DOI: https://doi.org/10.1109/twc.2026.3689048
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Haiquan Lu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات الطائرات بدون طيار وتحسينها
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نهجًا جديدًا لاستخدام الطائرات بدون طيار (UAVs) كهوائيات متحركة (MAs) ضمن نظام MA ذو مستويين، يهدف إلى تعزيز الأنشطة الاقتصادية على ارتفاعات منخفضة. يستفيد النظام المقترح من حركة سرب الطائرات بدون طيار وموضع الهوائيات القابل للتعديل لتحسين الاتصال مع معدات المستخدم الأرضي (UE). يقوم المؤلفون بصياغة مشكلة تحسين تركز على زيادة الحد الأدنى من المعدل القابل للتحقيق عبر جميع UEs من خلال تحسين موضع سرب الطائرات بدون طيار ثلاثي الأبعاد، والمواضع المحلية للـ MAs الفردية، واستراتيجيات تشكيل الشعاع للاستقبال لمختلف UEs.
تستمد الرؤى الأولية من سيناريو مبسط يتضمن طائرات بدون طيار ذات هوائي واحد، حيث يتم تقديم حلول مغلقة الشكل لمواقع الطائرات بدون طيار المثلى لاثنين من UEs، مما يضمن اتصالًا خاليًا من التداخل تحت نموذج الموجة المسطحة الموحدة (UPW). بالنسبة للسيناريوهات التي تتضمن عددًا تعسفيًا من UEs، يتم تقديم خوارزمية تحسين متناوبة لمعالجة الطبيعة غير المحدبة للمشكلة. تشير النتائج إلى أن نظام MA المدعوم بسرب الطائرات بدون طيار المقترح يتفوق بشكل كبير على المعايير الحالية، ويرجع ذلك أساسًا إلى الحركة الاستراتيجية للهوائيات التي تسهل تحسين ظروف القناة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية معالجة تعقيدات نمذجة القناة، وكفاءة الطاقة، واعتبارات الكمون، وآليات التحكم في طيران سرب الطائرات بدون طيار، ودمج الأسطح العاكسة الذكية (IRS) في النظام.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة ظهور الاقتصاد على ارتفاعات منخفضة، والذي يشمل أنشطة متنوعة ضمن المجال الجوي دون 1,000 متر، مدعومًا بالطائرات المأهولة وغير المأهولة (UAVs) والطائرات الكهربائية ذات الإقلاع والهبوط العمودي (eVTOL). يدعم هذا النموذج الاقتصادي تطبيقات متنوعة، بما في ذلك اللوجستيات، والزراعة، والسياحة، ومراقبة البيئة، مستفيدًا من القدرة على المناورة ثلاثية الأبعاد للطائرات بدون طيار وقدرات الاتصال. تبرز الورقة نموذجين في الاتصالات اللاسلكية التي تشمل الطائرات بدون طيار: الاتصالات المدعومة بالطائرات بدون طيار والاتصالات المتصلة بالشبكات الخلوية، وكلاهما حاسم لشبكات الجيل السادس (6G) المستقبلية. لقد دفعت دمج الطائرات بدون طيار في هذه الشبكات إلى إجراء أبحاث واسعة حول نمذجة القناة، واستهلاك الطاقة، وتصميم المسارات.
علاوة على ذلك، تؤكد الورقة على مزايا أسراب الطائرات بدون طيار – مجموعات منسقة من الطائرات بدون طيار – على الطائرات بدون طيار الفردية، لا سيما في تعزيز سعة الحمولة، وتغطية الاتصال، والصلابة ضد الفشل. يقترح المؤلفون نظام هوائي متحرك (MA) جديد ذو مستويين مدعوم بأسراب الطائرات بدون طيار، مما يسمح بتغيير موضع الهوائيات وإعادة تكوينها لتحسين أداء الاتصال والاستشعار. يهدف هذا النظام إلى زيادة الحد الأدنى من المعدل القابل للتحقيق للمستخدمين الأرضيين في اتصالات الصعود المدعومة بسرب الطائرات بدون طيار على ارتفاعات منخفضة. توضح الورقة مساهماتها، بما في ذلك استراتيجيات تحسين موضع الطائرات بدون طيار وموضع الهوائيات، وتقدم نتائج عددية تظهر الأداء المتفوق للنظام مقارنة بالمعايير الحالية.
نقاش
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نموذج نظام شامل لنظام اتصالات سرب الطائرات بدون طيار على ارتفاعات منخفضة، حيث تخدم عدة طائرات بدون طيار المستخدمين الأرضيين (UEs) باستخدام تكوين مرن لمصفوفة هوائيات متعددة (MA). يتم وضع الطائرات بدون طيار في نظام إحداثيات كارتيسي ثلاثي الأبعاد، ويمكن ضبط هوائياتها ديناميكيًا لتحسين أداء الاتصال. تصيغ الورقة مشكلة تحسين لزيادة الحد الأدنى من المعدل القابل للتحقيق عبر جميع UEs، مع مراعاة قيود مثل المسافات الآمنة الدنيا بين الطائرات بدون طيار والهوائيات لتجنب الاقتران المتبادل.
