張換然,申凌峰,任資卓,鄭 杰,王 寧,,,屈凌波

(1.鄭州大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,鄭州 450001;2.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司,鄭州450007;3.微力智能科技(河南)有限公司,鄭州 450014;4.鄭州大學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司 河南省智能網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)分析國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450001)

0 引 言

2019年起正式步入商用的5G移動(dòng)通信技術(shù),通過定義增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(Enhanced Mobile Broadband,eMBB)、超高可靠低時(shí)延通信(Ultra-reliable &Low-latency Communication,uRLLC)、海量機(jī)器類通信(Massive Machine Type Communication,mMTC)三大基本場(chǎng)景和智能化的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù),將通信從人與人連接的時(shí)代帶入到萬物互聯(lián)(Internet of Everything,IoE)時(shí)代,進(jìn)而推動(dòng)了泛在通信、計(jì)算、控制能力有機(jī)融合,為人類社會(huì)的智能化變革開辟了全新的范式。

隨著5G賦能數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化升級(jí)的推進(jìn),5G泛在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足、基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平不高等問題凸顯,5G在實(shí)現(xiàn)“全球全域”“萬物互聯(lián)”上仍存在短板[1]。6G移動(dòng)通信技術(shù)將在5G基礎(chǔ)上,通過系統(tǒng)能力提升和ICT(Information and Communications Technology)技術(shù)的深度融合,實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)到萬物智聯(lián)的躍遷?！翱?天-地”一體化多接入能力、“通-感-算”一體化融合服務(wù)能力和“云-邊-端”一體化協(xié)同計(jì)算能力,將成為6G的核心關(guān)鍵能力。6G將以高性能泛在承載網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),通過構(gòu)建具備智能邊緣網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的泛在無線接入網(wǎng),實(shí)現(xiàn)資源的高效融合,以連接泛在、感知泛在、智能泛在的網(wǎng)絡(luò)[2]為遠(yuǎn)程全息、數(shù)字孿生、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(Extended Reality,XR)、元宇宙等未來服務(wù)應(yīng)用提供信息基礎(chǔ)設(shè)施支持[3]。

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)憑借其機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)、適用范圍廣、功能多元化、部署成本低等特點(diǎn),近年來廣泛應(yīng)用于通信、遙感、巡檢、偵察、監(jiān)測(cè)、救災(zāi)等民用和軍事領(lǐng)域。在6G“空-天-地-海”一體化多接入的新一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,無人機(jī)是空基平臺(tái)的重要載體。無人機(jī)輔助通信作為地面蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充,可快速靈活地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、通信增強(qiáng)、大規(guī)模立體式覆蓋和快速應(yīng)急響應(yīng)等功能的部署[4]。圍繞無人機(jī)平臺(tái)部署、整合并優(yōu)化各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通、感、算能力,形成無人機(jī)輔助智能邊緣網(wǎng)絡(luò)(Intelligent Edge Network,IEN),是實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)靈活的萬物智聯(lián)、泛在智能的有效手段[5]。

本文圍繞無人機(jī)作為空基通信平臺(tái)的核心功能,首先簡(jiǎn)述無人機(jī)的主要應(yīng)用場(chǎng)景,并結(jié)合未來6G空天地海一體化和以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),討論無人機(jī)在構(gòu)建無線接入網(wǎng)的泛在化智能化演進(jìn)——智能邊緣網(wǎng)絡(luò)中的重要作用;其次,結(jié)合無人機(jī)在不同場(chǎng)景下的通、感、算能力特點(diǎn),介紹無人機(jī)自組網(wǎng)、無人機(jī)通信感知一體化、無人機(jī)邊緣計(jì)算等無人機(jī)輔助智能邊緣網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù);最后,探討無人機(jī)通信信道建模、三維立體部署與路徑規(guī)劃、攜能有限與續(xù)航問題、無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全、無人機(jī)集群異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合等無人機(jī)輔助智能邊緣網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展面臨的核心技術(shù)挑戰(zhàn)及潛在研究方向。

1 無人機(jī)輔助智能邊緣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 無人機(jī)平臺(tái)主要功能及應(yīng)用場(chǎng)景

無人機(jī)是搭建信息服務(wù)空中平臺(tái)的重要工具。通過搭載具備不同能力的載荷,無人機(jī)可以承擔(dān)通信、遙感、存儲(chǔ)、計(jì)算等不同的信息系統(tǒng)功能。根據(jù)無人機(jī)在陸地?zé)o線接入網(wǎng)和智能邊緣無線網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)的角色不同,無人機(jī)的主要功能和應(yīng)用場(chǎng)景歸納為以下兩大方面。

