李世寶, 潘荔霞, 張文斌, 劉建航, 黃庭培, 郭曉菲

(中國石油大學(華東) 計算機與通信工程學院， 山東 青島 266580)

基于無人機的移動通信實驗平臺設計

李世寶, 潘荔霞, 張文斌, 劉建航, 黃庭培, 郭曉菲

(中國石油大學(華東) 計算機與通信工程學院， 山東 青島 266580)

現(xiàn)有移動通信實驗系統(tǒng)一般室內(nèi)部署，無法重現(xiàn)真實無線信道復雜多變的衰落、干擾特性，針對這一問題，提出了一種基于無人機的無線通信實驗平臺設計方案，借助于無人機的機動性，通過機載模塊采集和測量無線信號和信令信息，實現(xiàn)對信道多徑、衰落、干擾等復雜時變特性的研究，完成對多普勒頻移、多徑衰落、越區(qū)切換等現(xiàn)象的實驗。同時也可為課程設計、工程訓練、實習實訓等綜合性的實踐環(huán)節(jié)提供軟硬件環(huán)境。該實驗系統(tǒng)靈活度高、可擴展性好、部署方便，可以滿足跨課程、多層次的實驗教學需求。

實驗教學; 通信實驗平臺; 無人機; 無線信道

0 引 言

無線與移動通信一直是通信行業(yè)發(fā)展的熱點，4G方興未艾，5G已經(jīng)躍躍欲試[1-2]。在通信工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，移動通信和無線網(wǎng)絡相關課程是最重要的方向之一，與理論課程配套的實驗與實踐環(huán)節(jié)是鞏固課堂知識、理解網(wǎng)絡原理、鍛煉軟硬件設計能力的重要手段[3-4]。目前高校中無線通信相關課程的實驗平臺主要有三類解決方案：① 利用Matlab、NS2和LabVIEW等軟件搭建仿真實驗平臺[5-8]。其核心是借助仿真軟件模擬通信的各個環(huán)節(jié)，成本低，建設快，易維護。缺點是無法實現(xiàn)真實無線通信環(huán)境，實驗中用到的數(shù)據(jù)和結果都是仿真產(chǎn)生的，不直觀、不利于學生深入理解相關原理；② 專用實驗箱或?qū)嶒炁_。實驗箱中通過插孔引出的導線連接示波器、頻譜儀等測試儀器，觀察通信過程的信號數(shù)據(jù)或波形[9]。價格適中，比較直觀，但是這類實驗臺一般只能驗證基本原理，無法實現(xiàn)整個無線網(wǎng)絡的全過程，二次開發(fā)功能也比較少。③ 基于華為、中興等公司的商用通信系統(tǒng)[10]，其工作穩(wěn)定性高，功能全面，但是采購成本高、系統(tǒng)復雜度高、部署維護困難，同時由于此類設備封裝嚴格、不透明，往往只能做一些配置實驗，底層接口開放的很少。

以上3種解決方案除了各自固有的優(yōu)缺點之外，還都存在以下弊端：① 無法實現(xiàn)無線信道的衰落、干擾等復雜特性。無線信道特征是無線通信理論的基本研究對象，3G、4G等移動通信系統(tǒng)的核心問題就是解決信號在空間傳播遇到的噪聲、衰落和干擾，現(xiàn)有實驗平臺均無法重現(xiàn)真實的復雜多變的信道環(huán)境，尤其是時變特性。② 無法實現(xiàn)不同速率時的通信場景及對于無線通信的影響。移動通信在高速環(huán)境下，信道特征和網(wǎng)絡信令方面都有很大不同，是移動通信的重要特征之一，現(xiàn)有的實驗方案因為場地空間的限制，都不能重現(xiàn)變速率場景下的無線通信。

最近幾年無人機[11]發(fā)展迅速，可以通過遠程遙控自由出入各種環(huán)境，非常適合針對復雜無線信號的采集和測量。因此，本文針對現(xiàn)有無線系統(tǒng)實驗方案存在的問題，結合無人機的特點，提出了一種基于無人機的無線通信實驗解決方案。一個實驗室配置一臺或者多臺無人機，遙控其以不同速率在各種環(huán)境中飛行，將采集到的無線信號實時傳回到實驗室。既可以獨立組建實驗系統(tǒng)，也可與現(xiàn)有實驗平臺結合，補充實驗項目，彌補現(xiàn)有實驗平臺的不足。

