董春利 王莉

摘要：無人機尚未廣泛使用，需要時間將連接的無人機完全集成到服務的通信網(wǎng)絡中。在將聯(lián)網(wǎng)無人機廣泛應用于移動網(wǎng)絡之前，應解決一些潛在的與移動網(wǎng)絡上無人機移動管理相關的一些關鍵研究方向。必須有效地解決這些關鍵研究方向，以便通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)更高效連接的無人機服務。切換技術是在用戶從一個小區(qū)移動到另一個小區(qū)而不中斷服務的情況下，保持連續(xù)連接的方法。服務信號電平降低、負載平衡和高錯誤率，是導致切換操作形成的因素。盡管此過程經(jīng)常發(fā)生，但當用戶設備（UE） 是無人機時，它會帶來許多挑戰(zhàn)。文章詳細分析了無人機的連接要求、無人機網(wǎng)絡的切換管理技術。

關鍵詞：無人機；移動管理；連接；切換

中圖分類號：TN929.53 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2023）29-0088-03

0 引言

盡管無人機具有潛在的前景，但必須克服一系列實際挑戰(zhàn)才能有效地將其應用于每個網(wǎng)絡應用。例如，在使用無人機基站（BS） 時，要考慮的最關鍵方面是性能特征、無人機在最佳3D環(huán)境中的實施、無線和計算資源管理、飛行時間、軌跡優(yōu)化和網(wǎng)絡規(guī)劃。處理信道建模、低時延控制、3D 定位和干擾管理也是互聯(lián)無人機概念中的關鍵挑戰(zhàn)。在這些挑戰(zhàn)中，高效的移動管理是無人機BS和無人機UE場景必須解決的重要因素[1]。為了確保用戶移動時順暢可靠地連接服務，除了高效的切換過程外，還必須建立安全連接。

1 無人機的連接要求

無人機的實施面臨許多挑戰(zhàn)，其中最重要的是連通性。由于其移動性，無人機的連接比地面用戶設備（UE） 的連接更復雜。例如，無人機比UE具有更高的移動性，從而導致參考信號接收功率（RSRP） 的巨大變化。連接的無人機可持續(xù)將連接鏈路，從一個小區(qū)切換到另一個小區(qū)。因此，無人機和服務網(wǎng)絡之間的連接可能會很快丟失。為了解決這個問題，文獻中進行的幾項研究討論了無人機通信的幾個關鍵要求。下面分別介紹無人機通信的關鍵要求和6G期望。

1.1 高精度定位和無縫連接

無人機在多層次空域飛行需要精確的定位和無縫連接，這兩者都是網(wǎng)絡規(guī)劃和實施所必需的。安全連接和廣泛的網(wǎng)絡覆蓋確保無人機自主飛行時的無縫連接。覆蓋廣泛的海拔高度并保持可靠的通信是4G/5G蜂窩網(wǎng)絡面臨的重大挑戰(zhàn)。6G集成了高精度定位的雷達技術，使用各種高科技傳感器開發(fā)動態(tài)地圖和天空中的3D定位，可實現(xiàn)無人機的高精度定位。由6G中的超密集異構網(wǎng)絡組成的多層網(wǎng)絡3D高密度生態(tài)系統(tǒng)中，可將無人機的連接數(shù)量增加到約107設備/ km2，比5G連接密度高10倍。標準化、高質量和可靠的蜂窩連接，具有廣泛的6G覆蓋范圍，可提供超出可見視線（LoS） 的魯棒的、經(jīng)濟高效且無縫的連接。高速光通信系統(tǒng)提供的大容量回程連接，允許傳輸大量無人機交通數(shù)據(jù)。

1.2 遠程和實時控制（RRC）

RRC依賴于無人機的實時飛行進度報告，包括地理坐標和設備狀態(tài)。RRC使遙控器能夠釋放實時命令和控制指令。為了允許遠程控制和跟蹤無人機，必須滿足特定的數(shù)據(jù)速率和時延標準。使用6G，無人機可自主運行（即在超出可見LoS中自主運行）。與衛(wèi)星集成的6G連接可提供無限距離的通信，并提供近乎即時的控制，時延小于1毫秒。如果無人機具有6G 連接，則可使用無人機交通管理（UTM） 系統(tǒng)，從世界任何地方控制它們。