1.1.1 無人機(jī)在傳統(tǒng)陸地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)中的功能和應(yīng)用場(chǎng)景

傳統(tǒng)陸地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)中,無人機(jī)平臺(tái)主要作為地基網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的有效補(bǔ)充,承擔(dān)無線接入網(wǎng)通信任務(wù),利用其快速靈活部署的特點(diǎn),搭載空中基站或中繼站改善網(wǎng)絡(luò)通信性能。

1)無人機(jī)空中基站。無人機(jī)作為靈活可靠的補(bǔ)充覆蓋方案,可有效解決地面基站分布與業(yè)務(wù)需求不一致的矛盾。典型應(yīng)用場(chǎng)景包括:在偏遠(yuǎn)地區(qū)機(jī)動(dòng)靈活部署以改善蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣覆蓋水平;在流量需求激增、地面基站無法承載用戶接入的區(qū)域(如大型賽事、演唱會(huì)等),滿足臨時(shí)高速無線接入需求;在突發(fā)受災(zāi)地區(qū)快速部署,提供可靠的應(yīng)急通信[6〗。

2)無人機(jī)移動(dòng)中繼。通過對(duì)無線信號(hào)的中繼轉(zhuǎn)發(fā),可實(shí)現(xiàn)已有地面基站覆蓋范圍的延伸。特別是目標(biāo)覆蓋區(qū)被遮擋、地基基站信號(hào)被阻斷時(shí),可將無人機(jī)靈活部署在最有利的位置對(duì)信號(hào)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā),從而以最少的部署時(shí)間和成本顯著改善弱覆蓋區(qū)域或覆蓋盲區(qū)鏈路性能。

1.1.2 無人機(jī)在智能邊緣網(wǎng)絡(luò)中的功能和應(yīng)用場(chǎng)景

在面向萬物智聯(lián)的新一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中,無線接入網(wǎng)承擔(dān)的不再是單純的通信功能,在感知能力和算力的加持下,將演進(jìn)為具有“通-感-算”融合服務(wù)能力的智能邊緣網(wǎng)絡(luò),成為泛在智能網(wǎng)絡(luò)的“周圍神經(jīng)系統(tǒng)”。無人機(jī)平臺(tái)一方面可憑借其機(jī)動(dòng)靈活特點(diǎn),更好地服務(wù)于以用戶為中心的全新業(yè)務(wù)范式;另一方面,通過構(gòu)建空天地一體化多接入網(wǎng)絡(luò),在各網(wǎng)元間建立機(jī)動(dòng)靈活的信息通道,為智能邊緣網(wǎng)絡(luò)通、感、算資源的優(yōu)化配置與融合提供信息交互承載。智能邊緣網(wǎng)絡(luò)中的無人機(jī),在不同載荷賦能下,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、智能監(jiān)測(cè)、邊緣緩存、邊緣計(jì)算、電能無線投放等多樣化的功能。

1)無人機(jī)數(shù)據(jù)采集。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式相比,無人機(jī)能夠以更靈活的方式和更高的效率完成廣域數(shù)據(jù)采集[7]。智慧城市、智慧水利等應(yīng)用中,需要從數(shù)量大、分布廣的物聯(lián)網(wǎng)類裝置采集匯總數(shù)據(jù),通過部署無人機(jī)(群)并合理規(guī)劃航跡,可以周期性突發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的低成本高效采集。

2)無人機(jī)智能監(jiān)測(cè)與巡檢。利用機(jī)載傳感器,無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)高精度地理信息數(shù)據(jù)的獲取,并進(jìn)而結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)執(zhí)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能巡檢、輔助執(zhí)法等任務(wù)[8],如對(duì)分布在偏僻山區(qū)的高壓電力線路進(jìn)行巡檢、對(duì)野外高鐵沿線安全隱患進(jìn)行排查、對(duì)秸稈焚燒等環(huán)境事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)、對(duì)城市道路交通違規(guī)違停情況進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)與處罰等,更多功能如表1所示。

