廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 陳振龍

應(yīng)急事件的處理過程中，通信技術(shù)的先進(jìn)性和智能化程度對于應(yīng)急事件處理效果的達(dá)成有非常重要的促進(jìn)作用。5G 技術(shù)支持下，無人機(jī)智能組網(wǎng)的應(yīng)急通信技術(shù)，成為現(xiàn)階段應(yīng)急事件處理中發(fā)揮核心作用的技術(shù)與系統(tǒng)。結(jié)合5G 技術(shù)的基本應(yīng)用特征和功能要點(diǎn)，針對無人機(jī)智能組網(wǎng)、應(yīng)急通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步的合理應(yīng)用通信技術(shù)，為提升無人機(jī)智能組網(wǎng)通信的質(zhì)量提供支持。具體來說，5G 網(wǎng)絡(luò)支持下的應(yīng)急通信技術(shù)包括智能化的部署控制技術(shù)、協(xié)議數(shù)據(jù)融合技術(shù)、無人機(jī)編隊(duì)控制技術(shù)、自適應(yīng)路由技術(shù)。針對上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，有利于利用5G 通信網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到更好的應(yīng)急通信技術(shù)應(yīng)用效果。

無人機(jī)在現(xiàn)階段的地形測繪、偵查通信等多個領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。尤其是對于應(yīng)急通信通道和網(wǎng)絡(luò)的搭建來說，無人機(jī)能夠以高端的技術(shù)支持和最小化的人力成本支出，獲得應(yīng)急事件處理的良好效果。通過突破客觀環(huán)境困難的技術(shù)支撐，為突發(fā)事件處理中應(yīng)急通信環(huán)節(jié)的工作提供重要的支持。5G 網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大、信號質(zhì)量高的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與無人機(jī)智能組網(wǎng)應(yīng)急通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動開發(fā)應(yīng)用，有利于提升這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用成效、優(yōu)化應(yīng)急事件的處理工作質(zhì)量。

1 應(yīng)急通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)分析

1.1 總體架構(gòu)分析

5G 網(wǎng)絡(luò)支持下的智能組網(wǎng)應(yīng)急通信平臺多為高空平臺。若對應(yīng)急通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，可分為非系留式和系留式兩種類型。其中，非系留式架構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，包括了基礎(chǔ)基站高空平臺、區(qū)域核心網(wǎng)絡(luò)區(qū)域、回傳終端區(qū)域等[1]。在實(shí)踐應(yīng)用中，主要通過高空平臺完成通信網(wǎng)絡(luò)的搭建。由回傳終端和機(jī)載基站進(jìn)行應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的回傳和覆蓋，實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)信息向核心網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的傳達(dá)。而核心網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，主要承擔(dān)會話管理接入管理和用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與管理功能。而對于系留式應(yīng)急通信系統(tǒng)而言，其整體架構(gòu)的連接，需要借助專用電纜和電源[2]。

1.2 高空平臺區(qū)域分析

高空平臺在應(yīng)急通信系統(tǒng)中具有非常嚴(yán)格的功能性要求。具體來說，此平臺在實(shí)踐應(yīng)用中，需要滿足長時間續(xù)航的要求。同時，運(yùn)輸和部署環(huán)節(jié)也應(yīng)當(dāng)快速而便捷?，F(xiàn)階段，無人機(jī)在高中平臺中的應(yīng)用，也相對更加集中而廣泛。在無人機(jī)應(yīng)用于高空平臺進(jìn)行通信傳輸時，需結(jié)合無人機(jī)的不同類型進(jìn)行合理選擇[3]。專業(yè)無人機(jī)，由于其能夠長時間不間斷地進(jìn)行供電，因此，在應(yīng)用的持續(xù)性和穩(wěn)定性上更強(qiáng)。目前，專用無人機(jī)中，旋翼無人機(jī)是應(yīng)用在高空平臺進(jìn)行通訊信息傳輸?shù)闹饕獰o人機(jī)類型。

