新疆科技學院信息科學與工程學院 方圓 鄒杰

基于無人機平臺的無線中繼通信網(wǎng)絡(luò)是解決復雜環(huán)境下可靠通信的有效手段，它能夠快速、機動地構(gòu)建局部區(qū)域的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，具有不受環(huán)境限制、部署靈活、覆蓋范圍大、生存能力強、支持寬帶多媒體業(yè)務(wù)、能與現(xiàn)有通信指揮調(diào)度系統(tǒng)遠程互通等特征，同時具有很好的伸縮性，能夠滿足不同種類、不同規(guī)模民用應(yīng)急通信需求[1]。隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對通信的需求也越來越高，特別是無線通信，中國在通信普及上走在世界的前列。但實際上考慮到經(jīng)濟效益與使用實際，在高原、沙漠、戈壁等人煙稀少甚至是無人區(qū)中，依靠固定基站建立通信網(wǎng)絡(luò)，用戶少、維護成本高、回報和收益小。本文以西北戈壁環(huán)境為背景，討論基于無人機平臺的中繼通信系統(tǒng)的構(gòu)建與分析，針對其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、信道模型及無人機路徑進行研究。

1 系統(tǒng)特點

目前，人們接觸最龐大的無線通信網(wǎng)絡(luò)當屬無線電話與電信基站互聯(lián)而成的第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)[2]。這種網(wǎng)絡(luò)依靠大量的電信基站相連，可靠性高、維護方便。但同時，信號覆蓋面積根據(jù)其高度也有差別，其收益與范圍內(nèi)用戶相關(guān)，由于東西部發(fā)展不均衡，西北大部分地區(qū)，特別是無人區(qū)還未覆蓋2G 信號。而現(xiàn)行使用的無線寬帶設(shè)備，其有效通信覆蓋范圍也僅能達到30km，一方面是信號衰減；另一方面是其配套塔車架設(shè)最高為40m，極大限制了其通信能力。

近年來，隨著集成芯片、無線通信、新材料等各項技術(shù)的發(fā)展，無人機越來越輕盈、靈活，功能越來越強大，成本越來越低，在警用、城市管理、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力、搶險救災(zāi)、視頻拍攝等多個領(lǐng)域都有大量應(yīng)用。和現(xiàn)存的地面基礎(chǔ)通信設(shè)施相比，微小型無人機中繼通信系統(tǒng)的優(yōu)勢包括部署方便、機動靈活、不受復雜地形地物限制、成本低廉、可靠性高、適用性強、信息傳輸質(zhì)量高。本文以保障在40km×60km 的長方形區(qū)域中，地面集群通信網(wǎng)絡(luò)為背景，環(huán)境設(shè)定為高差在20m以內(nèi)的戈壁。

2 設(shè)計方案

2.1 無人機與載荷

無人駕駛飛機，簡稱“無人機”（UAV），是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置進行操控的不載人飛行器。與載人飛機相比，具有體積小、造價低、使用方便、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能力較強等優(yōu)點。利用無人機受控飛行、懸停等精準飛行控制，能較好地解決進入空中、位置固定、穩(wěn)定飛行、變化多樣等要素構(gòu)建問題。先進的電子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)鏈接功能、定位能力等，為實時和事后提供精確位置信息和軌跡數(shù)據(jù)，進行精度校正提供了數(shù)據(jù)支持。一些專業(yè)級的無人機，在運行時間、定位精度、風抗等方面都達到了較高的水平。

無人機大致可以分為固定翼的無人機和旋轉(zhuǎn)翼的無人機兩大類，這兩類無人機各有優(yōu)缺點。固定翼的無人機具有速度快、高負載的特點，同時，它也需要保持較高的速度。相比之下，旋轉(zhuǎn)翼的無人機，雖然擁有有限的機動性和有效載荷能力，但是它可以在任何方向移動，并很容易地在空中保持靜止。固定翼無人機起降不便，速度快，無法懸空，搭載功能設(shè)備不可靠。本研究只考慮旋轉(zhuǎn)翼無人機，如圖1 所示。

圖1 無人機Fig.1 Unmanned aerial vehicle

本文以目前常用的旋轉(zhuǎn)翼無人機為平臺。目前市場上民用的多型，包括六旋翼、八旋翼、十二旋翼以及無人直升機，均具備高載荷長時續(xù)航的能力，故不指定具體某一型號的無人機。載荷方面，無人機需荷載BBU(Building Base band Unit 基帶處理單元)、RRU(Remote Radio Unit 射頻遙控單元)、天線以及電源模塊。

2.2 拓撲結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中，PMP（Point to Multi-Point，PMP）通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種常用的接入網(wǎng)應(yīng)用形式。它以中心節(jié)點為核心，構(gòu)建星型拓撲結(jié)構(gòu)的接入網(wǎng)，中心節(jié)點負責控制各用戶節(jié)點的信道接入并提供到骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口，具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡潔、技術(shù)成熟的特點[3]。本文中網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建主要以各終端相互通信及無人機控制平臺與無人機通信為主，故采用經(jīng)典的星型拓撲結(jié)構(gòu)。以無人機機載設(shè)備為接入網(wǎng)的中心節(jié)點，在100km范圍內(nèi)，不需考慮終端間的雙跳通信?？紤]到無人機的姿態(tài)控制與地面控制系統(tǒng)，在控制端結(jié)構(gòu)為無人機遙控平臺—無人機驅(qū)動地面車載平臺—無人機機載基站—地面用戶終端。

