當(dāng)前，空中網(wǎng)絡(luò)（AN）在軍事、民用和公共應(yīng)用中發(fā)揮著越來越關(guān)鍵的作用，已逐漸成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。第三代標(biāo)準(zhǔn)化合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）促進(jìn)了空中無線網(wǎng)絡(luò)與未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)的整合研究。由無人機(jī)（UAV）提供的空中無線網(wǎng)絡(luò)以較低的成本提供可靠的無線通信，可用于未來各種有通信需求的新型應(yīng)用。與基于高空平臺(tái)的通信或傳統(tǒng)的地面通信相比，用無人機(jī)提供的按需通信具有快捷部署的特性，并且在需要重新部署或配置時(shí)具有較強(qiáng)的靈活性，特別是其視線（LoS）鏈路距離最短的特性，使得空中無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
盡管空中無線網(wǎng)絡(luò)有很多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也受到一些限制，例如能量限制（電池電量有限）、飛行區(qū)域限制和相關(guān)安全問題。因此，為自主空中無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)新的信號(hào)處理、通信與優(yōu)化框架是至關(guān)重要的。新型空中無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)可以提供較高傳輸速率，并協(xié)助傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)為傳感應(yīng)用提供實(shí)時(shí)和可靠性高的網(wǎng)絡(luò)支持。因此，應(yīng)在考慮用戶的高移動(dòng)性以及用戶日益增長的數(shù)據(jù)需求的基礎(chǔ)上，對(duì)通信信道進(jìn)行準(zhǔn)確的表征；空中無線網(wǎng)絡(luò)的空對(duì)地（AG）和空對(duì)空（AA）信道傳播模型可以通過測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)研究來描述。此外，需要根據(jù)不同的使用場(chǎng)景，對(duì)空中無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）進(jìn)行優(yōu)化，如飛行時(shí)間、軌跡、數(shù)據(jù)速率、能源效率和延遲等。
本書探討了空中無線網(wǎng)絡(luò)理論和實(shí)踐的最新進(jìn)展，包括應(yīng)急通信、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、信息傳播、未來醫(yī)療、pop-up網(wǎng)絡(luò)等。本書重點(diǎn)介紹了信道特性和建模、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空中網(wǎng)絡(luò)、自組織回傳、基于人工智能的軌跡優(yōu)化，以及空中無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、水下通信和應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的應(yīng)用。本書進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了自主空中網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中的主要考慮因素，并探討了由無線通信系統(tǒng)的最新進(jìn)展帶來的新機(jī)遇。本書還向讀者展示了通過自組織網(wǎng)絡(luò)和人工智能支持空中無線網(wǎng)絡(luò)的各種用例。
無人機(jī)為各種需要無線網(wǎng)絡(luò)可靠且覆蓋范圍廣的應(yīng)用提供了一個(gè)合適的空中平臺(tái)。信道模型在無線通信系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，準(zhǔn)確的信道建模對(duì)于滿足終端用戶日益增長的數(shù)據(jù)需求是必不可少的。第1章主要討論無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信道模型，介紹了無人機(jī)通信中的信道建模，同時(shí)關(guān)注空對(duì)地和空對(duì)空傳播信道的突出特點(diǎn)，最后討論了無人機(jī)作為空中無線節(jié)點(diǎn)實(shí)際部署中的一些關(guān)鍵研究挑戰(zhàn)。