表1 智能邊緣網(wǎng)絡(luò)中的新型無人機(jī)節(jié)點(diǎn)功能

3)無人機(jī)輔助邊緣計(jì)算。一方面無人機(jī)可通過輔助建立高性能通信鏈路,協(xié)助用戶將計(jì)算任務(wù)卸載至基站端邊緣服務(wù)器執(zhí)行,另一方面無人機(jī)平臺(tái)也可搭載邊緣服務(wù)器,直接為用戶提供計(jì)算卸載服務(wù),實(shí)現(xiàn)更快速的服務(wù)響應(yīng)。

4)無人機(jī)邊緣緩存。邊緣網(wǎng)絡(luò)通過預(yù)測(cè)并主動(dòng)緩存流行度高的內(nèi)容,可避免重復(fù)傳輸、降低時(shí)延,有效提高服務(wù)效率。無人機(jī)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)靈活特點(diǎn),使得在無人機(jī)上部署的邊緣緩存可進(jìn)一步靠近用戶,以更低的通信開銷和更高的效率實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的服務(wù)與內(nèi)容分發(fā)。

5)無人機(jī)輔助電能遠(yuǎn)程投放。無人機(jī)平臺(tái)可搭載無線攜能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)系統(tǒng),周期性向部署在偏遠(yuǎn)位置、沒有穩(wěn)定電力供給的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行電能的遠(yuǎn)程投放,為其補(bǔ)充電能儲(chǔ)備,可有效提高物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)魯棒性。

1.2 空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的無人機(jī)輔助智能邊緣網(wǎng)絡(luò)

為實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋愿景,6G將構(gòu)建空天地海一體化移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。通過深度融合天基、空基、地基、?；W(wǎng)絡(luò)能力,充分發(fā)揮各子網(wǎng)絡(luò)在不同空間維度上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立子網(wǎng)絡(luò)之間的智能互通和廣域無縫立體覆蓋。

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)如圖1所示。其中地基網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ),天基和?；W(wǎng)絡(luò)作為延伸,空基網(wǎng)絡(luò)作為銜接和補(bǔ)充,覆蓋范圍將包括天空、地面、海洋、太空等,可滿足處于不同空間場(chǎng)景中用戶的業(yè)務(wù)需求[4]。其中,天基網(wǎng)絡(luò)由多種衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成;空基網(wǎng)絡(luò)由高空平臺(tái)(飛艇、熱氣球等)和低空平臺(tái)(無人機(jī)自組織網(wǎng))組成;地基網(wǎng)絡(luò)由地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等網(wǎng)元組成;?；W(wǎng)絡(luò)包括了沿岸基站、海面船舶和海下作業(yè)設(shè)備等。無人機(jī)作為空基網(wǎng)絡(luò)的重要組成單元,發(fā)揮了不可或缺的中間紐帶作用。

圖1 空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過無人機(jī)平臺(tái)這個(gè)中間環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié),通、感、算資源和任務(wù)得以在空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)中更高效地流動(dòng)和配置。通過多維感知與計(jì)算手段的綜合應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)多元網(wǎng)絡(luò)的“通-感-算”一體化融合,使其成為高度靈活且具有一定程度自主性和內(nèi)生動(dòng)態(tài)編排能力的智能化網(wǎng)絡(luò),為每位用戶提供針對(duì)性的定制服務(wù)。具體而言,智能邊緣網(wǎng)絡(luò)可通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和用戶數(shù)據(jù)的自主學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)以服務(wù)用戶為中心的無人機(jī)自主管理和飛行軌跡控制目標(biāo)。

2 無人機(jī)輔助智能邊緣網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)將從技術(shù)背景、基本原理、基本特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景等方面,以小型無人機(jī)為例,對(duì)無人機(jī)輔助智能邊緣網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹,包括無人機(jī)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、無人機(jī)通信感知一體化、無人機(jī)輔助高頻段通信、無人機(jī)邊緣計(jì)算。

2.1 無人機(jī)自組網(wǎng)

無人機(jī)自組網(wǎng)是由多架無人機(jī)搭載相同或不同載荷,共同完成任務(wù)的無人機(jī)網(wǎng)絡(luò),是無人機(jī)集群應(yīng)用的基礎(chǔ)[9]。與單無人機(jī)相比,無人機(jī)自組網(wǎng)作為一個(gè)有機(jī)整體,擴(kuò)展了其工作任務(wù)維度、提高了工作效率。其特點(diǎn)是無人機(jī)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度快、不受地形限制、可以自由入網(wǎng)或退出,組網(wǎng)方式十分靈活。由于無人機(jī)飛行速度快,無人機(jī)之間的鏈路并不穩(wěn)定,需要選擇適應(yīng)無人機(jī)組網(wǎng)特點(diǎn)的路由協(xié)議,現(xiàn)有的面向無人機(jī)自組網(wǎng)的路由協(xié)議可分為基于拓?fù)?、基于地理信息和基于分層的路由協(xié)議。常用的路由協(xié)議包括:優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(Optimized Link State Routing,OLSR)、貪婪周邊無狀態(tài)路由(Greedy Perimeter Stateless Routing,GPSR)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)(Reinforcement Learning,RL)路由等[10]。此外,無人機(jī)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求采用多樣化組網(wǎng)結(jié)構(gòu),如通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組網(wǎng)可增強(qiáng)系統(tǒng)抗毀性。

