《高效物联网与无人机网络的连接管理与路径规划》188页博士论文

本文探讨如何更好地管理移动网络中的资源，特别是提升无人机（UAV）支持的物联网网络性能。我们研究了通过充分利用移动核心网的承载信道和数据路径等资源，构建可扩展的通信架构以应对大规模物联网部署的方法。我们制定了满足物联网网络需求并提升网络性能的策略，开发并测试了一个能聚合多个移动设备流量的系统，这些设备在核心网中共享用户身份和网络资源。测试中使用日常智能手机、SIM卡和包含核心网与基站功能的Amarisoft Callbox设备。

无人机凭借其灵活性与多功能性革新了众多领域。本论文研究无人机与物联网的协同工作，通过解决关键挑战来提升系统性能、提高效率，并保障无人机与地面控制站之间的可靠通信。从地面传感器和物联网网络高效采集数据至关重要，我们的研究聚焦于路径规划以最大化无人机采集效率。通过将无人机作为中继节点，优化其路径和飞行计划以减少延迟，确保数据准时采集与传输。此外，我们创新性地将信息时效性（AoI）概念融入无人机路由策略，计算从数据生成到通过蜂窝连接无人机完成传输的AoI，在保持连接性的同时最小化任务时间。测试表明我们的启发式方法在不同场景下表现优异。利用无人机中继通信能减少任务时间并加速物联网数据传输，相较其他方法具有创新优势。针对每个问题，我们首先采用整数线性规划（ILP）求解，随后引入快速启发式算法以节省时间，这种组合既保证了方案鲁棒性又提高了计算效率。

本论文后续结构如下：

文献综述：第二章梳理无人机路径规划、蜂窝网络资源管理和AoI领域的研究现状，全面概述当前研究进展，为后续解决方案奠定基础。
移动核心网资源管理：第三章提出移动核心网资源管理方案，重点利用EPC中的承载信道和数据路径构建可扩展的物联网通信架构。通过将机器类设备（MTD）接入本地网关设备降低核心网资源消耗，借助智能设备分组和流量模式优化在保证可靠连接的同时提升效率。本章探究促进资源高效利用的管理策略。
无人机协作连接：第四章阐述在保持地面基站（GBS）连接的前提下设计无人机协作路径的方法。针对GBS覆盖有限带来的挑战，本研究探索无人机协作机制，通过资源共享和多跳传输实现互助连接，避免通信中断。这种协作框架优化了任务完成时间，确保在弱覆盖区域仍能保持可靠通信。
无人机辅助物联网网络的数据采集：第五章研究利用无人机从地面传感器节点采集数据的方案。考虑无人机作为中继节点的实际场景，既收集物联网设备数据又传输至基站。本章提出基于ILP和贪心启发式的两种方案，兼顾数据生成时间和设备位置，在优化任务时间与路径长度的同时最小化最大AoI，确保在无人机操作限制下实现高效数据传输。
网状网络中的信息时效性：第六章研究考虑最小化最大AoI的无人机网状网络路径规划，探讨通过卫星连接和区域基站回传数据的多种场景。仿真表明不同场景的优化结果各具优劣，需根据实际情况选择。
结论：第七章总结研究成果，强调创新贡献，并展望未来研究方向。