分的利用多用户功率分集增益，显著提升了多用户接入和传输效率；而后，针对多跳数据传输以及文件下载和分发等车联网中典型的数据传输场景，将无人机作为空中传输中继或飞行基站，提出了多种无人机辅助的空路协同数据传输方案，显著提升了车联网中数据传输的有效性和可靠性，大幅降低了数据传输时延；最后，搭建了基于5G C-V2X的空路协同车联网仿真测试平台，对本项目的研究方案进行了系统化的仿真验证和分析。.无人机的介入对于车联网传输性能的提升具有巨大的潜在价值，本项目关于空路协同车联网通信架构和数据传输方案的研究填补了之前相关领域的研究空白，为新一代车联网通信系统提供了有力的理论支持和关键技术方案。项目相关研究成果发表国际权威期刊和顶级学术会议论文30篇，其中，SCI期刊论文18篇，中科院一区顶刊论文11篇；出版中文学术专著1本；申请中国发明专利6项、授权1项。