يستمد المؤلفون تعبيرات رياضية رئيسية لاستجابة مصفوفة الاستقبال ونسبة الإشارة إلى التداخل زائد الضوضاء (SINR) لكل UE، مما يبرز تأثير تقنيات تشكيل الشعاع على أداء الاتصال. يقدمون خوارزمية تحسين متناوبة لمعالجة التحسين المشترك المعقد لمواقع الطائرات بدون طيار، ومواضع الهوائيات، واستراتيجيات تشكيل الشعاع. تشير النتائج إلى أن النظام المقترح يمكن أن يحقق تحسينات كبيرة في الأداء، بما في ذلك القضاء على التداخل بين المستخدمين (IUI) من خلال موضع الطائرات بدون طيار والهوائيات المثلى. تؤكد النتائج على إمكانيات أنظمة MA المدعومة بالطائرات بدون طيار في تعزيز قدرات الاتصالات اللاسلكية في البيئات الصعبة.
DOI: https://doi.org/10.1109/twc.2026.3689048
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Haiquan Lu et al.
Primary Topic: UAV Applications and Optimization
Overview
This section presents a novel approach to utilizing unmanned aerial vehicles (UAVs) as movable antennas (MAs) within a two-level MA system, aimed at enhancing low-altitude economic activities. The proposed system leverages the UAV swarm’s mobility and the adjustable positioning of antennas to optimize communication with ground user equipment (UE). The authors formulate an optimization problem focused on maximizing the minimum achievable rate across all UEs by jointly optimizing the 3D placement of the UAV swarm, the local positions of individual MAs, and the receive beamforming strategies for different UEs.
Initial insights are derived from a simplified scenario involving single-antenna UAVs, where closed-form solutions for optimal UAV placements are provided for two UEs, ensuring interference-free communication under the uniform plane wave (UPW) model. For scenarios involving an arbitrary number of UEs, an alternating optimization algorithm is introduced to tackle the nonconvex nature of the problem. The findings indicate that the proposed UAV swarm-enabled MA system significantly outperforms existing benchmarks, primarily due to the strategic mobility of antennas that facilitates improved channel conditions. Future research directions include addressing channel modeling complexities, energy efficiency, latency considerations, UAV swarm flight control mechanisms, and the integration of intelligent reflecting surfaces (IRS) into the system.
Introduction
The introduction of the paper discusses the emergence of the low-altitude economy, which encompasses various activities within sub-1,000-meter airspace, facilitated by manned and unmanned aerial vehicles (UAVs) and electric vertical take-off and landing (eVTOL) aircraft. This economic model supports diverse applications, including logistics, agriculture, tourism, and environmental monitoring, leveraging UAVs’ three-dimensional maneuverability and communication capabilities. The paper highlights two paradigms in wireless communication involving UAVs: UAV-assisted communication and cellular-connected UAV communication, both critical for future sixth-generation (6G) networks. The integration of UAVs into these networks has prompted extensive research on channel modeling, energy consumption, and trajectory design.
Moreover, the paper emphasizes the advantages of UAV swarms—coordinated groups of UAVs—over single UAVs, particularly in enhancing payload capacity, communication coverage, and robustness against failures. The authors propose a novel two-level movable antenna (MA) system enabled by UAV swarms, which allows for dynamic antenna positioning and reconfiguration to optimize communication and sensing performance. This system aims to maximize the minimum achievable rate for ground users in low-altitude UAV swarm-enabled uplink communication. The paper outlines its contributions, including optimization strategies for UAV placement and antenna positioning, and presents numerical results demonstrating the system’s superior performance compared to existing benchmarks.
Discussion
In this section, the authors present a comprehensive system model for a low-altitude UAV swarm communication system, where multiple UAVs serve ground users (UEs) using a flexible multi-antenna (MA) array configuration. The UAVs are positioned in a 3D Cartesian coordinate system, and their antennas can be dynamically adjusted to optimize communication performance. The paper formulates the optimization problem to maximize the minimum achievable rate across all UEs, subject to constraints such as minimum safe distances between UAVs and antennas to avoid mutual coupling.
The authors derive key mathematical expressions for the receive array response vector and the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) for each UE, highlighting the impact of beamforming techniques on communication performance. They introduce an alternating optimization algorithm to tackle the complex joint optimization of UAV placements, antenna positions, and beamforming strategies. The results indicate that the proposed system can achieve significant performance improvements, including the elimination of inter-user interference (IUI) through optimal UAV and antenna positioning. The findings underscore the potential of UAV-enabled MA systems in enhancing wireless communication capabilities in challenging environments.