1 實驗平臺系統(tǒng)架構

本實驗平臺包括無人機信號收發(fā)部分和地面信號處理站兩個部分，如圖1所示。

圖1 實驗平臺結構圖

無人機信號收發(fā)部分主要完成復雜無線信號的采集和回傳，其核心部件為機載功能模塊，主要包括主控核心板、機載射頻板和外設接口等。通過GPS定位[12]以及慣性導航技術[13]實現(xiàn)定點懸停、航線飛行；利用機載射頻板完成數(shù)據(jù)采集；集成IEEE 802.11協(xié)議棧，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳。同時可以利用機載模塊實現(xiàn)多無人機之間的協(xié)同，用以研究動態(tài)網(wǎng)絡拓撲中數(shù)據(jù)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

地面信號處理站主要包括射頻收發(fā)、信號預處理、編解碼、數(shù)字信號處理等組成部分，借助于射頻模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，同時由基帶處理部分進行信號的編解碼。更高層的數(shù)據(jù)處理功能交給專用服務器實現(xiàn)，借助C++充當軟件接口功能。

本實驗平臺可以獨立作為無線與移動通信的實驗系統(tǒng)，不僅可以直觀地再現(xiàn)接收信號的特征，方便研究信號的多普勒頻移、多徑效應、抗噪性能等。而且，由于該系統(tǒng)部署了無線網(wǎng)絡協(xié)議棧，結合無人機靈活機動的特點，便于進行動態(tài)拓撲的網(wǎng)絡協(xié)議和和數(shù)據(jù)分發(fā)策略的研究。同時也可以與現(xiàn)有的實驗平臺融合，為其提供實時的或者離線的真實無線信號，彌補現(xiàn)有實驗平臺的不足。

2 硬件電路設計

無人機端的硬件電路結構如圖2所示，主要包括核心板、射頻模塊和各種外設接口。核心板為處理器提供基本的工作環(huán)境，射頻模塊負責接收和發(fā)送無線信號，為地面站提供數(shù)據(jù)來源，外設接口是處理器芯片與外界通信的信號通路，可以為各種傳感器和外部邏輯提供連接。為了保證無人機信號收發(fā)平臺工作的穩(wěn)定性以及功耗性能，同時提供強大的數(shù)據(jù)處理能力，其硬件系統(tǒng)采用了一顆Altera公司Cyclone V系列處理器，可以完成無人機飛行控制以及無線信號數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。以下將對相關模塊進行說明。

圖2 硬件結構圖

(1) 傳感器接口。無人機飛行過程中需要時刻采集傳感器回傳的數(shù)據(jù)以調(diào)整飛行姿態(tài)，由此該系統(tǒng)分別為加速度計、陀螺儀、地磁傳感器、GPS接收機。這些傳感器與核心板之間的通信采用IIC數(shù)據(jù)傳輸接口。該接口可以在總線上同時掛載不同的外設，僅僅依靠外設的不同地址操作不同的傳感器外設，快速獲得飛機當前的飛行姿態(tài)，方便進行姿態(tài)控制。I2C總線的結構如圖3所示。

圖3 I2C總線結構圖

(2) 射頻模塊。射頻模塊包括射頻發(fā)射以及射頻接收兩部分，分別負責信號的上下變頻和功放等工作。在設計射頻模塊的時候要確保射頻元器件盡量靠近基帶芯片，天線盡量靠近射頻元器件，同時相關區(qū)域用敷銅保護，以保證模塊間的干擾盡量小，信號的線損最小[14]。在主流手機無線頻段的射頻設計方案中，按照信號流向劃分，主要包括天線開關模塊(ASM)，RF SAW濾波器以及雙工器、合成器等。同時為了實現(xiàn)信號增強與變頻，還需要功率放大器(PA)，前端模塊(FEM)和PLL模塊[15]。其構成原理如圖4所示。

