摘要：本文針對(duì)5G通信環(huán)境下無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究?？紤]到5G信號(hào)的寬帶特性和通信衰減模型的影響，提出了一種結(jié)合信號(hào)衰減和無(wú)人機(jī)續(xù)航能力的路徑規(guī)劃方法。在仿真分析中，首先建立了5G信號(hào)的衰減模型，并利用該模型對(duì)飛行路徑進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)引入適應(yīng)度函數(shù)對(duì)路徑規(guī)劃的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，通過(guò)5G信號(hào)環(huán)境下的優(yōu)化策略，無(wú)人機(jī)能夠有效應(yīng)對(duì)信號(hào)衰減的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃，提升任務(wù)完成效率。期望該研究能夠?yàn)闊o(wú)人機(jī)在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用提供理論支持，為未來(lái)的通信技術(shù)和無(wú)人機(jī)協(xié)同作業(yè)提供實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：5G通信；信號(hào)衰減；路徑規(guī)劃；無(wú)人機(jī)

引言

隨著5G通信技術(shù)的不斷發(fā)展，低延遲和高帶寬的優(yōu)勢(shì)使其在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。特別是在電力巡檢、監(jiān)控等任務(wù)中，無(wú)人機(jī)不僅需要處理復(fù)雜的飛行路徑規(guī)劃問(wèn)題，還要面臨通信信號(hào)覆蓋和穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃多依賴于固定的通信環(huán)境，而在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，信號(hào)的衰減效應(yīng)和帶寬的影響對(duì)路徑規(guī)劃有著重要的制約作用[2]。本研究通過(guò)仿真分析，深入探討了5G通信對(duì)無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃的影響，并提出針對(duì)性的優(yōu)化方法，為未來(lái)無(wú)人機(jī)在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)[3]。

1. 電力巡檢場(chǎng)景下5G信號(hào)質(zhì)量分布建模

隨著5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在電力巡檢中對(duì)信號(hào)質(zhì)量的要求更為嚴(yán)格，因此，本文深入探討了5G信號(hào)的帶寬、信號(hào)傳播損耗、網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能等方面[4]。具體來(lái)說(shuō)，本文研究了在城區(qū)宏站（urban macro，UMa）場(chǎng)景下的5G信號(hào)傳播模型，考慮了視距傳播（LOS）與非視距傳播（NLOS）的結(jié)合，并分析了帶寬和模型寬度如何影響信號(hào)的覆蓋與路徑損耗。5G信號(hào)的傳播模型主要通過(guò)以下公式進(jìn)行描述，即

式中，LdB為路徑損耗（單位：dB），d是信號(hào)傳播的距離（單位：米），n是路徑損耗指數(shù)，A是常數(shù)項(xiàng)，代表其他環(huán)境因素的影響。在5G信號(hào)的傳播中，信號(hào)質(zhì)量不僅受到傳播距離的影響，還與網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求密切相關(guān)，帶寬越大，信號(hào)的衰減越明顯。

式中，BW為信號(hào)的帶寬，C為信號(hào)的容量，SNR為信噪比。該公式表明，在同樣的信噪比條件下，帶寬越大，信號(hào)的容量也越大，意味可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。然而，帶寬的增加也可能導(dǎo)致更高的路徑損耗，因此，在5G網(wǎng)絡(luò)部署中需要平衡帶寬和信號(hào)強(qiáng)度，以確保穩(wěn)定的通信質(zhì)量。通過(guò)分析不同帶寬需求對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，可以更精確地預(yù)測(cè)電力巡檢場(chǎng)景下的信號(hào)覆蓋情況，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。例如，在變電站區(qū)域內(nèi)，由于信號(hào)傳播可能受到建筑物、設(shè)備等遮擋，非視距傳播會(huì)顯著增加[5]。

2. 信號(hào)約束下的多無(wú)人機(jī)電力巡檢路徑規(guī)劃

針對(duì)多無(wú)人機(jī)電力巡檢路徑規(guī)劃問(wèn)題，本文提出了一種基于遺傳算法的路徑優(yōu)化方法，結(jié)合5G信號(hào)質(zhì)量和飛行路徑約束條件，如圖1所示。

