基于無人機的物聯網無線通信的潛力與方法

張主杰 李志 葛明 王璟瑞

摘要：隨著人們的生活水平日益提高，網絡通信在人類生活中所占的比例越來越大。物聯網是一個龐大的詞匯，并且隨著實際生活的需求，在概念上也發生著改變，并根據其工作環境需要，也出現了很多變種。本文就無人機的物聯網無線通信的潛力與方法展開探討。

關鍵詞：無人機;物聯網;無線通信

引言

無人機空地通信是我國推進天地一體化信息網絡重大工程的重要組成部分，擁有廣闊的應用前景，同時也面臨著重要的技術挑戰。針對未來移動通信業務量的指數級增長及多樣化需求所帶來的挑戰，充分挖掘無人機通信系統的優勢和潛力，對國家開發利用鄰近空間資源具有重要的戰略意義，可促進國民經濟快速發展，并帶動我國新興產業發展。歷史上，無人機主要應用于軍事領域，部署于敵方區域，進行情報偵察等以減少士兵傷亡。近年來，隨著設備的小型化、制造成本的不斷降低和性能的持續提升，小型無人機在民用和商用領域應用增長迅速，實體場景包括實時監測、無線覆蓋、遠程感知、物流、應急搜救、通信中繼、精準農業、安全監管以及民用設施檢查等。

1物聯網概念

“物聯網”概念在1999年美國麻省理工學院首次被提出，隨著物聯網技術的不斷發展，物聯網的概念也隨之更新，當前主要是指信息和物理設備的融合，把物體和事件通過信息表達，在物與物之間實現信息交互，實現物體的識別、實時定位與管理。從功能的角度分析，物聯網是一個具有感知、互聯、計算和控制能力的信息系統。從功能角度抽取的物聯網體系結構一般包含物聯網從感知、傳輸、處理和執行等部件。

2物聯網的特有業務模型

當前，物聯網業務的開展形式具體包含多種服務類別，分別有描述、數據包的頻次與規模、配備范圍與移動水平、終端密度信息等，物聯網的數據模型一般是小規模的，頻次高的種類，這種類型的業務大多是在線的，與QQ聊天軟件有很多相似之處，可以消耗大量的網絡資源，影響網絡的效率。現實生活中最主流的數據服務模型可以保證這些數據的來源是真實有效的。會話頻率的含義是服務在一天內觸發的會話數，會話大小的含義是服務中數據分組的數據量。配置范圍表示配置服務時的覆蓋場景。移動性表示服務是否可以移動。通過對數據包的分析，可以看出物聯網是非常小的數據包和高頻數據服務。如今，物聯網技術的進程仍然存在很多波折，因為當今的物聯網正向著更小型的包、更高的信息頻次與數量更多的網絡事件發展，這種發展趨勢必定會讓互聯網的負荷增重。傳統優化方法的使用效果不佳，造成嚴重的信號風暴問題，假如該問題得不到妥當解決，必定會變成妨礙信息技術有效提升的關鍵因素。

