无人机通信网络中稳健频谱共享理论方法研究

Radio spectrum is the “kite string” to the kites that highly involved in the normal running for UAVs, and also the neural system that makes the UAV communication networks get connected. The lack of favorable radio spectrum has become a bottleneck to the rapid development of UAV communications and thus efficient methods for spectrum management are urgent to be explored. Around the new features of the UAV communication networks, such as the three-dimensionality of spectrum resource, the agility of UAVs’ spatial positions, the open-access of the spectrum utilization, this project proposes a new perspective of air-ground spectrum sharing and utilization. To properly address the critical challenges such as complicated air-ground coupling interference and the aggravation of the potential threats to spectrum safety, this project starts with the crossover and fusion between communications and control, presents a systematic research from the cognitive dynamic system model, the three-dimensional resource optimization algorithm and the monitoring techniques of illegal spectrum utilization, and works on solving the fundamental scientific problem that spectrum utility optimization of UAV communication networks under the robust constraints, all of which can promote the spectrum utility of the whole network and enhance the ability of autonomous control. We are seeking new breakthroughs on the theory, the mechanism, methods and techniques and to acquire masses of high-level achievements by research to provide theoretical and technical support on the spectrum orderly utilization and intelligent control in the UAV communication networks.

电磁频谱是牵引着无人机正常运行的“风筝线”，是连通无人机通信网络的“神经脉络”，优质的频谱资源紧缺成为制约无人机通信网络快速发展的瓶颈，亟需探索相应的频谱资源高效管控方法。本项目围绕无人机通信网络呈现的频谱资源立体性、空间位置捷变性、频谱使用开放性等新特性，针对其面临的空地耦合干扰复杂和频谱安全隐患加剧等严峻挑战，提出空地一体化频谱共享利用的创新思路，重点考虑无人机通信设备/网络软件定义化和智能化给系统稳健性带来的潜在威胁，从通信与控制交叉融合的角度着手，从认知动态系统模型、立体资源优化算法和违规用频监测技术三方面展开系统研究，致力于解决稳健性约束下无人机通信网络中频谱效用最优化这一基本科学问题，提升全网频谱效用，增强系统对频谱的自主控制能力。通过项目研究，寻求理论、机制、方法与技术等方面新的突破，取得一批高水平研究成果，为无人机通信网络中频谱有序利用与智能控制提供理论支撑和技术支持。

本项目针对无人机通信网络面临的可用频谱资源紧缺、空地耦合干扰复杂、频谱安全隐患加剧等问题，考虑频谱资源立体性、空间位置捷变性、空地干扰耦合性等特性，开展空地一体化稳健频谱共享理论方法研究。首先，构建了由通信环境感知获取、通信资源决策优化为主体的群体智能协同通信系统模型，考虑空地频谱共享网络内部不确定因素和干扰、窃听、欺骗等外部恶意攻击，提出了包含频谱使用网络、频谱监测网络和频谱云的空地频谱稳健共享框架；其次，建立了固定翼无人机间抗干扰通信的一般优化框架，考虑干扰源的位置不确定特性，提出了基于精确惩罚法和连续凸近似的路径规划算法，针对无人机通信网络中飞行轨迹和功率联合优化问题，设计了长期主动优化机制，实现了空地资源高效利用；最后，针对无人机通信网络中发射功率违规行为检测问题，构建了异构虚警约束下的混合二元假设检验模型，考虑感知过程中数据篡改、设备故障等引起的数据异常问题，构建了感知数据篡改等多因素综合作用下的一般感知模型，提出了基于稳健数据剔除的防御框架，实现了违规用频监测控制。.项目实施过程中，在国内外期刊和国际国内会议上发表28篇论文，其中SCI收录21篇，IEEE期刊论文13篇，中国主办的SCI期刊论文8篇；申请发明专利11项，其中已获授权3项。出版学术专著和译著各1部，其中1项获2019年度国家科学技术学术著作出版基金资助；培养毕业了博士研究生5名，硕士研究生6名，被评为全军、中国电子教育学会优秀博士/硕士学位论文3人次。项目负责人获江苏省科学技术一等奖、国家科技进步一等奖、中国电子学会科学技术奖一等奖，入选教育部青年长江学者，受邀担任认知通信与组网领域国际期刊IEEE TCCN编委、通信领域国内期刊《中国通信（英文版）》编委，入选爱思唯尔2021年度中国高被引学者。