在電力巡檢的實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃不僅需要考慮飛行距離，還須充分考慮信號(hào)質(zhì)量、帶寬需求和網(wǎng)絡(luò)覆蓋等因素，尤其在使用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，信號(hào)的穩(wěn)定性和帶寬的要求對(duì)路徑選擇有重要影響。遺傳算法是一種基于自然選擇和遺傳機(jī)制的優(yōu)化算法。在考慮信號(hào)約束的情況下，適應(yīng)度函數(shù)可以表示為

式中，PathLength是無(wú)人機(jī)飛行的總距離，PathLoss是信號(hào)衰減，反映了信號(hào)的衰減程度，a和β是權(quán)重系數(shù)，用于調(diào)節(jié)飛行距離和信號(hào)質(zhì)量對(duì)路徑選擇的影響。為計(jì)算信號(hào)損耗，考慮到5G信號(hào)的視距傳播（LOS）與非視距傳播（NLOS）特點(diǎn)，路徑損耗公式可以改為

式中，n是路徑損耗指數(shù)，通常取值范圍為2到4，d是變電站設(shè)備之間的距離，在5G網(wǎng)絡(luò)中，路徑損耗與帶寬需求密切相關(guān)，因此，在不同的傳輸條件下，信號(hào)質(zhì)量的衰減程度有所不同。此外，考慮到最大路徑損耗值對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響，可以通過(guò)以下公式估算信號(hào)質(zhì)量。其中，PLmax是最大允許路徑損耗，用于歸一化信號(hào)質(zhì)量。該公式能夠綜合評(píng)估視距傳播和非視距傳播下的信號(hào)質(zhì)量，為多無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃提供了有效的信號(hào)質(zhì)量依據(jù)[6]。具體的飛行路程約束計(jì)算公式為

式中，Vmax是無(wú)人機(jī)的最大飛行速度，Tflight是飛行時(shí)間，Speed是巡檢過(guò)程中無(wú)人機(jī)的實(shí)際飛行速度。通過(guò)此公式，可以確保每架無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中不會(huì)超過(guò)最大續(xù)航時(shí)間，避免因路徑過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致任務(wù)無(wú)法完成[7]。最終，綜合的適應(yīng)度函數(shù)可以表示為

式中，γ是續(xù)航時(shí)間的權(quán)重系數(shù)，確保路徑規(guī)劃不僅滿足信號(hào)質(zhì)量要求，還能在時(shí)間限制內(nèi)完成巡檢任務(wù)。這種方法能夠有效地解決在復(fù)雜電力巡檢環(huán)境下，如何在保證信號(hào)質(zhì)量的前提下優(yōu)化無(wú)人機(jī)航跡的問(wèn)題。Endurance 表示無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，通常由電池容量和飛行功率共同決定。它在路徑規(guī)劃中反映了無(wú)人機(jī)能夠持續(xù)飛行的時(shí)間長(zhǎng)短，是優(yōu)化航跡時(shí)需要綜合考慮的重要參數(shù)之一。

3. 仿真分析

本文研究主要聚焦在條件受限時(shí)5G通信環(huán)境下無(wú)人機(jī)的路徑規(guī)劃問(wèn)題，特別是在通信帶寬、信號(hào)衰減、續(xù)航能力的影響下，如何優(yōu)化無(wú)人機(jī)的飛行路徑。與傳統(tǒng)的飛行路徑規(guī)劃問(wèn)題不同，5G網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量和帶寬限制對(duì)路徑規(guī)劃有著直接影響，因此，需要引入5G信號(hào)衰減模型來(lái)綜合評(píng)估無(wú)人機(jī)在不同信號(hào)環(huán)境下的飛行效果。

3.1 信號(hào)衰減模型與路徑規(guī)劃

在5G通信環(huán)境中，信號(hào)衰減是影響通信質(zhì)量的主要因素。信號(hào)衰減（PathLoss）可以通過(guò)以下公式計(jì)算，即