1.3 多媒體傳輸

一些基于無人機的系統(tǒng)將數(shù)據(jù)切換給地面站，以節(jié)省時間。例如，實時多媒體/視頻流或數(shù)據(jù)分析。先進的多媒體服務，如真正身臨其境的XR、3D全息圖和360度超高圖像/視頻質量的拍攝（4K和8K視頻），最終將在未來實現(xiàn)。此外，AR、VR和MR服務等XR 體驗需要在更高的Gbps 級別上實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。6G網(wǎng)絡可滿足UTM中的高帶寬數(shù)據(jù)連接要求。必須確保足夠的帶寬來改進6G技術帶來的數(shù)據(jù)傳輸能力，以便無人機不會不斷斷開連接，并可傳輸高質量的實時視頻。6G預計將提供高達10Gbps的數(shù)據(jù)速率以支持多媒體傳輸[2]。

1.4 飛機的識別和控制

由于無人機數(shù)量眾多，使用自動相關監(jiān)視廣播識別商用飛機可能會在未來使其頻率過載。因此，需要一種新的識別技術，遠程識別數(shù)據(jù)可與6G結合使用，并以車輛車牌相同的方式充當車牌，無線電波用于傳輸遠程識別。飛機注冊、識別、跟蹤和監(jiān)管都需要可靠的蜂窩網(wǎng)絡連接。通過主動監(jiān)控無人機的位置和路線細節(jié)，可檢測和測量無人機的交通狀況，并據(jù)此識別地理圍欄和潛在攻擊。UTM生態(tài)系統(tǒng)為無人機提供低空授權和通知功能，允許無人機操作員通過實時驗證低于授權高度的空域授權和管理動態(tài)地理圍欄，來訪問機場附近的受控空域[3]。

2 無人機網(wǎng)絡的切換管理

無人機將服務于各種環(huán)境，并成為未來移動網(wǎng)絡的重要組成部分。然而，切換管理將是未來網(wǎng)絡中必須解決的關鍵問題。

2.1 無人機網(wǎng)絡中的切換

切換性能是蜂窩網(wǎng)絡的常規(guī)評估，因為它是展示高效移動技術的良好指標。切換是移動網(wǎng)絡中的一項關鍵技術，它允許UE在移動中跨BS切換其連接。無人機網(wǎng)絡的切換已成為一個更重要的問題，因為連接的無人機在天空中以不同的特征更快地移動。根據(jù)網(wǎng)絡中無人機的功能，可能需要一架或多架無人機為特定的地面用戶提供網(wǎng)絡接入服務。無人機也可作為UE并從地面BS或衛(wèi)星網(wǎng)絡接收服務。由于無人機的操作受到其功率、覆蓋范圍、移動特性和服務網(wǎng)絡流量的限制，因此將越來越需要切換。未來移動網(wǎng)絡中連接無人機的切換場景，如圖1所示。

切換過程對于連接的持續(xù)至關重要，只會造成短暫的時延。此外，由于高海拔等多種因素，移動飛行器和無線電環(huán)境與地面用戶相比不同，因此無人機網(wǎng)絡保持高度動態(tài)。必須改變移動自組網(wǎng)（MANET）和車載自組網(wǎng)（VANET）中的傳統(tǒng)切換控制系統(tǒng)，以適應無人機網(wǎng)絡。在MANET中，常用的切換技術導致不斷分離或合并網(wǎng)絡節(jié)點。已經(jīng)提出了幾種無人機交通控制系統(tǒng)的架構。例如，國家航空和航天局和聯(lián)邦航空管理局提出了UTM 計劃，歐盟也在開發(fā)Uspace，其中包含一套指導方針和服務。

2.2 切換決策算法

蜂窩網(wǎng)絡中使用了多種切換決策算法，例如RSRP、服務基站（S-BS） 的接收信號強度指示（RSSI） 、信干加噪聲比（SINR） 、移動速度、UE和BS之間的距離、BS的有限容量、權重函數(shù)、成本函數(shù)、模糊邏輯控制以及具有深度學習技術的機器。相同的切換決策算法可用于無人機，但由于無人機的特征不同，性能會有所不同。此外，與以前的移動系統(tǒng)相比，6G技術的要求將是超高的，這也為無人機網(wǎng)絡創(chuàng)造了對更強大、更高效、動態(tài)和智能的切換決策算法的需求。在涉及這一問題的文獻中已經(jīng)進行了幾項研究。