無人機(jī)自組網(wǎng)的核心技術(shù)包括無人機(jī)調(diào)度與資源分配、三維立體部署和路徑規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)智能管理等。無人機(jī)調(diào)度是在資源受限的約束下,根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)對(duì)無人機(jī)的服務(wù)用戶和范圍進(jìn)行合理劃分與編排。當(dāng)完成任務(wù)劃分后,無人機(jī)集群飛往目的區(qū)域,飛行過程中對(duì)無人機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃和三維立體部署。無人機(jī)組網(wǎng)完成后,針對(duì)無人機(jī)集群的智能管理,需要分別設(shè)計(jì)資源智能分配策略、網(wǎng)間工作信息交互策略等。以上步驟可獨(dú)立完成也可聯(lián)合設(shè)計(jì),可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景采用不同的組網(wǎng)和優(yōu)化策略。

多無人機(jī)協(xié)作完成任務(wù)時(shí),無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)應(yīng)該具備可靠性高、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn),可以采用集中式或分布式的協(xié)同結(jié)構(gòu),常采用的協(xié)同控制方法可分為一致性控制、編隊(duì)控制、合圍控制和跟蹤控制等。

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快、配置方式靈活、觀測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng),可進(jìn)行多元信息感知、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)功能,承擔(dān)災(zāi)情遙感、海洋觀測(cè)等復(fù)雜任務(wù),在未來將得到更廣泛的應(yīng)用。

2.2 通信感知一體化

隨著無線頻譜資源愈發(fā)稀缺,在單一裝置中實(shí)現(xiàn)不同功能對(duì)同一頻段頻譜的復(fù)用,可有效節(jié)約頻譜資源,是無線通信技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。通信感知一體化,是感知與通信功能協(xié)同的新型信息處理技術(shù),通過軟硬件資源共享或信息共享,同時(shí)實(shí)現(xiàn)感知與通信功能[11]。首先,由于通信系統(tǒng)與雷達(dá)在硬件組成和信號(hào)處理等方面具有相似之處,兩者融合可降低系統(tǒng)綜合成本。其次,通信系統(tǒng)與感知系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)互惠共生、相互增益。一方面,通過復(fù)用通信系統(tǒng)的頻譜、硬件或信號(hào)處理模塊,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種類型的感知功能;另一方面,感知結(jié)果可為通信系統(tǒng)提供環(huán)境信息,輔助通信接入或管理,提高通信服務(wù)質(zhì)量。在智能邊緣網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)通信感知一體化,將作為一項(xiàng)基本能力賦能未來泛在智能網(wǎng)絡(luò)及各類新型垂直應(yīng)用,通過賦予網(wǎng)絡(luò)“看”得見物理世界的能力,將數(shù)字世界和物理世界連通。

無人機(jī)輔助通信感知一體化,可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)感知和通信性能,并且實(shí)現(xiàn)廣域靈活覆蓋。例如,在無人機(jī)輔助智慧交通場(chǎng)景中,通信感知一體化技術(shù)可用于獲取道路高清地圖、輔助自動(dòng)駕駛和道路監(jiān)管等。

1) 高清地圖采集。用無人機(jī)平臺(tái)搭載的激光雷達(dá)、攝像頭、傳感器和全球定位系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的環(huán)境信息感知。感知結(jié)果經(jīng)智能邊緣網(wǎng)絡(luò)處理后直接發(fā)送給車輛,無需經(jīng)過核心網(wǎng),降低了時(shí)延,滿足自動(dòng)駕駛中高清地圖和路況低時(shí)延實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枰?/p>

2) 無人機(jī)輔助自動(dòng)駕駛。利用無人機(jī)搭載基站進(jìn)行通信與感知,其高視角可以擴(kuò)大通信和感知范圍、減小遮擋盲區(qū),為自動(dòng)駕駛提供超視距傳輸,提高了自動(dòng)駕駛的安全性和智能性。