1.3 機(jī)載基站系統(tǒng)分析

機(jī)載基站系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)中包括了光電復(fù)合纜、基站天線和輕量化基站三部分基本結(jié)構(gòu)。其中，輕量化基站的通信主要依托一體化通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用。基站的基本結(jié)構(gòu)中，包括了電源模塊、基帶控制單元兩部分[4]。在實(shí)踐操作的過程中，主要根據(jù)無人機(jī)升高后的懸停點(diǎn)位進(jìn)行基站覆蓋范圍的網(wǎng)絡(luò)定位。而在機(jī)載基站結(jié)構(gòu)中，光電復(fù)合纜主要用來連接地面通信車與高空平臺機(jī)載站，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸?；咎炀€一般發(fā)揮接收和發(fā)射信號的作用，通常情況下，天線角度可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，另外，垂直角度最高不超過20°。

2 5G 網(wǎng)絡(luò)支持下無人機(jī)智能組網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢分析

2.1 有利于提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)幕拘阅?/h3>

在5G 信息技術(shù)的支持下，無人機(jī)設(shè)備的應(yīng)用靈活性會更進(jìn)一步地增強(qiáng)。另外，網(wǎng)絡(luò)傳輸背景下，5G 信號的穩(wěn)定性和信號質(zhì)量也能夠達(dá)到更高的水平層次。不僅能夠促使無線網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋面積有所增大，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅軤顟B(tài)也會得到優(yōu)化。信息傳輸?shù)男Ч軌蚋玫貪M足整個網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的通信要求，應(yīng)急事件的處理工作也可在相關(guān)技術(shù)的支持下，獲得更加穩(wěn)定良好的效果。

2.2 有利于通過數(shù)據(jù)計(jì)算獲得最優(yōu)的飛行路線選項(xiàng)

無人機(jī)飛行的過程中，飛行路線和飛行速率是影響無人機(jī)工作效果的關(guān)鍵指標(biāo)。無人機(jī)實(shí)踐飛行的過程中，最佳路線的選擇需要依托專業(yè)的智能化算法進(jìn)行獲得。而5G 通信信號的覆蓋，能夠使得學(xué)習(xí)和計(jì)算的過程更進(jìn)一步地在效率上獲得提升[5]。具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用人員，需結(jié)合無人機(jī)飛行的基本原理，以及5G 信號覆蓋后的信息傳輸狀態(tài)有效接收相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。并結(jié)合科學(xué)的算法對數(shù)據(jù)信息傳達(dá)的內(nèi)容進(jìn)行合理的確認(rèn)和定位。確保5G 通信技術(shù)支持下的數(shù)據(jù)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，在學(xué)習(xí)過程和效果上更加穩(wěn)定而有效。

2.3 有利于在通信不便或設(shè)備毀壞的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信的穩(wěn)定保障

通信狀態(tài)不變，或設(shè)備毀壞會直接造成通信的中斷。因此，需要通過應(yīng)急通信系統(tǒng)的搭建，達(dá)到預(yù)期的信息傳輸效果。在具體實(shí)踐的過程中，5G 信息系統(tǒng)的覆蓋，能夠保證在通信基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生損壞的情況下，依舊供應(yīng)5G 級別的應(yīng)急通信服務(wù)。這對于應(yīng)急通信的保障力度具有針對性地提升作用。另外，5G 通信技術(shù)，現(xiàn)階段具有先進(jìn)性和完善性更強(qiáng)的特征，與人工智能技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)有效地融合。這與無人機(jī)這種智能設(shè)備的應(yīng)用有非常顯著的匹配性，對于取得更好的信息傳輸效果和故障排除效果有非常重要的提升作用[6]。

3 5G 網(wǎng)絡(luò)支持下的無人機(jī)智能組網(wǎng)應(yīng)急通信關(guān)鍵模塊分析

3.1 5G 通信模塊分析

5G 通信模塊的基本結(jié)構(gòu)包括了5G 射線電路和通信處理器兩部分。在通信功能發(fā)揮的過程中，需選擇臨近地面的應(yīng)急通信方艙車進(jìn)行基站的裝配和無人機(jī)的搭載。這一模塊的設(shè)置，形成了通信匯聚節(jié)點(diǎn)，而5G 射頻電路可直接與天線相連，實(shí)現(xiàn)5G 射頻信號的收發(fā)。通信模塊的頻率水平達(dá)到3.5GHz[7]，此模塊在發(fā)揮作用的過程中，主要依托5G 無線網(wǎng)絡(luò)接入通信模塊。在具體應(yīng)用過程中，5G 通信模塊在獲取用戶信號后，可通過通信處理器將信號實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，傳送至組網(wǎng)模塊中，由組網(wǎng)模塊根據(jù)用戶的實(shí)際身份信息和性質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息的重組，并下發(fā)給用戶終端。