例如，文獻[4]中的作者創(chuàng)造了一種與物聯(lián)網(wǎng)建立無人機連接的方法。模型架構由兩個主要節(jié)點組成：傳感器節(jié)點和數(shù)據(jù)處理節(jié)點。使用兩種不同的通信模式：Wi-Fi和衛(wèi)星通信。切換基于幾個參數(shù)執(zhí)行：網(wǎng)絡可訪問性、RSSI、QoS、數(shù)據(jù)傳輸成本和網(wǎng)絡性能。如果上述標準之一表明Wi-Fi接口不是最佳選擇，則執(zhí)行垂直切換以切換到衛(wèi)星通信模式。如果兩個接口都無法正常運行，則執(zhí)行緩沖以避免數(shù)據(jù)包丟失，直到其中一個接口可用。

文獻[5]的作者調(diào)查了一種分析5G中移動的異構設備到設備（D2D） ，無人機支持的關鍵任務機器類型通信（MTC） 影響的方法。由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的使用迅速增加，MTC的作用變得極其重要。因此，滿足這些廣泛的要求是必要的。該論文研究了各種運動模式對異構用戶的影響。該研究證實，只要使用替代連接選項，可用性就會增加。

2.3 切換類型

蜂窩網(wǎng)絡中的切換，根據(jù)技術、網(wǎng)絡類型、網(wǎng)絡管理、工作頻率和場景分為不同的類型。例如，切換可分為兩種主要的切換技術類型：硬切換技術和軟切換技術。硬切換要求UE在切換到目標BS之前終止與服務BS的連接。軟切換施加了更漸進的連接終止，同時在短時間內(nèi)與兩個或多個BS保持連接。無人機的網(wǎng)絡可根據(jù)移動通信技術應用兩種不同的切換技術。

切換也可根據(jù)服務和目標網(wǎng)絡的技術分為不同的類型，兩種主要類型是水平切換和垂直切換。在水平切換中，接入點使用相同的技術，網(wǎng)絡接口保持不變。在垂直切換中，接入技術相互不同，采用多個網(wǎng)絡接口。

此外，根據(jù)網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的不同，蜂窩網(wǎng)絡中的切換可分為三種方法：1） 網(wǎng)絡控制切換（NCHO） ，2） 移動輔助切換（MAHO） 或3） 移動控制切換（MCHO） 。切換控制系統(tǒng)有廣泛的描述。例如，如果接收信號是機制觸發(fā)參數(shù)，則會出現(xiàn)兩種切換場景：絕對切換或相對切換場景。前者發(fā)生在服務BS信號強度低于預定義閾值時，而后者發(fā)生在服務RSRP低于目標BS時。相對切換技術可能會導致切換比需要更早發(fā)生，但提供更高的質量。然而，絕對切換會導致所謂的“乒乓效應”。這種現(xiàn)象是由于RSRP值的頻繁變化而發(fā)生的，促使頻繁切換。這些不同的切換類型也可應用于無人機的網(wǎng)絡。

2.4 5G 中的切換程序

切換過程是一個重要的過程，它由不同的步驟、算法和技術組成，使UE能夠將連接從一個小區(qū)切換到另一個小區(qū)。程序步驟因技術而異。用于地面UE 的相同程序可用于空中的無人機。但是，由于無人機的特性不同，因此它不能保證高效地切換性能。無人機網(wǎng)絡切換系統(tǒng)的切換過程，如圖2所示。

5G切換過程與LTE-Advanced系統(tǒng)非常相似，但有一些進一步的增強功能。訪問和移動管理功能（AMF） 履行移動管理實體（MME） 的職責[6]，用戶平面功能（UPF） 與服務網(wǎng)關（SGW） 相同。圖2中的具體的切換程序說明如表1所示。

對切換進行分類的另一種方法是在切換過程中，UE是控制還是協(xié)助，同時涉及網(wǎng)絡和UE的切換稱為混合切換。這些類別已經(jīng)針對移動互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP） 網(wǎng)絡和VANET進行了研究，但目前只有少數(shù)研究可用于無人機網(wǎng)絡。

3 結束語

在即將到來的HetNets中，無人機的移動控制將是一個需要徹底分析的關鍵方面。因為無人機在3D 空間中以高速和不同的特征快速移動，這增加了切換概率，并可能導致“乒乓效應”和RLF增加，這存在一個主要風險。無人機運動過程中的另一個重要問題是毫米波頻譜和太赫茲波段的使用。無人機和移動網(wǎng)絡的快速發(fā)展和大規(guī)模增長，將進一步加劇這個問題，因為負載平衡將是一個關鍵因素，需要適當?shù)慕鉀Q方案。如果不使用最佳和有效的切換機制，情況就變得更加危急。因此，在未來的網(wǎng)絡中，必須充分強調(diào)無人機移動期間的連接管理。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】