如圖2 所示為設(shè)計的無人機-車載平臺、無人機-通信終端網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of network topology structure

2.3 信道模型

無線通信的發(fā)展離不開微波，本文擬建立以TDLTE 4G 網(wǎng)絡(luò)標準的UHF 頻段微波通信。本文僅考慮100km 范圍內(nèi)的微波中繼通信，故選取L 頻段的微波信號，微波通信最顯著的一個特征就是視距通信。本文在這里分析通信信道也僅考慮統(tǒng)計衰落模型[4]。對于視距傳輸（Line of Sight，LOS），其衰落特性為萊斯（Rice）分布。對于一般環(huán)境下的信道分析，國內(nèi)外相關(guān)研究已經(jīng)較為成熟，此處就不再贅述。

2.4 無人機路徑

無人機作為空中的中繼平臺，需保持與各用戶相連。網(wǎng)絡(luò)使用的波段為L 波段的微波信號，可以看做是視距通信。在實際使用過程中，地面設(shè)備人員點號附近100m距離內(nèi)基本平坦無較大起伏，本文簡化地面參數(shù)，區(qū)域做一般光滑球面處理，區(qū)域為規(guī)則的球面矩形，尺寸為40km×60km?；C，lAC=100km，某一時刻無人機位置點為P(Q(t),H(t))。幾何關(guān)系如圖3、圖4 所示。

圖3 區(qū)域簡化示意圖Fig.3 Simplified schematic diagram of the area

圖4 縱剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of longitudinal section

Q(t)為t時刻，點P 在球面上的投影點；H(t)為t時刻，點P 在球面上高度；定義lPmax為Q 點與四個頂角產(chǎn)生的最大弧，則有如式（1）所示：

α為lPmax對應(yīng)的圓心角，則有如式（2）、式（3）所示的關(guān)系：

此時可得出當某一時刻t時，無人機高度h≥H(t)。

根據(jù)微波信號衰減規(guī)律，信道距離越長，衰減越強，故無人機應(yīng)當保持在一個合適的高度，不能一味升高。由式（1）、式（2）可得，無人機路徑應(yīng)在一漏斗狀空間內(nèi)。當Q 點落在區(qū)域中心時，lPmax達到最小為50km，對應(yīng)無人機高度為197m。

2.5 下一步研究方向

盡管本文所討論的基于無人機平臺的中繼通信網(wǎng)絡(luò)有實際構(gòu)建的可行性，但研究過程中仍有部分問題還需要更深一步的研究，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）在拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建中，地面車載平臺與基站間的通信和無人機姿態(tài)遙控信號兩者是區(qū)分開來的，下一步研究中可將兩個信號用一條信道傳輸，提高頻率資源利用率，同時，節(jié)省機上載荷能量。

（2）由于基站位于近地高空，因而其天線模型與地面通信的天線模型是有很大差別的，良好的天線模型設(shè)計能夠極大提高傳輸?shù)男鸥稍锉?，本文在討論機上載荷時并未進行深入分析，這對與實際系統(tǒng)性能還是有一定影響，因而天線模型設(shè)計有待進一步研究。

（3）目前提到的無人機，影響其能力的一個重要因素就是續(xù)航能力。要構(gòu)建空中基站，要考慮的不僅僅是無人機續(xù)航，還有機上荷載部分各設(shè)備續(xù)航能力。較為成熟的是高能鋰離子電池能源技術(shù)，但續(xù)航仍然是硬傷，目前在無人機領(lǐng)域前沿的技術(shù)有無人機光能充電和無線磁共振能量傳輸技術(shù)。針對無人機平臺的能量支持問題可作為下一步深入研究的方向。

3 結(jié)語

以微小型無人機作為中繼平臺的中繼通信網(wǎng)絡(luò)相比較傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)有很大優(yōu)勢，尤其在應(yīng)急救災(zāi)及其他特別的應(yīng)用場景中，其擁有不受地形限制、機動能力強、部署靈活的特點，已經(jīng)讓基于無人機平臺的通信網(wǎng)絡(luò)成為當下的一個研究熱點。本文設(shè)計討論了一種基于無人機平臺的中繼通信系統(tǒng)構(gòu)建模式，另外，通過對地圖簡化處理，分析了一般情況下的無人機路徑。為今后對以高空平臺為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)深入驗證及構(gòu)建提供一個雛形。

引用

[1] 張鵬,陳金鷹,黃巖.突發(fā)自然災(zāi)害與應(yīng)急通信[C]//四川省通信學會.四川省通信學會2008年學術(shù)年會論文集,2008:4.

[2] 常思維.計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及發(fā)展趨勢研究[J].科技致富向?qū)?2013(24):128.

[3] 方旭明,林楷,張雪竹,等.無線與移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[4] 禤嘉亮.無線中繼系統(tǒng)信息與能量同傳資源分配優(yōu)化算法研究[D].廣州:廣州大學,2016.