無人機通信網絡的容量與覆蓋性能分析

高鈺明

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無人機通信網絡的容量與覆蓋性能分析

高鈺明

中睿通信規劃設計有限公司，廣東 廣州 510630

無人機通信網絡在相關領域體現了極大的應用優勢。基于此，就無人機通信網絡的容量與覆蓋性能進行了分析，分別介紹了無人機通信網絡的關鍵技術、無人機通信網絡的容量與覆蓋性能優化、無人機通信網絡的仿真分析，以期為無人機通信網絡技術水平的提升做出重要貢獻。

無人機通信網絡；網絡容量；覆蓋性能

引言

無人機通信網絡具有部署方便、機動靈活、不受復雜地形限制、通信設備適用性強且信息傳輸質量高等優勢特點，被逐漸應用于應急通信。近年來，Facebook和谷歌等公司，對無人機網絡通信的發展提出了多種設想。其中，關于利用無人機增加網絡覆蓋與網絡容量的方案，曾被多次提起。關于無人機通信網絡容量與覆蓋性能的研究，能夠進一步明確無人機飛行高度等影響網絡容量與覆蓋性能的因素，對提升網絡整體性能具有重要意義。

1 無人機通信網絡的關鍵技術分析

無人機通信網絡系統的構建，基本原理就是給定頻帶以及平臺的允許尺寸、質量、消耗電力等內容之后，實現通信距離×數據速率的最大化[1]。總結無人機通信網絡的研究內容，包括與帶寬相關的一些內容，頻率、信息數據流的靈活性與適用性，還有基于認識的適應控制能力。網絡構建過程中，數據鏈技術是其中的關鍵技術。

數據鏈是一種較為常用的傳輸方式，在傳感器、指控系統以及武器平臺之間的戰術信息傳輸領域的應用尤為廣泛，能夠充分滿足作戰信息的交換需求。數據鏈技術的原理是將現代信息技術與戰術理念相結合，能夠多角度滿足作戰單元共享以及戰場態勢、實時控制需要。利用數據鏈技術，構建無人機通信網絡系統，能夠充分滿足系統對于標準化的消息格式、保密且抗干擾的數字信道、高效的組網協議等要求。在無人機通信網絡中，數據鏈的傳輸速率與處理能力的提升，對擴大無人機的能力具有重要意義，在現代科技的推動之下，無人機通信網絡中的機載處理能力逐漸超過數據鏈能力，將采集數據中繼到地面后，能夠為地面決策提供有效參考。這一過程，需要有效提高現有的頻譜利用率。

另外，在數據鏈技術中有一種中繼技術，無人機通信網絡的構建與運行十分重要。當無人機超出一定范圍之后，需要通過中繼方式與地面指揮站進行通信。根據中繼轉發設備的位置差異，可將中繼技術劃分為地面中繼與空中中繼。其中，地面中繼轉發設備位于地面控制站與無人機之間的制高點；空中中繼設備位于空中中繼平臺，平臺與無人機之間采用定向天線連接，總結數字引導、自跟蹤等方式，來保證天線波束彼此對準，相對來說成本較高。

對于空中中繼來說，還可進一步劃分為飛機中繼和衛星中繼兩種方式。其中，飛機中繼方式以飛機作為轉發設備，可靠性較低。

衛星中繼方式將通信衛星作為轉發設備。在實際應用過程中，無人機上需要安裝跟蹤天線，機載天線與指向衛星之間通過數字引導，以自跟蹤的方式，對衛星進行實時跟蹤。對比飛機中繼方式，衛星中繼對擴大無人機通信網絡容量與覆蓋性能，能夠起到更加顯著的作用，且衛星的信道性能更加穩定，還能有效提升無人機通信網絡的可靠性。

2 無人機通信網絡的容量與覆蓋性能優化

上文提到的數據鏈技術中，具體的空中中繼方式對無人機通信網絡的容量與覆蓋性能優化能夠起到推動作用。利用數據鏈技術，將無人機作為基站，為地面用戶提供服務，類似于在異構網絡當中布置微基站，不僅能夠提升鏈路的質量與頻譜效率，而且能夠解決地面基站覆蓋空洞問題，在減輕地面基站負載的同時，有效提高特定區域的覆蓋質量，對降低網絡開銷與系統運行能耗也能夠起到一定作用。

除此之外，無人機的飛行高度，對無人機通信網絡的覆蓋范圍與容量，也具有重要的推動作用。升高天線高度，能夠減小復雜地形對電波傳播的影響作用，甚至能夠實現將非視距通信，轉化成視距通信，進而改善鏈路質量。需要注意的是，無人機的飛行高度不宜過高，否則容易導致邊緣用戶的信號強度過低，或與相鄰基站的信號覆蓋范圍發生重疊，進而影響邊緣用戶性能。因此，在構建無人機通信網絡系統時，要合理控制無人機飛行高度。