圖4 射頻前端結構圖

(3) 核心板。無人機端的核心板采用Altera公司的Cyclone V處理器作為中央處理器，該處理器基于ARM Cortex-A9[16]架構，可以滿足系統(tǒng)對高性能、低功耗低成本的要求。核心板采用雙層板設計，在最大程度的滿足板子小型化的同時保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。其包含的主要模塊有JTAG模擬器電路、電源管理模塊、1GB DDR3 SDRAM、64MB SDRAM、數(shù)據(jù)接口以及人機操作接口。其中電源管理模塊提供1.1、1.5、3.3、5.0 V等工作電壓，分別給不同的外設以及芯片的時鐘、ADC等模塊供電；RAM和ROM芯片分別為邏輯代碼和數(shù)據(jù)提供存儲空間；數(shù)據(jù)接口支持包括SPI、I2C、串口數(shù)據(jù)傳輸模式，保證傳感器數(shù)據(jù)和無線信號數(shù)據(jù)和芯片的快速通信；人機操作接口包括微型的液晶屏幕和按鍵開關、撥碼開關，為系統(tǒng)輸入不同的控制指令。核心板的結構如圖5所示。

(4) 系統(tǒng)預留接口。為了進行功能擴展，同時方便硬件功能調(diào)試，在系統(tǒng)板上預留了功能擴展口，包括D/A轉(zhuǎn)換、脈寬調(diào)制(PWM)、外部中斷與迷你顯示器接口。這些接口可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、外設控制、系統(tǒng)喚醒、數(shù)據(jù)顯示的功能，是對硬件資源的一大補充。

圖5 核心板結構圖

3 軟件系統(tǒng)構成

軟件開發(fā)包括數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)處理兩部分內(nèi)容，首先借助微軟公司的Visual Studio 2016(VS2016)工具集進行C++軟件接口以及可視化界面開發(fā)，其次，借助Matlab軟件進行信號處理的算法設計以及仿真過程實現(xiàn)。最終兩個部分通過接口函數(shù)進行連接，構建出一個既具有方便操作的可視化界面，又可以實現(xiàn)復雜信號處理的地面站系統(tǒng)。同時，為了實現(xiàn)二次開發(fā)功能，系統(tǒng)將接口函數(shù)都進行了封裝，方便外部調(diào)用。軟件開發(fā)流程如圖6所示。

圖6 軟件開發(fā)流程

(1) 軟件接口。在射頻前端和數(shù)據(jù)處理終端之間需要設計一簇軟件端口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，類型包括控制端口和數(shù)據(jù)端口。其中控制端口用于傳送控制信息，實現(xiàn)地面對無人機平臺的遠程控制功能；數(shù)據(jù)端口負責接收從無人機平臺回傳的數(shù)據(jù)。軟件接口的實現(xiàn)借助了最新的PCI-Express數(shù)據(jù)傳輸接口標準，通過高速點對點多通道帶寬傳輸，分配獨享的數(shù)據(jù)通道帶寬，可以實現(xiàn)高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳送。

(2) 信號處理。信號處理單元需要對接收到的信號進行分析處理，并將結果以某種形式展現(xiàn)出來，因此適合借助Matlab進行運算處理。該軟件可以方便地進行信號處理運算，其集成的工具箱Signal processing toolbox可以方便地進行軟件濾波器設計與分析、線性系統(tǒng)特性分析，信號處理與譜分析以及參數(shù)建模。

(3) 軟件封裝與功能擴展。為了突出實驗平臺的高度靈活性和可擴展性，軟件系統(tǒng)同時還包括一些可擴展的功能模塊。加載這些功能模塊，就可以讓軟件系統(tǒng)工作在不同的模式，結合部署在無人機平臺的無線傳輸協(xié)議，就可以進行更加廣泛的實驗與研究，如傳輸協(xié)議和大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯康?。同時該系統(tǒng)為二次開發(fā)預留了軟件接口，學生可以通過標準接口函數(shù)編寫內(nèi)部邏輯，操作信號處理的方式方法，實現(xiàn)新的通信理論的研究。

4 實驗平臺支持的實驗項目

本實驗平臺是基于無人機和地面數(shù)據(jù)處理裝置實現(xiàn)的無線通信實驗平臺，與常規(guī)的實驗平臺不同，它可以通過無人機采集室外環(huán)境真實的無線信號，真實再現(xiàn)實際的無線通信過程的干擾、延遲、衰落等現(xiàn)象，實現(xiàn)對無線信號發(fā)生、傳輸、處理過程的全檢測?？梢酝瓿尚诺谰幗獯a實驗、抗干擾實驗、信道特性實驗、小區(qū)切換實驗等，還可以通過機載協(xié)議棧實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡協(xié)議設計等實驗。這些實驗幾乎涵蓋了無線通信領域從原理驗證到設計開發(fā)，從表面現(xiàn)象到實際實現(xiàn)的方方面面，是具有系統(tǒng)性知識結構的實驗內(nèi)容。