3.2 組網(wǎng)模塊分析

此模塊的基本結(jié)構(gòu)包括組網(wǎng)射頻電路和組網(wǎng)處理器兩部分。其中，射頻電路與電線直接相連，主要承擔(dān)信息收發(fā)功能。組網(wǎng)處理器則負(fù)責(zé)組網(wǎng)和飛控信息的有效處理以及非控協(xié)議的正常運(yùn)行維持。這一模塊在5G 通信系統(tǒng)的支撐下，能夠?qū)W(wǎng)間中繼信息進(jìn)行基于協(xié)議的有效轉(zhuǎn)換，隨后，再完成不同組網(wǎng)模塊之間的信息交互。無人機(jī)將搭載著經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理的信息，到達(dá)通信匯聚節(jié)點(diǎn)，完成獲取的信息，向地面的直接傳輸。傳輸?shù)倪^程，也意味著用戶終端與通信系統(tǒng)之間形成了有效的連接。除此之外，組網(wǎng)模塊還能夠?qū)崿F(xiàn)飛控系統(tǒng)的飛行指令傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換。隨后建立空地控制通路，對無人機(jī)與地面控制臺之間的聯(lián)系狀態(tài)進(jìn)行有效的調(diào)整控制。在組網(wǎng)模塊實(shí)踐應(yīng)用的過程中，信號傳輸頻率設(shè)置為5.8GHz，在信息傳輸連接時，選用全向天線技術(shù)做支持。

4 5G 與無人機(jī)聯(lián)動應(yīng)用背景下的智能組網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 5G 通信技術(shù)

此技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中，通過無人機(jī)與5G 基站的搭載聯(lián)動應(yīng)用（如圖1 所示），實(shí)現(xiàn)基站的深空組網(wǎng)操作，構(gòu)建具有應(yīng)用適宜性的5G 應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)。5G 信號可實(shí)現(xiàn)對整個通信網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，解決了其他頻率可能出現(xiàn)的干擾問題。在整個5G 通信網(wǎng)絡(luò)中，無人機(jī)主要發(fā)揮通信節(jié)點(diǎn)作用。針對一部分應(yīng)急問題發(fā)揮治愈與抗毀功能，實(shí)現(xiàn)對全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息的穩(wěn)定和共享。這對于提升應(yīng)急救援信息系統(tǒng)的效能有非常重要的促進(jìn)作用。

圖1 5G 時代大數(shù)據(jù)無人機(jī)高空基站Fig.1 5G era big data UAV high altitude base station

4.2 無人機(jī)智能部署與控制技術(shù)

