3.7 能量供给能力受限

地面基站、终端等通常有来自电网或者可充电电池的稳定电源，能量补给相对容易且成本较低。但对于在执行任务的无人机，由于其飞行范围广、灵活度高，能量补给比较困难。充足的能量是保障无人机正常工作的首要条件。另外，对无人机的体积、经济性等设计要求将严重影响无人机的能量供给能力。在无人机能量供给能力受限的条件下，如何设计高效的能量使用方案，避免能量浪费，具有重要意义。无人机通信网络的节能设计比传统地面通信网络的节能设计更加复杂。

在无人机通信网络中，能量的消耗主要来自两部分。第一部分是维持无人机正常通信（如信号处理、通信电路、信号传输等）所需的能量，第二部分是为无人机提供动力使得无人机完成机械运动所需的能量。一般而言，第二部分所需的能量远超第一部分，因此无人机通信网络的能量方案设计不同于一般的地面通信网络的能量方案，更关注无人机的轨迹优化 ^[11] 。已经有一些文献研究了无人机的能耗建模问题。文献 ^[12] 对四旋翼无人机在不同速度下的能耗进行了研究。文献 ^[13-14] 将无人机的能耗建模成了机械力和加速向量的范数。文献 ^[15] 构建了与无人机速度的平方成正比的能耗模型，能耗与无人机的体积、形状、飞行状态、所处的物理环境（如飞行高度、风速、天气）等密切相关，无人机动力推进系统模型可以根据固定翼和多旋翼两种无人机类型进行区分，对于这两种无人机，推进力与速度的关系需要分别进行研究。文献 ^[16] 研究了在无人机能量有限情况下的无人机辅助地面通信，无人机的电池大约占无人机有效载荷的30%，因此减少能耗对延长无人机的生命周期具有重要的意义。

无人机通信网络物理层的能效优化设计，主要关注电子设备的物理特性。无人机通信网络的节点高移动性给物理层带来了诸多问题，主要可以从四个方面考虑能效优化问题：动态电压控制、节点级功率控制调度、选择最小子集、带缓冲的睡眠调节。无人机通信网络的数据链路层主要关注避免碰撞、对周围环境进行实时监控等，因此在数据链路层中主要从四个方面考虑能效优化问题：单电波工作周期、双电波工作周期、拓扑控制、聚类控制。无人机通信网络的网络层主要关注路由协议设计，因此主要从四个方面考虑能效优化问题：轨迹规划、节点规划、协调规划、休眠规划。

提高无人机通信网络的能量利用率的基本想法是在通信和飞行控制方面做出最优决策。例如，利用马尔可夫决策过程决定是否通信，哪架无人机进行通信等，选择最优的传输功率以满足通信质量要求，或者在保证任务完成的同时规划低耗能的最优轨迹，可以减少无人机的能耗。另外，在存在阴影效应的情况下，除了单纯放大传输功率外，还可以通过移动直连链路来获得改进的通信质量和能效。实际上，后一种策略可能根本不起作用，而用于通信的辅助能量将完全被浪费掉。因此，在两者耦合的基础上共同规划通信和控制，将为提高能效提供一种可行的解决方案。 eNUO/L9NSfH7O4njptVE6qxx6AxmolUL7/9pmRx3u39bxmv0DaIjUfaXJ9/GvUQs