（1）容量與覆蓋擴展場景

在實際設計過程中，若地面基站的覆蓋能力不足，可通過增加無人機基站來達到提升網絡容量與覆蓋性能、增加用戶速率的效果，具體擴展優化場景如圖1所示。

擴展后的場景中，地面基站、無人機用戶以及無人機基站位置，采用獨立的二維泊松點過程確定，在相關仿真平臺之上模擬擴展場景，發現采用此種定位方法，當兩個泊松點距離十分近時，不能做到確切模擬真實基站分布。但是，現階段泊松點過程確定方法已經被廣泛應用在蜂窩網絡的性能評估中。建模后的網絡系統，性能與真實基站部署性能最為接近。

圖1 無人機容量與覆蓋擴展場景

在無人機通信網絡構建過程中，信道的大尺度路徑損耗必須重點考慮，而陰影衰落以及小尺度衰落則可以忽略不計。在空間信道模型構建過程中，路徑損耗的計算公式如下：

式中：為傳輸信號的波長；為路徑損耗因子；為基站與無人機用戶之間的距離（單位：m）。在模擬過程中，用戶的接收信號強度，應該是路徑損耗與發射功率、天線增益的總和。若基站之間的頻率完全復用，則用戶受到的干擾，應為基站信號強度的總和，計算用戶的SINR如下：

式中：P為用戶有用信號；P為干擾信號，P則為熱噪聲。

利用信道質量情況中的大尺度衰落特性，靈活調整傳輸數據，通過調制與編碼的方式，讓接收機有效反饋信道質量。在實際建模過程中，距離基站更近的用戶，常常會被賦予更高的調制方式與編碼速率，如64?QM、3/4?Turbo碼率；針對邊緣用戶，則為其賦予的調制方式與編碼速率較低，如QPSK、1/2?Turbo碼率。

基于無人機通信網絡平臺的特性，在無人機基站部署方案的制訂過程中，保持基站派發給每個用戶的發送功率不變。與此同時，調制與編碼的方式，可以空間信道模型計算后的實際結果為依據，利用現有條件進行自適應改變[2]。在部署方案制訂過程中，假設誤碼率一定，在這種條件之下，設置高階調制要求，其中信噪比與編碼速率都要得到大幅度提升，依據一般情況下，距離基站較近的用戶的信道條件也就越好這一特點，需要為其賦予更高的調制方式與編碼速率，如64?QM、5/6?Turbo碼率；在相同條件之下，用戶距離基站越遠，其信道條件也就越差，必須相應降低調制方式與編碼效率。目前，在無人機仿真平臺中，所支持的調制方式與編碼速率為15種。

（2）應急通信場景

構建無人機通信網絡系統之后，如果地面基站受到自然災害等的侵襲，無法正常工作，則能夠啟動無人機基站，形成如圖2所示的應急通信網絡，以保證用戶能夠正常通信。

圖2 應急通信場景

在自然災害發生之前，無人機通信網絡當中，只存在地面宏基站，正常為移動用戶提供相關服務；在災害發生之后，地面基站受到嚴重損壞，無法正常工作。這種情況下，就需要在無人機通信網絡中，布置無人機基站持續為地面用戶進行服務，以保證網絡正常工作。布置過程中，通信模塊的參數設置，需要與無人機網絡容量與覆蓋擴展場景參數設置同步。

3 無人機通信網絡的仿真分析

在研究無人機通信網絡容量與覆蓋擴展場景時，在給定的仿真區域，改變無人機的基站部署密度，或調整無人機的飛行高度，明確相關因素對網絡容量與覆蓋性能的影響效果。仿真模型構建時，地面基站作為TDD-LTE基站，無人機的通信方式，與地面蜂窩基站相同。最終的系統目標，是通過理想無線回傳的方式，實現與核心網絡的連接，并從中獲取數據為用戶服務。在整個無人機通信網絡當中，無人機與地面LTE站之間頻率相同，導致了一定程度的同頻干擾現象，仿真結果中的網絡容量，可通過用戶平均速率來確定。仿真過程中需要的參數及配置如表1所示。

（1）覆蓋擴展

經過仿真之后，在無人機差異化基站部署密度以及飛行高度之下，用戶的平均速率以及無人機通信網絡中覆蓋盲區的用戶占總數的百分比，也會發生相應的變化[3]。依據模擬仿真的試驗，當無人機基站數量分別為100個、200個、300個時，在相同無人機基站數量的情況下，隨著無人機飛行高度的不斷升高，用戶的平均速率變化呈現為先增加、后降低的變化趨勢；而在相同無人機基站部署狀況之下，隨著無人機高度的升高，覆蓋盲區用戶占比則隨之持續降低。