第2章描述了超寬帶（UWB）信道的基本特性，介紹了人體和無人機(jī)在7.5 GHz帶寬下的首次實(shí)驗(yàn)性研究。介紹了測(cè)量環(huán)境，詳細(xì)說明了在室內(nèi)和室外環(huán)境中進(jìn)行視線和非視線情況下的測(cè)量活動(dòng)。此外，還介紹了基于超寬帶無人機(jī)到可穿戴設(shè)備（UAV2W）的信道特性，以及通過統(tǒng)計(jì)分析準(zhǔn)確表征無人機(jī)與位于身體不同位置的接收器通信時(shí)的信道衰減分布。
第3章介紹了基于合作的多智能體Q-learning算法。該算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使網(wǎng)絡(luò)中離線的用戶數(shù)量最小化，它確定了頻率的最佳分配方案以及無人機(jī)的使用數(shù)量。提出并比較了基于四種不同行動(dòng)選擇策略的Q-learning算法在設(shè)計(jì)復(fù)雜性、更改運(yùn)行無人機(jī)數(shù)量的能力和收斂時(shí)間方面的不同。還提出了數(shù)值結(jié)果，給出了感興趣區(qū)域的用戶密度與運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。
第4章提出了一個(gè)自供能無人機(jī)輔助緩存中繼方案。在該方案中，無人機(jī)的通信能力可由基于功率分流的無線攜能通信（PS-SWIPT）接收器實(shí)現(xiàn)。該接收器采用解碼和轉(zhuǎn)發(fā)（DF）中繼協(xié)議來協(xié)助信息源節(jié)點(diǎn)向用戶傳輸信息。本章提出了可適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)通信過程的信息傳輸框圖。此外，在遵守通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求的同時(shí)，討論了通信系統(tǒng)的最佳運(yùn)行時(shí)間、資源分配以及無人機(jī)的最優(yōu)軌跡，最后介紹了在用戶設(shè)備中，系統(tǒng)參數(shù)對(duì)信息率影響的數(shù)值仿真結(jié)果。
第5章重點(diǎn)介紹了毫米波（mmWave）和太赫茲（THz）通信的案例研究，以及應(yīng)用毫米波和太赫茲頻段對(duì)無人機(jī)通信技術(shù)的挑戰(zhàn)。本章首先介紹了毫米波和太赫茲頻段的通信潛力，隨后概述了為無人機(jī)通信實(shí)施毫米波和太赫茲頻段的技術(shù)挑戰(zhàn)，接下來提出了理論分析，重點(diǎn)是無人機(jī)的配置問題。此外，本章考慮嚴(yán)格的通信限制，如系統(tǒng)帶寬、數(shù)據(jù)速率、信噪比（SNR）等，研究了無人機(jī)輔助的混合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNet）的性能，通過解決地面小尺寸蜂窩基站（SCB）與無人機(jī)通信的相關(guān)問題，使整個(gè)系統(tǒng)的總速率最大化。數(shù)值結(jié)果顯示基于無人機(jī)輔助的無線網(wǎng)絡(luò)性能良好。
第6章討論了一種使用合作型無人機(jī)作為友好干擾器來提高認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)安全性能的方法。本章首先介紹了認(rèn)知無線電系統(tǒng)中無人機(jī)合作干擾的系統(tǒng)模型，然后提出了優(yōu)化問題。網(wǎng)絡(luò)中的資源分配必須與發(fā)射功率、無人機(jī)軌跡進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，在滿足主接收機(jī)（PR）給定干擾閾值的同時(shí)，最大化安全傳輸速率。由于原始問題是非凸的，我們首先將原始問題轉(zhuǎn)化為可優(yōu)化的形式，然后提出了一種基于凸近似的連續(xù)算法來解決它，最后通過數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)的安全性能得到顯著改善。
第7章探討了在空中無線網(wǎng)絡(luò)中使用智能反射面（IRS）對(duì)用戶和基站進(jìn)行定位的技術(shù)。定位是目前和未來無線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要部分，它可以提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率并協(xié)助多種基于定位的應(yīng)用。本章首先介紹了相關(guān)工作以及基于智能反射面與無人機(jī)基站的潛在應(yīng)用，然后討論了智能反射面在空中無線網(wǎng)絡(luò)中的整合以及潛在的使用案例，之后介紹了一個(gè)基于智能反射面的自動(dòng)導(dǎo)航儀的定位模型以及一些數(shù)學(xué)模型，最后提出了一些研究方向以及未來研究挑戰(zhàn)。