式中，PathLoss（d）表示在距離處的信號(hào)衰減值，PathLoss（d0）為參考距離d0處的信號(hào)衰減值，n為環(huán)境因子（通常取值為2到5之間），而d為飛行距離。通過(guò)這個(gè)模型，能夠模擬無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中，信號(hào)隨距離增加而衰減的情況。為保證無(wú)人機(jī)能夠在5G通信網(wǎng)絡(luò)下順利執(zhí)行任務(wù)，需要考慮路徑規(guī)劃時(shí)的信號(hào)衰減和飛行高度的影響。假設(shè)無(wú)人機(jī)的飛行高度與變電站的設(shè)備高度相同，那么其通信質(zhì)量也會(huì)受到飛行路徑中信號(hào)衰減的影響。為對(duì)信號(hào)衰減進(jìn)行評(píng)估，還需要考慮飛行路徑的優(yōu)化，使無(wú)人機(jī)在路徑規(guī)劃中選擇信號(hào)質(zhì)量較好的路線，從而提高任務(wù)執(zhí)行的效率[8]。

3.2 適應(yīng)度函數(shù)

為綜合考慮信號(hào)質(zhì)量和無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，本研究提出了一個(gè)綜合適應(yīng)度函數(shù)（fitness function），該函數(shù)結(jié)合了信號(hào)衰減和續(xù)航時(shí)間（endurance）兩方面的因素。適應(yīng)度函數(shù)可以表示為

式中，W1和W2分別是信號(hào)衰減和續(xù)航時(shí)間的權(quán)重系數(shù)，PathLossmax為最大允許的信號(hào)衰減，Endurancemax為無(wú)人機(jī)最大續(xù)航時(shí)間。信號(hào)衰減部分通過(guò)計(jì)算路徑上的每個(gè)點(diǎn)的衰減值，結(jié)合實(shí)際通信需求來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。續(xù)航時(shí)間部分則考慮了無(wú)人機(jī)的最大飛行時(shí)間，確保路徑規(guī)劃不會(huì)超過(guò)其續(xù)航能力。此外，適應(yīng)度函數(shù)中還考慮了其他因素，如飛行速度（Vsalesmen）、角速度（（Wsalesmen）、加速度（（Asalesmen）等，這些因素會(huì)影響無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間和路徑選擇[9]。

3.3 模型參數(shù)設(shè)定

在進(jìn)行仿真分析時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的飛行環(huán)境和任務(wù)需求設(shè)定一系列系統(tǒng)參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)路徑規(guī)劃的優(yōu)化至關(guān)重要。本次仿真所使用的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

3.4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)設(shè)定以上參數(shù)，仿真結(jié)果可以幫助評(píng)估在不同信號(hào)條件下無(wú)人機(jī)飛行路徑的合理性。特別是在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通信帶寬和信號(hào)衰減對(duì)路徑規(guī)劃的影響尤為重要。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，信號(hào)衰減較大的區(qū)域會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)飛行速度和續(xù)航時(shí)間的下降，從而影響整體任務(wù)的完成效率。最終，適應(yīng)度函數(shù)的優(yōu)化過(guò)程不僅保證了路徑的最優(yōu)性，同時(shí)也確保了任務(wù)能夠在規(guī)定的時(shí)間和電量限制內(nèi)完成[10]。

4. 結(jié)果

通過(guò)5G信號(hào)衰減模型計(jì)算，發(fā)現(xiàn)信號(hào)衰減在遠(yuǎn)距離和高樓層環(huán)境中顯著增加，影響無(wú)人機(jī)的飛行效率和通信穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中，使用Pathloss模型估算信號(hào)衰減，在信號(hào)衰減較大的區(qū)域優(yōu)化飛行路徑。適應(yīng)度函數(shù)結(jié)合了信號(hào)衰減和無(wú)人機(jī)續(xù)航能力，通過(guò)優(yōu)化權(quán)重系數(shù)找到最優(yōu)路徑。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的路徑有效減少了信號(hào)衰減的影響，確保任務(wù)順利完成。在信號(hào)較差區(qū)域，適應(yīng)度函數(shù)增加續(xù)航能力權(quán)重；在信號(hào)良好區(qū)域，選擇較短路徑提高效率。優(yōu)化后的路徑規(guī)劃不僅提高了飛行效率，還確保了信號(hào)質(zhì)量和任務(wù)完成率，尤其在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，考慮信號(hào)衰減使路徑規(guī)劃更加精準(zhǔn)。

