李俊杰

(廣東東軟學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 佛山 528225)

0 引言

在無(wú)線通訊系統(tǒng)中，天線高度和環(huán)境復(fù)雜度是影響通信范圍的最主要因素[1]。而在復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，升高天線至毫無(wú)阻擋的高空環(huán)境可以減少建筑、山地對(duì)電波傳播的影響，顯著擴(kuò)大通信范圍。正如我們所知的衛(wèi)星通訊，也是利用此原理，在一望無(wú)際的太空環(huán)境中避開(kāi)地面環(huán)境的影響，提高了通信鏈路的質(zhì)量。

系留無(wú)人機(jī)中繼系統(tǒng)是一種可以靈活將天線升高的通訊技術(shù)[2]。系留無(wú)人機(jī)中繼系統(tǒng)具有靈活部署、可靠性高、起降環(huán)境要求低等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)地面幾十公里，結(jié)合多機(jī)模式還可以實(shí)現(xiàn)上百公里半徑的覆蓋區(qū)內(nèi)快速、廉價(jià)、可靠的中繼通訊，特別是在突發(fā)自然災(zāi)害、通信基礎(chǔ)設(shè)施受到破壞等緊急環(huán)境下，其應(yīng)急通信能力具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

1 消防領(lǐng)域應(yīng)急信息傳輸需求

1.1 數(shù)據(jù)傳輸要求

發(fā)生消防緊急任務(wù)時(shí)，指揮中心與現(xiàn)場(chǎng)人員的通訊可靠性特別重要。指揮中心可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回傳的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)和圖像視頻數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)場(chǎng)火情，并根據(jù)情況傳輸作戰(zhàn)命令，合理調(diào)度人員安排。其中測(cè)控?cái)?shù)據(jù)為無(wú)人機(jī)狀態(tài)參數(shù)；圖像視頻數(shù)據(jù)包括任務(wù)設(shè)備拍攝的圖像數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，是由任務(wù)設(shè)備上的攝像頭獲取的圖像和視頻數(shù)據(jù)[3]。在消防應(yīng)急救援過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸具有以下要求：（1）測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求，測(cè)控?cái)?shù)據(jù)分為上行指令和下行信息，其對(duì)傳輸數(shù)據(jù)帶寬要求不大，通常不大于5kb/s，但對(duì)實(shí)時(shí)性、誤碼率指標(biāo)要求較高，其傳輸延時(shí)要小于200 ms；（2）傳輸距離要求高，通信鏈路覆蓋范圍為幾公里到幾十公里不等，有時(shí)緊急情況還可能達(dá)到上百公里；（3）圖像視頻數(shù)據(jù)的通信帶寬要求，如果將圖像和視頻同時(shí)回傳，盡管采用H.265傳輸格式，其通信速率將大于10 Mb/s；（4）鏈路的可靠性要求較高，在緊急情況下，一個(gè)指令，一個(gè)視頻數(shù)據(jù)，都足以影響整個(gè)作戰(zhàn)計(jì)劃。

1.2 傳輸方式要求

當(dāng)發(fā)生消防緊急任務(wù)時(shí)，其地點(diǎn)、距離、環(huán)境因素都是無(wú)法預(yù)測(cè)的，這樣對(duì)傳輸方式就要求多樣性，不管在什么環(huán)境，多遠(yuǎn)距離都能夠通訊上，這才符合應(yīng)急救援的要求。所以在傳輸方式要求方面能夠采用不同的通訊方式達(dá)到傳輸要求。

2 消防系留無(wú)人機(jī)中繼系統(tǒng)方案特點(diǎn)

消防無(wú)人機(jī)中繼系統(tǒng)由對(duì)講機(jī)中繼系統(tǒng)、LTE通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)組成[4]。

對(duì)講機(jī)中繼系統(tǒng)設(shè)備安裝在機(jī)身中下方，采用雙天線進(jìn)行發(fā)射分集和接收分集，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)兩臺(tái)設(shè)備的收發(fā)信機(jī)使用多工器連接到一起。其中發(fā)射機(jī)使用25W功放，使用大功率功放，能夠確保通訊距離。功放采用三級(jí)放大器，用于放大從 TX_INJ到天線口的輸出信號(hào)。所有的三級(jí)放大均利用LDMOS技術(shù)。一級(jí)運(yùn)放IC和二級(jí)MOS管的增益均為可調(diào)增益，末級(jí)是LDMOS。VHF發(fā)射機(jī)框圖如圖1所示。

圖1 VHF發(fā)射機(jī)框圖Fig.1 VHF transmitter block diagram

LTE通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用小型RRU設(shè)備，工作帶寬達(dá)到60 MHz，發(fā)射功率為2×10W，配置內(nèi)置天線，是目前世界上戶(hù)外商用的功率密度最大且體積最?。w積僅4L，是傳統(tǒng)基站的1/3）的無(wú)線基站[5]。并且支持TD-LTE 3載波聚合及MIMO，每個(gè)單元提供330Mbps容量，一步到位地滿(mǎn)足移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商未來(lái)幾年的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)需求。Book RRU還可以根據(jù)需求，最多支持12個(gè)Book RRU。

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)（如圖 2所示）采用抗干擾、強(qiáng)穿透、遠(yuǎn)距離的 LoRa技術(shù)，頻段使用915 Mhz。LoRa是基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案[6]。LoRa采用了高擴(kuò)頻因子，從而獲得了較高的信號(hào)增益。一般FSK的信噪比需要8 dB，而 LoRa只需要-20 dB。另外還應(yīng)用了前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，在傳輸信息中加入冗余，有效抵抗多徑衰落，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)網(wǎng)關(guān)或基站覆蓋整個(gè)城市或數(shù)百平方公里范圍。

圖2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)Fig.2 UAV data link system