第8章描述了無人機(jī)在災(zāi)難網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)中的應(yīng)用。本章首先對(duì)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了概述，包括對(duì)無人機(jī)架構(gòu)的描述，即單無人機(jī)系統(tǒng)、多無人機(jī)系統(tǒng)、合作多無人機(jī)系統(tǒng)和多層無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)。然后我們討論了無人機(jī)最廣泛的應(yīng)用與無人機(jī)系統(tǒng)要求的不同、在災(zāi)難網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)背景下無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)考慮、無人機(jī)災(zāi)難網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施趨勢(shì)[即網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、云計(jì)算和毫米波網(wǎng)絡(luò)]，以及人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化理論和博弈論等技術(shù)。
第9章討論了無人機(jī)在智能城市環(huán)境監(jiān)測(cè)中對(duì)病毒防范的重要性。我們介紹了無人機(jī)的兩個(gè)使用場(chǎng)景，即無人機(jī)作為空中基站（ABS）和無人機(jī)作為中轉(zhuǎn)站，同時(shí)還介紹了兩個(gè)場(chǎng)景光線追蹤的仿真設(shè)置。在空中基站傳輸功率和懸停高度的限制下，我們推導(dǎo)出覆蓋指定區(qū)域的最優(yōu)空中基站數(shù)量，并考慮了光線追蹤模擬的路徑損耗和信道衰減效應(yīng)。然后，我們描述了使用無人機(jī)作為中轉(zhuǎn)站時(shí)的5G空中接口，介紹了地面用戶的接收功率和覆蓋區(qū)域吞吐量的模擬結(jié)果。
第10章介紹并討論了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)（SF）的研究舉措和科學(xué)文獻(xiàn)，然后分析了無人機(jī)在智能農(nóng)業(yè)中的使用方式和應(yīng)用場(chǎng)景，詳細(xì)回顧了文獻(xiàn)中的各項(xiàng)科學(xué)工作。接著，本章介紹了聯(lián)網(wǎng)的要求和解決方案，以及對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境中支持物聯(lián)網(wǎng)方案的現(xiàn)有協(xié)議的簡要對(duì)比。最后，本章討論了聯(lián)合使用移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）和5G網(wǎng)絡(luò)的潛在作用，提出了通過無人機(jī)和衛(wèi)星連接智能農(nóng)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
濕地監(jiān)測(cè)需要準(zhǔn)確的地形圖和測(cè)深圖，這可以通過使用無人機(jī)來實(shí)現(xiàn)，無人機(jī)可以定期創(chuàng)建地圖，而且成本最低，對(duì)環(huán)境影響也小。第11章介紹了實(shí)現(xiàn)該功能所需的一套系統(tǒng)。我們首先討論了自動(dòng)圖像標(biāo)記系統(tǒng)，接下來介紹了一個(gè)用于區(qū)分陸地和水面的在線分類系統(tǒng)，然后使用航空機(jī)器人創(chuàng)建離線測(cè)深制圖。由于離線方法沒有充分利用無人機(jī)提供的適應(yīng)性，我們還介紹了在線測(cè)深制圖。最后，本章介紹了結(jié)果和分析，以顯示在線測(cè)深制圖的最佳組合。
隨著探索深空和連接太陽系行星與地球的研究，傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)超越了地球同步赤道軌道（GEO），其中星際互聯(lián)網(wǎng)將發(fā)揮關(guān)鍵作用。第12章對(duì)衛(wèi)星間以及深空網(wǎng)絡(luò)（ISDN）進(jìn)行了簡要回顧。本章討論了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及深空網(wǎng)絡(luò)的分類，將其分為不同的層級(jí)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了通信和網(wǎng)絡(luò)范式。我們討論了每個(gè)層級(jí)的安全要求、挑戰(zhàn)和威脅，并提出在衛(wèi)星及深空網(wǎng)絡(luò)不同層級(jí)中對(duì)已確定挑戰(zhàn)的潛在解決方案，最后在結(jié)論中強(qiáng)調(diào)了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及深空網(wǎng)絡(luò)在未來蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用。