5. 案例分析

國(guó)網(wǎng)河南省駐馬店供電公司采用5G技術(shù)優(yōu)化無(wú)人機(jī)巡檢路徑。在該案例中，通過(guò)對(duì)不同區(qū)域信號(hào)衰減情況的分析，得出了如下信號(hào)強(qiáng)度與飛行路徑的優(yōu)化數(shù)據(jù)。優(yōu)化路徑涉及信號(hào)衰減模型和遺傳算法的結(jié)合，具體應(yīng)用過(guò)程如下：在前文所述公示為遺傳算法優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的前提下，通過(guò)自由空間傳播模型（FSPL）計(jì)算每個(gè)區(qū)域的信號(hào)衰減，并根據(jù)衰減程度調(diào)整路徑。例如，區(qū)域D的信號(hào)衰減較大（9dB），通過(guò)路徑調(diào)整，使飛行時(shí)間減少28%。模型公式為

L（d）=20log10（d）+20log10（f）+20log10（4π/c）

式中，L（d）表示信號(hào)衰減，單位為dB。d表示信號(hào)傳播距離，單位為米，f表示信號(hào)頻率，單位為Hz，c表示光速，值為3×108m/s。在該案例中，重點(diǎn)在于單一區(qū)域內(nèi)的信號(hào)衰減具體計(jì)算及路徑調(diào)整策略。使用自由空間傳播模型（FSPL）的公式。主要為了針對(duì)不同飛行距離d、信號(hào)頻率f和光速c下，準(zhǔn)確評(píng)估信號(hào)衰減值L（d），從而直接指導(dǎo)路徑優(yōu)化的局部調(diào)整。

遺傳算法通過(guò)模擬自然選擇優(yōu)化飛行路徑，減少不必要的飛行。通過(guò)信號(hào)衰減計(jì)算和遺傳算法優(yōu)化路徑，任務(wù)效率提高。優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示，數(shù)據(jù)表明，特別是在信號(hào)損失較大的區(qū)域（如區(qū)域D），優(yōu)化后的路徑減少了23%的巡檢時(shí)間。

信號(hào)衰減模型和遺傳算法的結(jié)合使得巡檢任務(wù)的效率顯著提升，優(yōu)化后的路徑有效減少了飛行時(shí)間，并確保信號(hào)穩(wěn)定，展示了算法的實(shí)際應(yīng)用效果。

結(jié)語(yǔ)

本文研究通過(guò)結(jié)合5G通信技術(shù)，探索了在5G信號(hào)環(huán)境下的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)建立信號(hào)衰減模型，并引入適應(yīng)度函數(shù)對(duì)飛行路徑進(jìn)行優(yōu)化，研究表明，5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低延遲特性為無(wú)人機(jī)提供了更加穩(wěn)定的通信保障。在信號(hào)衰減的影響下，無(wú)人機(jī)的飛行效率和續(xù)航能力得到了有效的平衡。通過(guò)仿真分析，證明了優(yōu)化后的路徑規(guī)劃能夠在5G通信帶寬下顯著提高任務(wù)完成效率與穩(wěn)定性。本文研究為未來(lái)無(wú)人機(jī)在復(fù)雜通信環(huán)境下的應(yīng)用提供了重要參考，也為5G通信技術(shù)在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：牛磊，碩士研究生，工程師，821659904@qq.com，研究方向：變電運(yùn)維；宗欣妍，本科，助理工程師，研究方向：電氣試驗(yàn)。