在無人機(jī)應(yīng)用的過程中，任務(wù)的完成需要無人機(jī)協(xié)同發(fā)揮作用。因此，多個無人機(jī)的編隊(duì)部署以及飛行控制，是充分發(fā)揮好其應(yīng)急事件處理作用的重要前提條件?，F(xiàn)階段無人機(jī)的編隊(duì)飛行要點(diǎn)在于，多架無人機(jī)需按照既定的隊(duì)形排列要求進(jìn)行相關(guān)任務(wù)的分配。并精準(zhǔn)控制和定位任務(wù)執(zhí)行的具體模式，在編隊(duì)飛行的過程中，應(yīng)當(dāng)針對性地解決飛行中的數(shù)據(jù)信息融合問題，以及編隊(duì)整個飛行過程的控制問題。而解決上述問題的具體技術(shù)要點(diǎn)包括以下幾部分:（1）協(xié)議數(shù)據(jù)融合技術(shù)支持下的改進(jìn)優(yōu)化。本文探討的具體協(xié)議為MAVLink 協(xié)議。此協(xié)議現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛性相對更強(qiáng)。另外，數(shù)據(jù)融合時，多架無人機(jī)的飛行控制指令，都需要按照協(xié)議數(shù)據(jù)的統(tǒng)一格式進(jìn)行重新打包和傳輸。因此，協(xié)議數(shù)據(jù)要通過統(tǒng)一的融合處理，為更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。（2）無人機(jī)編隊(duì)控制技術(shù)分析。無人機(jī)的編隊(duì)控制技術(shù)主要是指，在編隊(duì)部署和編隊(duì)控制的過程中，結(jié)合目標(biāo)任務(wù)的整體區(qū)域范圍對通信任務(wù)的距離、任務(wù)要求以及具體的約束條件進(jìn)行系統(tǒng)性的部署。而編隊(duì)控制，則強(qiáng)調(diào)通過合理地進(jìn)行隊(duì)形保持控制起落點(diǎn)位，控制防撞避障控制進(jìn)行無人機(jī)飛行安全的保障。在編隊(duì)部署的過程中，應(yīng)用的具體技術(shù)和方法為相關(guān)群體的智能部署算法。通過數(shù)據(jù)計(jì)算，能夠獲得無人機(jī)運(yùn)行路徑的有效規(guī)劃，規(guī)避一些風(fēng)險和問題[8]。而在編隊(duì)控制的具體執(zhí)行落實(shí)環(huán)節(jié)，主要需要借助虛擬力的部署算法和虛擬力的感知算法，對設(shè)備的完整性以及可能出現(xiàn)的風(fēng)險問題進(jìn)行感知和捕捉。在具體實(shí)踐中，預(yù)編程技術(shù)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人工控制與無人機(jī)控制相結(jié)合的控制方式的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在5G網(wǎng)絡(luò)支持下完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫ㄐ挪渴?。同時，通過協(xié)議的優(yōu)化改進(jìn)，保證飛行指令按照協(xié)議數(shù)據(jù)完成二次打包。

4.3 動態(tài)分簇與自適應(yīng)路由技術(shù)分析

從基本特征上分析可知，無人機(jī)的5G 空中通信網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，處在動態(tài)變化的狀態(tài)下。因此，無人機(jī)的地面控制站需要采用全智能節(jié)點(diǎn)部署算法，對無人機(jī)的編隊(duì)飛行軌跡進(jìn)行預(yù)期設(shè)計(jì)。在預(yù)期設(shè)計(jì)的多條軌跡中，選取能夠?qū)崿F(xiàn)信號精準(zhǔn)覆蓋且距離最短的路線設(shè)置為無人機(jī)在應(yīng)急事件處理中的最佳飛行路線。以此為基礎(chǔ)，應(yīng)用自組網(wǎng)分組算法，對未能充分考慮的無人機(jī)編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)節(jié)性考慮。為了確保數(shù)據(jù)計(jì)算的可靠性和有效性，可通過引入加權(quán)分簇算法達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

完成了基礎(chǔ)的分簇操作后，需要進(jìn)一步針對無人機(jī)的自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。以解決現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與無人機(jī)空中通信動態(tài)無法完全適應(yīng)，以及通信延時要求高的實(shí)際問題為目標(biāo)，提出強(qiáng)化學(xué)習(xí)自適應(yīng)路由協(xié)議。通過自適應(yīng)路由協(xié)議的自主學(xué)習(xí)過程，提升點(diǎn)位信息與鏈路質(zhì)量的整體水平。另外，距離最短的鏈路和信息傳輸質(zhì)量最好的鏈路也能夠在學(xué)習(xí)的過程中逐步發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)。

5 結(jié)語

結(jié)合實(shí)踐分析可知，在具體的5G 通信技術(shù)應(yīng)用的過程中，需要結(jié)合無人機(jī)應(yīng)用的基本要求，以及具體的應(yīng)急通信覆蓋面積進(jìn)行全面的分析。在此基礎(chǔ)上，了解5G信號覆蓋背景下無人機(jī)通信技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，分別結(jié)合技術(shù)要點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行應(yīng)用質(zhì)量和應(yīng)用效果的保障，優(yōu)化5G通信技術(shù)的應(yīng)用效果。充分發(fā)揮出應(yīng)急事件處理的過程中，5G 信號覆蓋對于無人機(jī)應(yīng)急救援工作的指導(dǎo)和促進(jìn)作用。

引用

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