● 摘要
航空应急救援是采用直升机、无人机等飞行器开展的救援活动，具有快速、高效、受地理空间限制少等优势，被广泛应用在自然灾害等突发事件发生之后的应急救援中。重大自然灾害等突发事件发生后，通信基础设施被严重损毁，需要救援飞行器、车辆和人员自组织地构建临时通信网络，实现救援区域空地多维态势信息的高效可靠传输，以便有效开展航空应急救援。然而，救援区域的复杂恶劣环境使得通信节点间遮挡多、路径损耗大、随机衰落严重，并且通信节点自身能量供应受限，航空应急救援通信网络的通信可靠性和能量效率成为亟待解决的重要问题。
协作通信通过多个节点协同收发信息，获得空间分集，抵抗无线信道损耗，能大幅提升通信可靠性和降低发射能耗。但是，协作通信应用于航空应急救援中将面临诸多问题，不利于通信可靠性和能量效率的提升。一方面，航空应急救援通信网络中节点高速移动导致信道时变，影响协作通信中继节点选择和节点功率分配的准确性；另一方面，需要解决航空应急救援通信网络中能量高效的长距离可靠通信问题。本文围绕航空应急救援通信网络信道时变和能量受限的特点，以高可靠和高能效传输为目标，开展过时信道状态信息（CSI）下协作通信中继选择和功率分配以及高能量效率协作传输的研究。论文主要工作如下：
（1）提出一种基于信道强度预测的中继选择策略，根据信道时域相关性和协作通信中断概率的特点，采用最大后验（MAP）估计方法预测信道强度进而选择中继节点，改善了过时CSI下协作通信的中断性能。航空应急救援通信节点间信道时变，导致协作通信中存在中继选择依据的信道强度与数据传输经历的信道强度不一致问题。为此，本文采用MAP预测的信道强度代替过时的信道强度，推导出信道强度近似预测值的解析表达式；提出基于信道强度预测的单中继选择和多中继选择策略；发现提出的中继选择策略较已有策略获得了更好的中断性能，并发现过时CSI下多中继选择较单中继选择能带来更大的中断性能改善，而理想CSI下多中继选择带来的性能改善幅度较小。
（2）提出一种过时CSI下中继选择和功率分配联合优化策略，以条件中断概率最小化为优化目标，尽可能地降低了过时CSI对协作通信中断性能的影响。针对信道时变下以最大化信噪比作为优化目标无法达到协作通信最小中断概率的问题，本文将过时CSI下最小化中断概率等价为最小化以过时信道强度为条件的条件中断概率；建立以条件中断概率最小化为目标的中继选择和功率分配联合优化问题；根据卡罗需-库恩-塔克（KKT）条件数值求解结果，提出中断最优的中继选择和功率分配联合策略；进而提出等功率的次优中继选择和功率分配策略，降低策略计算复杂度和实现开销。
（3）提出一种基于重复中继选择的协作传输机制，通过多次更新选择的中继节点，适应信道连续变化，获得了较传统单次中继选择更低的误包率。现有过时CSI下的协作通信研究采用分组衰落信道模型，分析了信道在中继选择阶段与数据传输阶段间的不同对协作通信性能的影响，而未考虑信道在数据传输过程中的变化。为此，本文采用内插滤波高斯噪声法建模连续时变信道，仿真发现协作通信在连续时变信道下较在分组衰落信道下误包率性能恶化更为严重；进而提出基于重复中继选择的协作传输机制，将转发数据分成多个子段，每段传完更新CSI并重新选择中继节点，改善协作通信误包率性能。
（4）提出一种基于虚拟理想位置的多跳协作传输机制，通过联合优化协作节点个数和一跳传输距离，提高了数据传输的能量效率。航空应急救援中长距离传输数据需要在保证可靠性的前提下尽量降低通信能耗。针对此问题，本文先研究一跳协作传输能量效率，通过优化协作节点个数最小化能量消耗，发现传输距离越长协作传输较传统单输入单输出（SISO）传输能量效率越高；而后研究长距离多跳协作传输能量效率，联合优化协作节点个数和一跳传输距离以最小化端到端能耗，发现通信节点分布较稀疏时协作通信能较好地克服严重信道衰落造成的高能量消耗，进而提出基于虚拟理想位置的多跳协作传输机制，在稀疏网络中选择距离理想最优能效位置最近的路由节点，降低长距离多跳协作传输能耗。