3) 道路監(jiān)管。依托于無人機(jī)飛行速度快、活動(dòng)范圍廣的優(yōu)勢(shì),利用無人機(jī)平臺(tái)搭載通感一體化技術(shù),僅通過低成本、低密度的無人機(jī)部署,即可實(shí)現(xiàn)廣域感知。

無人機(jī)通感一體化系統(tǒng)還可用于空域感知的管理,借助超大規(guī)模天線陣列和智能反射面等技術(shù)提供的超高空間感知分辨率,同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)監(jiān)控和關(guān)鍵信息傳輸?shù)墓δ?可廣泛用于民用和軍事領(lǐng)域。

2.3 無人機(jī)輔助高頻段通信

隨著人工智能(Artificial Intelligence,AI)、虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)/擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(Extended Reality,XR)以及未來數(shù)字孿生、元宇宙等新型應(yīng)用的不斷發(fā)展,對(duì)網(wǎng)絡(luò)峰值速率和吞吐量的需求激增,傳統(tǒng)6 GHz以下的無線頻譜資源已無法滿足未來移動(dòng)通信對(duì)帶寬和速率的要求。毫米波通信作為5G一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù),將移動(dòng)通信帶入高頻段時(shí)代。為進(jìn)一步提升遠(yuǎn)程全息、XR等未來應(yīng)用的用戶體驗(yàn),實(shí)現(xiàn)更大通信容量、更高傳輸速率和更低服務(wù)時(shí)延,太赫茲作為6G關(guān)鍵使能技術(shù)之一,將進(jìn)一步探索更高頻段通信的應(yīng)用潛能。

毫米波頻率為30～300 GHz,太赫茲頻段位于0.1～10 THz。與傳統(tǒng)移動(dòng)通信采用的6 GHz以下頻段相比,高頻段通信的主要優(yōu)點(diǎn)包括:具備充足的帶寬,可實(shí)現(xiàn)極高傳輸速率,且豐富的頻譜資源還為跳頻、擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了保障,提升了系統(tǒng)抗干擾性能;波束窄,傳播方向性好,抗干擾能力強(qiáng);波長(zhǎng)短,可采用小型化的天線和器件,利于大規(guī)模集成。

在未來智能邊緣網(wǎng)絡(luò)中,無人機(jī)與高頻段通信可實(shí)現(xiàn)相互賦能、相互增益。一方面,高頻段無線信號(hào)傳播損耗大,僅可進(jìn)行視距通信,借助無人機(jī)中繼,可實(shí)現(xiàn)高頻段信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸[12];另一方面,高頻段信號(hào)波束窄、方向性好,可彌補(bǔ)無人機(jī)廣播信道安全性的不足[13];此外,高頻段信號(hào)頻率高、波長(zhǎng)短,天線和射頻器件集成度高,在無人機(jī)狹小的空間內(nèi)能集成超大規(guī)模天線陣列,結(jié)合超大規(guī)模MIMO等技術(shù)可進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量。

無人機(jī)輔助高頻段通信與其他關(guān)鍵技術(shù)融合,還可實(shí)現(xiàn)更加豐富的應(yīng)用,如無人機(jī)太赫茲通感一體化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空中厘米級(jí)高精度定位[14];部署太赫茲無人機(jī)基站可為實(shí)時(shí)流媒體或點(diǎn)播應(yīng)用提供無縫高速連接,并降低附近地面基站的負(fù)荷[15]。

2.4 無人機(jī)輔助移動(dòng)邊緣計(jì)算

視頻流媒體、智慧交通、VR/XR等新興應(yīng)用的發(fā)展,對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延、可靠性、魯棒性提出了更為嚴(yán)苛的要求。傳統(tǒng)依賴核心網(wǎng)云計(jì)算的服務(wù)時(shí)延較大,還可能面臨網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing,MEC)將算力下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣,可降低網(wǎng)絡(luò)擁塞、緩解帶寬壓力、提高數(shù)據(jù)處理效率,實(shí)現(xiàn)計(jì)算和存儲(chǔ)資源的彈性利用,提升用戶體驗(yàn)。但在城市人口密集地區(qū)、偏遠(yuǎn)山區(qū)、地表受災(zāi)地區(qū)等特殊區(qū)域,以基站為載體部署MEC的成本高,時(shí)效性差,性價(jià)比低,往往無法提供有效的泛在邊緣計(jì)算服務(wù)。