3物聯網無線通信技術應用探討

（一）無線通信技術在車聯網當中的應用。當前，車聯網技術還處于初步發展階段，其功能并不完備，仍然需要技術革新才能滿足車輛的管理需要，提高交通安全。在所使用的無線技術中主要包括：DSRC專用短程通信技術，利用該技術可以對車輛的進行識別;全球衛星定位技術，也就是眾所周知的GPS技術，能夠獲得車輛的實時位置信息;無線傳輸技術，車輛利用該技術和外界共享自身的數據，實現和外部的通信;數字廣播，該技術主要用于發布實時的交通信息，幫助車主做出正確的形成方向選擇。（二）農業物聯網的應用現狀（1）檢測環境信息。當前農業當中已經大量使用了各種傳感器在大棚和養殖池當中，通過傳感器來獲取當前的溫度、濕度、pH值、二氧化碳濃度等情況，利用通信技術將數據發送至農業生產的管理中心，管理中心在處理數據后做出反應，根據參數的變化，及時對當前的情況進行調控，比如改變溫度、灌溉等等。依靠農業物聯網，即時地對植物的生長環境進行調整，讓農作物始終處在最為合適的生長環境當中，保證農業的產量。（2）遠程調度和指揮。當前，很多大興農場都是用到了遠程視頻監控系統，對農場的情況進行實時監控，如果發生巨大的災害時，首先可以具有很快的反應速度，同時，專家和技術人員也能夠在遠程對農場進行指揮，做出正確的決策，以最快的速度減少損失。（3）監管農產品的質量。在監管農產品的質量時，會使用到條碼技術和電子標簽等，并使用到傳感器網絡和移動網絡，對一個農產品的質量進行監控和跟蹤，并且能夠迅速發現農產品的產地。比如，在監管某個農產品時，可以利用IC監控，對農產品的產地環境、聲場過程、市場準入等信息進行收集，監管不能可以充分利用這些信息對農產品進行同步監管。

4基于無人機的物聯網無線通信

（1）基于無人機的物聯網數據中繼。陸地中繼系統已經得到廣泛的研究，主要有解碼—轉發和放大—轉發兩種中繼策略，中繼傳輸方式有半雙工中繼和全雙工中繼。半雙工中繼頻譜利用率較低，全雙工中繼可以在相同的時頻資源下同時接收和發射，頻譜利用率較高，但也帶來了自干擾。目前，主要研究自干擾的消除和抑制、系統性能的優化等。相對于陸地中繼系統，無人機因其快速部署能力、環境適應能力以及無人機和地面用戶之間的高視距連接概率，被廣泛應用于災后應急響應和熱點區域過載基站的數據卸載等場景，如利用無人機中繼建立臨時連接，幫助完成無可靠直接連接的兩個或多個遠距離用戶間的數據傳輸。（2）無人機物聯網數據分發/收集。由于成本較低、高度可控和移動性，無人機被廣泛應用于大規模分布式物聯網傳感器網絡的數據分發/收集中，這類應用一般對時延不敏感。基于無人機的物聯網數據分發/收集如圖1所示，采用周期性分發/收集方式，如精準農業、城市氣象監測、PM2.5測量以及水質、水位監測等。在地面節點位置已知的情況下，無人機軌跡優化可以為無線通信性能增強提供新的設計自由度。但是新的限制也為無人機軌跡優化增加了難度，如初始/最終狀態（位置、速度及加速度）、無人機的最大/最小飛行速度、最大加速度或最大轉彎角、碰撞避免以及禁飛區等。在無人機軌跡優化中，通常考慮三大性能折中，即吞吐量—時延折中、吞吐量—能量消耗折中和時延—能量消耗折中。常用的無人機軌跡優化技術有動態規劃、強化學習、圖論、最短路徑求解、混合整數線性規劃、塊梯度下降法和連續凸優化等。但是，現有的無人機通信軌跡優化方案主要針對戶外平原地區，信道模型一般采用自由空間傳播路徑損耗模型，若將應用范圍擴展到一般的環境有待進一步研究（如城市地形、城郊地形等）。此外，還需要研究多天線無人機軌跡優化對通信性能的影響。

結語

物聯網是一個多樣化的網絡，方案的設計要綜合考慮帶寬、覆蓋范圍、網絡容量、可靠性、電池壽命、成本、交互頻率和擴展性等因素，才能最終形成設計方案。在無人機物聯網無線通信中，充分挖掘無人機的特性，選擇合適的信道模型和無人機功率消耗模型，通過優化無人機軌跡、資源分配和多天線設計等實現通信服務質量、能量效率和任務完成時間等性能的提升，具有重要的理論價值和實際意義。

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（作者單位：中國移動通信集團設計院有限公司黑龍江分公司）