4.1 移動通信實驗

該實驗平臺與已有實驗系統(tǒng)結合可以完成常規(guī)的無線通信相關各類實驗，同時結合無人機具備的機動性優(yōu)勢，可以完成許多年傳統(tǒng)實驗平臺不支持的通信系統(tǒng)實驗項目。

(1) 多普勒頻移實驗。多普勒現(xiàn)象發(fā)生在移動臺以某一速率沿某一方向移動的過程中，信號的傳播路程差會導致收信方收到的信號相位頻率發(fā)生一定的變化。在該系統(tǒng)中無人機充當快速移動的無線終端，按照一定的速率進行航線飛行，地面站收集到的信號就會附加上多普勒頻移效應。此外，還可以通過不同的相對運動速率完成無線信號傳播穩(wěn)定性的實驗。

(2) 信號衰落實驗。信號的衰落指的是由于傳播媒介以及傳播路徑隨時間變化而引起的接收信號的強弱變化，在無線通信研究領域中也具有很重要的意義。該系統(tǒng)可以充分發(fā)揮無人機機動靈活的優(yōu)點，通過城市建筑環(huán)境與空曠環(huán)境、干燥環(huán)境與潮濕環(huán)境的對比，研究無線信號在不同條件下傳播所受到的的多徑衰落、頻率選擇性衰落等變化。

(3) 小區(qū)切換實驗。當移動臺從某個基站的覆蓋區(qū)域移動到其他基站的覆蓋區(qū)域的時候，為了保證通信質(zhì)量而進行的信道切換也是無線通信中很重要的研究方向。無人機自身具備很高機動性，可以自由出入各種場景，完成在扇區(qū)和小區(qū)的穿越，并將相關信號的變化和信令數(shù)據(jù)實時回傳，從而幫助學生方便地在實驗室完成軟切換和硬切換的實驗。

4.2 網(wǎng)絡實驗

該實驗平臺無人機與地面站之間采用IEEE 802.11協(xié)議實現(xiàn)無線回傳，并將協(xié)議棧進行了封裝，開放二次開發(fā)接口，學生可以進行鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層的實驗設計。同時如果能夠配置多臺無人機，那么在無人機機載模塊上可以實現(xiàn)支持AdHoc和無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)議，通過二次開發(fā)可以實現(xiàn)無人機間的協(xié)同組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸，并可以研究不同的拓撲形狀對網(wǎng)絡傳輸?shù)挠绊懸约斑\動的節(jié)點對整個網(wǎng)絡的影響。這些特性使得這一套實驗平臺除了滿足本科生實驗實踐環(huán)節(jié)的需要之外，也可以作為研究生的科研平臺。

4.3 其他實驗

無人機以及機載模塊除了配合地面站完成移動通信和網(wǎng)絡實驗之外，其自身的射頻模塊、機載主控等都完全開放，可用于無線通信相關實驗，同時也可用于在機載模塊中完成軟硬件的二次開發(fā)，例如機載電路板設計、射頻模塊設計、基帶處理算法、無線組網(wǎng)等，甚至無人機本身也開放了功能強大的二次開發(fā)接口，通過對機載主控、GPS定位以及其他機載載荷的設計等，實現(xiàn)對無人機進行深入的定制。

這類實驗主要為嵌入式相關課程提供豐富有趣的實驗，同時也可以為與無線通信相關實驗融合，用于綜合性的課程設計，幫助學生實現(xiàn)系統(tǒng)性的功能開發(fā)，鍛煉學生的綜合設計開發(fā)能力，全面開放的接口和靈活自由的二次開發(fā)功能，非常有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

5 結 語

本文提出的無線通信實驗平臺首次將無人機引入到實驗教學中，充分發(fā)揮無人機的機動性優(yōu)勢，利用機載模塊采集和測量復雜場景下的真實無線信號，彌補了現(xiàn)有室內(nèi)實驗系統(tǒng)無法進行復雜無線信道和網(wǎng)絡相關實驗的不足。這種全新的教學模式，不僅能夠讓學生在更深入地理解課堂理論知識，還能夠真實無線通信復雜多變的魅力，激發(fā)探索前沿技術的興趣。同時該平臺也可以為網(wǎng)路課程、嵌入式課程提供豐富有趣的實驗，為課程設計、工程訓練、實習實訓等綜合性的實踐環(huán)節(jié)提供軟硬件平臺，也可以幫助無線通信和網(wǎng)絡方向的研究生進行設計和測試。該平臺具有較強的靈活性和可擴展性，既可以單獨組建實驗室，也可以與現(xiàn)有實驗系統(tǒng)融合搭建，滿足跨課程、多層次的實驗教學需求。

[1] 張 平,陶運錚,張 治.5G若干關鍵技術評述[J].通信學報, 2016,37(7):15-29.