無人機(jī)平臺(tái)一方面可作為通信節(jié)點(diǎn),通過中繼的方式將用戶的計(jì)算服務(wù)卸載至基站處的MEC服務(wù)器;另一方面,也可搭載MEC服務(wù)器,形成無人機(jī)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò),作為地面MEC網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充,提供泛在的邊緣計(jì)算服務(wù)。圖2所示為典型的無人機(jī)輔助移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò),通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Sofewart Defined Network,SDN)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)集群控制、計(jì)算資源分配及軌跡優(yōu)化,可以為突發(fā)狀況導(dǎo)致地面局部網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過大、災(zāi)后地面基礎(chǔ)設(shè)施受損等場(chǎng)景,提供計(jì)算卸載、內(nèi)容緩存等服務(wù)。此外,無人機(jī)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)靈活特點(diǎn),使無人機(jī)可進(jìn)一步靠近用戶,從而以更高的效率為用戶提供上述服務(wù)。

圖2 無人機(jī)輔助的移動(dòng)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

3 技術(shù)挑戰(zhàn)與潛在研究方向

如前所述,在未來智能邊緣網(wǎng)絡(luò)中,無人機(jī)將憑借其靈活部署特性,通過與前沿通、感、算技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)越來越豐富的功能、承擔(dān)越來越重要的任務(wù)。但是,在無人機(jī)平臺(tái)應(yīng)用某些技術(shù)時(shí),會(huì)面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)和科學(xué)問題。本節(jié)面向無人機(jī)輔助智能邊緣網(wǎng)絡(luò)技術(shù),探討其在發(fā)展演進(jìn)中面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和潛在研究方向,包括無人機(jī)信道建模、三維立體部署和路徑規(guī)劃、能效優(yōu)化、安全問題以及無人機(jī)集群異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合等。

3.1 無人機(jī)信道建模

無人機(jī)信道建模是研究無人機(jī)通信性能的理論基礎(chǔ)。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中空-空信道用于無人機(jī)間的通信,主要由視距鏈路組成;空-地信道用于無人機(jī)與地面用戶間的通信,其間存在復(fù)雜且具有動(dòng)態(tài)多變特性的障礙物。由于無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)快速移動(dòng)會(huì)引入顯著的多普勒頻移,無人機(jī)信道往往具有快時(shí)變和非平穩(wěn)性[16]。

現(xiàn)有的無人機(jī)信道模型包括基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模型[17]、基于射線跟蹤的模型[18]、基于幾何分布的模型[19]等,在準(zhǔn)確刻畫無人機(jī)通信信道狀態(tài)方面仍存在不足,尤其是無人機(jī)高頻通信場(chǎng)景下,無法精準(zhǔn)描述毫米波和太赫茲頻段信號(hào)的傳播特性以及三維快時(shí)變場(chǎng)景的非平穩(wěn)特性。此外,現(xiàn)有模型大多忽略了無人機(jī)飛行速度、飛行姿態(tài)等對(duì)信道特性的影響,以及無人機(jī)特有的大范圍三維散射空間傳播特性。

特別是無人機(jī)搭載智能反射面(Reconfigurable Intelligent Surface RIS),作為無人機(jī)輔助無線接入網(wǎng)研究中一個(gè)典型且突出的熱點(diǎn),在信道建模方面面臨諸多挑戰(zhàn)。

1)與傳統(tǒng)信道建模相比,RIS利用反射單元重構(gòu)無線傳播環(huán)境,信道變?yōu)榧?jí)聯(lián)信道,該級(jí)聯(lián)信道受天線數(shù)目和反射單元的共同影響,多徑因素變得更復(fù)雜,尤其是散射情況異常復(fù)雜。

2)RIS的引入導(dǎo)致信道估計(jì)復(fù)雜度大幅度提高,如何分別估計(jì)用戶到無人機(jī)RIS和RIS到基站的信道矩陣是目前研究的難點(diǎn)[20]。

3)反射單元會(huì)改變傳輸信號(hào)的幅度和相位,近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)條件下RIS信道特性有顯著區(qū)別,需要根據(jù)具體場(chǎng)景分別研究。