表1 仿真參數及配置 仿真參數參考取值 仿真范圍40?km×40?km 系統帶寬/MHz20 地面基站、用戶個數/個10、4?900 地面基站發射功率/dBm46 地面基站到用戶的路徑損耗3.3 無人機到用戶的路徑損耗2.6 無人機基站發射功率/dBm35 TDD幀結構配比2∶2 載波頻率/GHz2.1 天線增益/dBi5

在無人機通信網絡中，隨著無人機基站的數量增加，每個基站的負載相應降低，用戶可使用的資源則隨之增加；在無人機基站數量增加的同時，用戶與服務基站的距離也被拉近，顯著提升了鏈路性能。另外，無人機飛行高度增加，也就意味著天線高度增加，無人機基站的覆蓋面積也就相應增加，由此網絡容量與網絡覆蓋性能的擴張，能夠為更多的用戶提供優質服務。但要有效控制無人機高度，避免相鄰基站覆蓋范圍重合現象，降低干擾強度，并在提升網絡容量時，保證對邊緣用戶的服務質量。

（2）應急通信

上述無人機通信網絡容量與覆蓋性能優化中，提到了無人機通信網絡應急通信。在仿真過程中，同樣要考慮自然災害對地面基站的嚴重影響效果，利用若干無人機基站構成的應急通信網絡，為地面用戶繼續提供相關服務。在仿真建模過程中，可以改變無人機基站的數量與高度，探究最佳無人機部署方案，以保證地面用戶的通信能夠享受正常服務。

在模擬試驗過程中，需要布置20地面個基站，采集各個基站在自然災害發生前，相關用戶的平均速率，為后期的試驗對比提供參考；分別模擬15個、20個、25個無人機基站部署方案，變化參數為無人機飛行高度，最終以用戶的平均速率來反映試驗結果。模擬試驗現象表示，隨著無人機基站的部署密度增加，用戶的平均速率也隨之增加；當無人機基站密度相同時，隨著無人機飛行高度的增加，用戶的平均速率呈現為先升高后降低的趨勢[4]。最終得出最優應急部署方案，即設置20個無人機基站進行部署，保證無人機的飛行高度在100～200?m之間，同時保證無人機通信網絡容量與覆蓋性能。

利用上述系統級仿真，能夠得出在地面基站密度較低的情況下，隨著無人機基站部署密度的增加，網絡容量與覆蓋能力相應增強；在相同的密度之下，無人機本身的飛行高度也會影響無人機通信網絡的容量與覆蓋性能。因此，通過無人機基站優化部署的方式，確實能夠達到優化網絡容量與網絡覆蓋性能的效果，進而為用戶提供正常的通信服務。

4 結束語

綜上所述，關于無人機通信網絡的容量與覆蓋性能的分析，有利于推動現階段相關研究的不斷深入。通過建立相關仿真模型，能夠進一步明確無人機飛行高度對其網絡性能的重要影響，提升無人機通信網絡的應用價值，能夠起到重要作用。因此，在未來的研究中，以提高無人機通信網絡的容量與覆蓋性能為主要目標，進而全面推動相關技術的研究深入，有效優化通信網絡的更多性能，為國家應急通信等領域的發展做出更多貢獻。

[1]劉重，高曉光，符小衛.基于通信與觀測聯合優化的多無人機協同目標跟蹤控制[J/OL].控制與決策，2017（10）：1-10.

[2]張佳.基于無線通信網絡的無人機監控系統設計[J].自動化與儀表，2017，32（5）：22-25.

[3]馬云飛，苑樂，朱菲菲.基于認知網絡的無人機通信網絡系統[J].計算機工程，2016，42（7）：37-41.

[4]柴毅哲，楊任農，鄔蒙，等.數據分發技術在無人機地面站系統通信網絡中的應用[J].現代計算機（專業版），2015（27）：74-80.

Analysis of Capacity and Coverage Performance of UAV Communication Network

Gao Yuming

Zhongrui Communications Planning and Designing Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510630

The UAV Communication Network has shown great application advantages in the related fields. Based on this, the paper analyzes UAV communication network capacity and coverage performance, introduces the key technology of UAV, the UAV communication network communication network capacity and coverage performance, and simulation and optimization of UAV communication network analysis, in order to enhance the technical level of human-machine communication network to make an important contribution.

UAV Communication Network; network capacity; coverage performance

TN915.01

A

1009-6434（2017）11-0043-04