3 系留中繼無(wú)人機(jī)在消防領(lǐng)域應(yīng)用

3.1 對(duì)講機(jī)中繼系統(tǒng)

在城市周邊森林消防應(yīng)急過(guò)程中，地理位置偏僻，環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋，因此消防人員通常會(huì)使用對(duì)講機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。但這種地對(duì)地通信模式下，即便采用通常 V（136M-174M）段和U（400M-470M）段通信波段進(jìn)行通信[7]，各種遮擋下依然存在較大盲區(qū)和通信距離短的問(wèn)題，給應(yīng)急救援處理帶來(lái)諸多不方便。然而采用系留無(wú)人機(jī)平臺(tái)將對(duì)講機(jī)中繼站升空到高度100 m的高空，通信方式將變成空對(duì)地通信，有效距離和覆蓋范圍將大幅度增加。天線高度與通信距離的關(guān)系如表1所示。

表1 天線高度與通信距離Tab.1 antenna height and communication distance

通過(guò)系列無(wú)人機(jī)搭載對(duì)講機(jī)通信中繼長(zhǎng)達(dá)24H的留空能力，將通信距離由原來(lái)的1.5～5 km增加到30～50 km。

單套系統(tǒng)展開(kāi)后可迅速在地面形成圓形信號(hào)覆蓋區(qū)（如圖 3所示），區(qū)域半徑不小于 30～50 km。信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)的手持終端、車(chē)載終端等設(shè)備均可自由通信。

圖3 圓形信號(hào)覆蓋區(qū)Fig.3 circular signal coverage area

兩套快速部署自組網(wǎng)空中基站部署完成后，可迅速形成橫跨100～150 km的信號(hào)覆蓋區(qū)域，A、B區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通（如圖4所示）。天線1高度h 1/m 天線2高度h 2/m 通視距離R/km

圖4 兩個(gè)終端間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接Fig.4 seamless connection between two terminals

多套快速部署自組網(wǎng)空中基站搭配使用，可迅速形成超長(zhǎng)距離和大面積覆蓋，使相隔數(shù)百公里的兩個(gè)終端間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，快速部署自組網(wǎng)空中基站，部署完成后，覆蓋區(qū)域超過(guò)11 000 km2，橫跨400～600 km。四大區(qū)域的任意終端均可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

3.2 應(yīng)急4G-LTE通信網(wǎng)絡(luò)架設(shè)

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生，由于地表劇烈運(yùn)動(dòng)崩坍，布設(shè)在地下的通信光纜往往會(huì)斷裂中斷通信[8]（如圖5所示）。受滑坡等因素影響，傳統(tǒng)的應(yīng)急通信手段難以快速、全面恢復(fù)當(dāng)?shù)赝ㄐ?。無(wú)人機(jī)高空基站，搭載 4G基站作為指揮調(diào)度系統(tǒng)，覆蓋面積最高達(dá)100 km2，能24 h不間斷為當(dāng)?shù)? 200個(gè)手機(jī)用戶(hù)提供即時(shí)通話、上網(wǎng)等通信保障。

圖5 應(yīng)急4G-LTE通信網(wǎng)絡(luò)架設(shè)Fig.5 erection of emergency 4G-LET communication network

3.3 無(wú)人機(jī)通信鏈路中繼保障

當(dāng)無(wú)人機(jī)需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離森林消防偵查時(shí)，受環(huán)境以及空域影響限制，如中間有山體，高樓等遮擋[9]，這時(shí)候無(wú)線電通信達(dá)不到通視條件，信號(hào)傳輸質(zhì)量和距離都很難達(dá)到理想狀態(tài)（如圖6所示），對(duì)飛行存在非常大的安全隱患，同時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)獲取飛行姿態(tài)、視頻數(shù)據(jù)，存在空中撞擊障礙物的風(fēng)險(xiǎn)[10]。此時(shí)在系留無(wú)人機(jī)上安裝與前方無(wú)人機(jī)匹配的中繼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與前方偵查無(wú)人機(jī)空對(duì)空通信，與地面站空對(duì)地通信，將數(shù)據(jù)鏈路通信覆蓋范圍擴(kuò)大至半徑 25 km，有效的解決了通信質(zhì)量差，距離短的問(wèn)題。

圖6 無(wú)人機(jī)通信方案Fig.6 UAV communication scheme

3.4 空中區(qū)域監(jiān)控

在系留無(wú)人機(jī)上安裝30倍1 080 P高清變焦相機(jī)云臺(tái)相機(jī)，將無(wú)人機(jī)升空至高度 100 m，可對(duì)周邊2 km內(nèi)的范圍進(jìn)行24 h長(zhǎng)期視頻監(jiān)控[11]。同時(shí)視頻信號(hào)通過(guò)與之相連的光纖傳輸至地面控制站隨后中轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)程指揮中心。

4 結(jié)論

消防系留無(wú)人機(jī)中繼系統(tǒng)是結(jié)合目前成熟的多旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)與通訊中繼技術(shù)的新型系統(tǒng)，有效改善了人們?cè)谙缿?yīng)急救援領(lǐng)域的通訊能力，直接提高了應(yīng)急救援能力。特別在有線通信網(wǎng)絡(luò)被破壞的情況下，利用消防系留無(wú)人機(jī)中繼系統(tǒng)，可以迅速建立起新的通信系統(tǒng)，以最快、最有效、最可靠的技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)取得聯(lián)系，保障救援工作的順利進(jìn)行。消防系留無(wú)人機(jī)中繼系統(tǒng)不僅僅在消防應(yīng)急救援救災(zāi)中發(fā)揮巨大的作用，在其他需要及時(shí)通訊的領(lǐng)域都可充當(dāng)重要角色，發(fā)揮重要作用。