4)RIS本身屬于無源器件,不能進(jìn)行信道估計(jì),改造RIS做信道估計(jì)會(huì)帶來額外的復(fù)雜度并犧牲RIS本身的一些性能。

未來無人機(jī)通信信道建模的研究中,可引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法輔助建模,提升建模效率和準(zhǔn)確性[21]。此外,采用大規(guī)模天線陣列傳輸高頻信號(hào)將形成極窄的波束,但窄波束指向性對(duì)收發(fā)端的快速移動(dòng)異常敏感,因此需要將三維波束跟蹤與信道建模結(jié)合,建立更精準(zhǔn)的信道模型。

3.2 三維立體部署和路徑規(guī)劃

無人機(jī)三維立體部署和路徑規(guī)劃是無人機(jī)有效利用其靈活動(dòng)態(tài)特性改善系統(tǒng)通信性能的基礎(chǔ)。無人機(jī)的空間移動(dòng)性在為無人機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來新自由度的同時(shí),也帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。在無人機(jī)三維部署和路徑規(guī)劃問題中,利用無人機(jī)高移動(dòng)性的同時(shí),需要考慮其攜能有限以及容量約束等約束條件[22],這導(dǎo)致優(yōu)化問題異常復(fù)雜,提高了優(yōu)化無人機(jī)部署和飛行策略的難度。

在建立的原始優(yōu)化問題具有非凸耦合特性的情況下,無人機(jī)三維空間部署優(yōu)化問題的常用解法是將問題解耦為二維平面部署和水平高度優(yōu)化兩個(gè)子問題進(jìn)行近似求解[23]。而信道模型精確性不足,使得相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果可能進(jìn)一步偏離真實(shí)的全局最優(yōu)。尤其對(duì)于無人機(jī)輔助高頻段通信場(chǎng)景,對(duì)高頻段空地信道模型研究的不足也影響著優(yōu)化部署問題的有效解決。

其次,當(dāng)前無人機(jī)位置部署和路徑規(guī)劃的研究中,一般都將時(shí)間或空間位置離散化后進(jìn)行優(yōu)化,但離散化的程度與復(fù)雜度之間存在取舍折中問題。離散化粒度越細(xì),越接近實(shí)際情況,則優(yōu)化所得結(jié)果越接近真實(shí)全局最優(yōu),但隨之而來的問題是算法復(fù)雜度高、實(shí)際應(yīng)用效果差,對(duì)時(shí)延敏感型應(yīng)用不友好。在解決具體問題時(shí),需要平衡好模型精度(離散化程度)與算法復(fù)雜度之間的關(guān)系。

再次,在無人機(jī)軌跡優(yōu)化問題中,一般都將無人機(jī)視為一個(gè)理想的點(diǎn),而不考慮無人機(jī)的大小、重量、飛行姿態(tài)等,導(dǎo)致規(guī)劃好的路徑在實(shí)際執(zhí)行時(shí),不能理想實(shí)現(xiàn)規(guī)劃效果。在未來的無人機(jī)路徑規(guī)劃研究中,若能將無人機(jī)尺寸、重量、飛行姿態(tài)等因素影響納入建模的考慮范圍內(nèi),可提高理論研究模型與真實(shí)系統(tǒng)情況的匹配度。

此外,目前大部分研究工作采用的地面基站和用戶分布模型假設(shè)較為理想化,未充分考慮地面用戶的動(dòng)態(tài)性,對(duì)多個(gè)地面基站的場(chǎng)景考慮也不充分。在未來的研究中,采用更貼近實(shí)際情況的建模,能夠使理論研究成果具有更強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

3.3 無人機(jī)能效優(yōu)化問題

受無人機(jī)尺寸以及重量的制約,實(shí)際應(yīng)用中無人機(jī)具有典型的攜能有限特點(diǎn)。無人機(jī)的續(xù)航能力決定了其工作時(shí)長(zhǎng),大多數(shù)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)在理想工況下的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)為30 min左右,為了使無人機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作,確保智能邊緣網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不間斷,提高無人機(jī)續(xù)航能力/節(jié)點(diǎn)生存性非常關(guān)鍵。

影響無人機(jī)續(xù)航時(shí)間的因素主要包括無人機(jī)的重量、飛行速度、飛行狀態(tài)(爬升、下降、翻轉(zhuǎn)等)、電池容量等?，F(xiàn)有的關(guān)于提高無人機(jī)續(xù)航能力的研究,主要包括提高無人機(jī)攜能和降低無人機(jī)的能耗、提高能效兩個(gè)方面。

提高無人機(jī)攜能的方法主要有:

1)使用更高能量密度的電池?？稍诰S持原電池體積小、重量輕的前提下提高電池容量,但受限于電池制造技術(shù)發(fā)展緩慢,短期內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)突破。