[2] 孔令兵. 5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關鍵技術[J]. 通信電源技術, 2015, 32(4):124-125.

[3] 余厚全, 吳凌云, 陳永軍. 電子信息類專業(yè)實驗教學的幾點思考[J]. 實驗室研究與探索, 2009, 28(6):102-104.

[4] 徐俊梅, 孫 偉. 關于實驗教學的幾點思考[J]. 中國教育技術裝備, 2009(31):194-194.

[5] 邢 鑫,趙 慧.基于LabVIEW和USRP的軟件無線電通信實驗平臺設計[J]. 實驗技術與管理, 2016,33(5):160-164.

[6] 楊 宏,孔耀暉,茹晨光. 基于GNU Radio和USRP的無線通信系統(tǒng)建模仿真[J].現(xiàn)代電子技術, 2013,36(18):73-77．

[7] 楊宇紅,袁 焱,田 礫.基于軟件無線電平臺的通信實驗教學[J]. 實驗室研究與探索，2015, 34(4):186-188.

[8] 趙東風,于曉磊,李文勛,等. 高校通信實驗室軟交換系統(tǒng)實驗設計[J]. 實驗科學與技術, 2011, 9(5):1-3.

[9] 戴翠琴,冉海霞,鮑寧海．移動通信課程實驗教學改革與平臺建設[J]. 實驗技術與管理,2012,29(2):144-147.

[10] 涂繼輝,蘇麗秋．基于OpenBTS和Asterisk的移動通信實驗系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].實驗技術與管理, 2014 ,31(5):65-70.

[11] 王海斌,葛雪雁,宋玉珍.無人機的發(fā)展趨勢與技術預測[J].飛航導彈, 2009(11):46-52.

[12] Abdelkrim N, Aouf N, Tsourdos A,etal. Robust nonlinear filtering for INS/GPS UAV localization[C]// Control and Automation, 2008, Mediterranean Conference on. 2008:695-702.

[13] Bryson M, Sukkarieh S. Vehicle Model Aided Inertial Navigation for a UAV using Low-Cost Sensors[C]// Intelligent Transportation Systems, 2003. Proceedings.2003 IEEE.IEEE, 2004:1004 - 1009.

[14] 黃玉蘭.ADS射頻電路設計基礎與典型應用[M].北京：人民郵電出版社, 2010.

[15] 菲特(美).射頻和無線技術[M].李根強,匡 泓,文志成譯.北京：電子工業(yè)出版社,2009.

DesignofMobileCommunicationExperimentalPlatformBasedonUAVS

LIShibao,PANLixia,ZHANGWenbin,LIUJianhang,HUANGTingpei,GUOXiaofei

(School of Computer and Communication Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shangdon, China)

The deployed experimental systems today could not work on real wireless channels and complex networks, in order to avoid this defect, we proposed a wireless communication experimental platform based on UAVS. It is able to collect or measure wireless signals and complete signaling information via its flexibility and mobility, thus provides the chance to study the multipath, fading, interference and other complex time-varying characteristics of channels. It can accomplish the Doppler frequency shift, multipath fading, cross-zone’s handover experiments. Moreover, it is capable of providing hardware and software environment for curriculum design, engineering training and practical training. The experiment system has the advantages of high flexibility, good expansibility and convenient deployment, and can meet the needs of cross-course and multi-level experiment teaching.

experimental teaching； communication experiment platform； unmanned aerial vehicle； wireless channels

TN 929.5; G 484

A

1006-7167(2017)11-0068-04

2017-02-21

山東省本科高校教學改革研究項目(2015M020)；全國工程專業(yè)學位研究生教育2016-2017年度自選研究課題-教改項目(2016-ZX-271)；中國石油大學(華東)教學實及驗技術改革項目(QN201432，SY-A201608)

李世寶(1978-)，男，山東高密人，碩士，副教授，主要研究方向為無線通信，移動計算。

Tel.：15966883535;E-mail:Lishibao@upc.edu.cn