许多武装部队正变得以网络为中心并高度互联。数字化战场的技术进步促成了这一转变和分散决策。随着战场的演变，任务要求部队具有机动性并支持多种战术能力，目前部署静态无线电中继节点以扩大通信范围的概念可能不再适用。因此，本论文旨在设计一种使用无人机系统（如航空浮空器和战术无人机）的作战概念，为战术部队提供视距外通信，同时克服全球定位系统失效环境下的限制。鉴于联邦通信委员会规定工业、科学和医疗频段的最大有效各向同性辐射功率为 36 dBm，拟议的概念分为三个阶段，以评估操作和通信系统需求。两个节点之间的最大通信距离可使用 Friis 传播方程进行研究。此外，还使用 Simulink 软件研究了有效应用吞吐量与距离的关系。分析结果表明，IEEE 802.11ax 可提供更高的数据吞吐量，并支持 2.4 GHz 和 5.0 GHz 两个频段。通过模拟环境和运行场景，确定了在 50 千米乘 50 千米的区域内提供通信覆盖所需的航空系统估计数量。
随着数字化战场的扩展，以及对可进行多域作战的高度互联部队的需求日益增长，目前在战区采用静态中继节点的通信概念可能不再可行。因此，本论文旨在设计一种作战概念，利用无人机作为战术部队的通信中继节点，同时克服全球定位系统（GPS）封闭环境的限制。具体来说，这项研究的主要重点是确定这一作战概念的最大通信范围，并研究两个空中中继节点之间的有效数据吞吐量。此外，研究还试图确定提供 50 千米乘 50 千米或同等通信覆盖所需的空中中继节点数量。最终，本论文的研究结果旨在进一步提高作战行动环境中的通信效率。
拟议的作战通信框架将采用一种混合通信系统，同时使用航空浮空器系统和战术无人机作为通信中继节点。利用战术无人机的灵活性，在需要时可以方便地增加网络数据带宽。为分析行动需求和可部署的通信系统类型，拟议的行动构想分为三个不同阶段。
为了研究拟议概念的可行性，采用了 IEEE 802.11ax 和 IEEE 802.11n Wi-Fi 标准来检查网络性能，并确定估计的有效通信范围。之所以采用这些 IEEE 标准，是因为它们可以在 2.4 GHz 和 5.0 GHz 频段上运行。
根据美国联邦通信委员会 (FCC) 的规定，在 2.4 GHz 频段工作时，工业、科学和医疗 (ISM) 频段的最大有效各向同性辐射功率 (EIRP) 规定为 36 dBm。通过限制输出功率和有效辐射功率，可以确定在 2.4 GHz 和 5 GHz 频段工作时的理论有效通信范围。利用弗里斯传播方程，计算出的范围分别约为 5.5 千米和 2.6 千米。
通过修改 MATLAB Simulink 软件中现有的 IEEE 802.11 MAC 和应用吞吐量测量模型，确定了使用 IEEE 802.11ax 和 IEEE 802.11n 标准的有效应用吞吐量。从仿真结果可以看出，随着距离的增加，两种工作频率的应用吞吐量都会下降，这是由延迟和数据包丢失数量增加等因素造成的。此外，与 2.4 GHz 相比，5 GHz 频段的传输距离较短。因此，为了弥补传输距离的限制并优化在 5 GHz 频段工作时的数据吞吐量，建议使用比在 2.4 GHz 频段工作时更高的信道带宽。
从模拟结果来看，IEEE 802.11ax Wi-Fi 标准的数据吞吐量高于 IEEE 802.11n。这是因为 IEEE 802.11ax 采用了比 IEEE 802.11n 更有效的调制和编码方案。因此，以 IEEE 802.11ax 作为推荐的 Wi-Fi 标准，在 2.4 GHz 和 5 GHz 上运行时的最大应用吞吐量分别约为 4.403 Mbps 和 4.488 Mbps。
为了估算在 50 千米乘 50 千米的作战区域内提供通信覆盖所需的空中中继节点数量，使用了地图规划工具软件 ArcGIS Pro 来模拟作战区域并规划通信网络。根据计算得出的有效通信距离和地图规划，估计总共需要 23 个航空浮空器系统才能在 2.4 GHz 频段上提供网络覆盖，另外还需要 24 架战术无人机才能支持在 5 GHz 频段上运行的更高数据带宽网络。
值得注意的是，本论文仅限于分析两个空中中继节点之间的性能，并使用了仿真模型。在现实世界中，有多种因素可能会影响室外环境中的网络性能，例如地形影响造成的衰减。因此，为了更好地了解系统的性能，建议在实地进行深入的开发测试，并考虑环境造成的衰减和干扰。在这种情况下，提供通信覆盖所需的空中中继节点的估计数量可能会有所不同。此外，性能和有效通信距离也可能下降。
除中继通信外，空中中继节点的高度优势还可提供额外服务，如执行监视和侦察任务。因此，为了最大限度地提高系统性能，建议未来的研究人员研究不同传感器系统可能造成的干扰影响。为了最大限度地降低干扰几率，可能有必要制定详细的频率分配计划，以确保不同系统之间有足够的频率间隔。
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