2)地面基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)無人機(jī)進(jìn)行無線充電。目前大多數(shù)無人機(jī)僅支持有線充電,極大限制了無人機(jī)部署的機(jī)動(dòng)性。對(duì)無人機(jī)無線充電方式的研究有待進(jìn)一步完善并實(shí)現(xiàn)。

3)采用能量收集技術(shù)。從環(huán)境中提取光能、動(dòng)能、射頻能量將其轉(zhuǎn)化為電能。但此類背景能量收集系統(tǒng)的能量收集速率普遍很慢,難以滿足無人機(jī)高功耗的要求。

從通信的角度講,能效優(yōu)化研究更多側(cè)重于減少無人機(jī)能量消耗。比如各種基于節(jié)能的優(yōu)化算法研究,包括飛行軌跡、部署策略、數(shù)據(jù)收集優(yōu)化算法研究。此外,通過優(yōu)化無人機(jī)整備質(zhì)量,采用更輕的材質(zhì)架構(gòu),減少無人機(jī)冗余配件,使用集成度更高的通信硬件(如通感一體化設(shè)備)等,也可有效提升無人機(jī)能效水平,改善續(xù)航能力[24]。

3.4 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全問題

無人機(jī)通信具有節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度快、通道切換頻繁、能量有限、開放式環(huán)境等特點(diǎn),其通信鏈路、控制命令、傳輸數(shù)據(jù)都存在泄露的風(fēng)險(xiǎn)[25]。無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全包括保證數(shù)據(jù)的安全與保證無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能正常實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)等。

在現(xiàn)有的研究中,提升無人機(jī)通信安全的措施主要包括三個(gè)方面:一是從上層協(xié)議的安全設(shè)計(jì)出發(fā),對(duì)無人機(jī)及傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證,或采用安全路由協(xié)議[26];二是采用保密性強(qiáng)的物理層技術(shù),比如跳頻、擴(kuò)頻等提高無人機(jī)抗干擾和保密傳輸能力[27],或利用毫米波、太赫茲頻段形成三維超窄波束提高傳輸安全性[28];三是采用物理層安全技術(shù),通過聯(lián)合優(yōu)化無人機(jī)飛行軌跡和資源分配來提升系統(tǒng)保密傳輸速率/吞吐量,或通過加入人工噪聲的方法對(duì)竊聽者進(jìn)行干擾阻塞[29]。

設(shè)計(jì)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全策略時(shí),需要考慮資源消耗與安全性的平衡。通常情況下采取的方法越復(fù)雜,保密性能越好,但加密、解密、數(shù)據(jù)交互、安全驗(yàn)證等方面需要調(diào)動(dòng)許多的計(jì)算資源,而無人機(jī)相關(guān)應(yīng)用更傾向于采用輕量級(jí)的協(xié)議和算法,實(shí)現(xiàn)可行的復(fù)雜度、盡可能小的能耗和較高的安全性能。如何在安全和能效間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)折中,仍是未來需要著重研究的方向。

3.5 無人機(jī)集群異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合

“萬物智聯(lián)”這一6G愿景的實(shí)現(xiàn)需要依賴空天地海一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)高效融合是這一愿景實(shí)現(xiàn)的重要前提。例如,無人機(jī)輔助自動(dòng)駕駛功能的實(shí)現(xiàn),需要衛(wèi)星網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、地面移動(dòng)通信網(wǎng)、無人機(jī)集群網(wǎng)等的高效協(xié)同。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)總體覆蓋范圍,使網(wǎng)絡(luò)具有更好的擴(kuò)展性,為新型服務(wù)的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件,能更好地滿足用戶的多樣性需求。

但是,無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)融合方面存在困難。首先,由于無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變,傳統(tǒng)的基于節(jié)點(diǎn)位置的IP體制與基于內(nèi)容的ICN體制在無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中都難以實(shí)現(xiàn)高效組網(wǎng),無人機(jī)組網(wǎng)需采用定制化設(shè)計(jì),為網(wǎng)絡(luò)融合設(shè)置了障礙。其次,要考慮如何設(shè)計(jì)出復(fù)雜度低、靈活性高的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換算法,還要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的無線資源管理方法,包括頻譜管理、用戶接入權(quán)限、信道編碼方法等。此外,不同業(yè)務(wù)QoS需求、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)間安全策略等,也需要更進(jìn)一步的深入研究。