集群無人機通信控制方式

郭今戈，衛鴻婧

(1.北京理工大學，北京 100032; 2.中國移動通信集團山西有限公司，太原 030032)

2018年5月1日，在西安城墻的南門文化禮儀廣場上舉行了由1374架無人機組成飛行編隊的絢麗多彩的表演，無人機編隊擺出“西安城墻、絲綢之路四十周年、大雁塔”等圖案，成功創下“數量最多無人機編隊表演”吉尼斯世界紀錄。不過，當天演出時飛機編隊左側圖案出現通訊失誤而造成編隊“亂碼”，集群無人機回收時也出現了意外失控墜落的現象。針對上述情況，系統分析無人機的控制機制便顯得十分重要，主要分為兩個部分：無人機的定位方式及無人機的通信控制方式。目前，無人機使用可定位到厘米級精度的RTK-GPS技術。但GPS信號頻率是公開的，如有人釋放相同頻率的干擾信號，無人機則無法準確定位，嚴重情況可能觸發返航機制。同時，如果無人機的通信控制模塊出現故障，也會出現“亂碼”等情況。

本文針對集群無人機通信控制方式進行分析，設計使用目前先進的長期演進(Long Term Evolution，LTE)和窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Thing，NB-IoT)通信方式代替傳統的Wi-Fi通信方式；分別從覆蓋性能、接入性能方面分析承載集群無人機通信傳輸及控制的可行性，并探討在小范圍區域超大量無人機通信接入的場景下，使用龍伯透鏡天線代替現有普通天線進行通信控制的方法[1,2]。

1 無人機通信控制技術

1)Wi-Fi技術

Wi-Fi是基于IEEE 802.11標準的無線局域網技術，通常把Wi-Fi當作IEEE 802.11標準的同義術語，具體包括802.11g/a、802.16e、802.11i、WiMAX等技術。作為802.11b發展的后繼標準，802.16(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX全球微波接入互操作性)已經在2003年1月正式獲得批準，其采用與802.11b不同的頻段(10～66 GHz)，可以和802.11b/g/a無線接入熱點互為補充，從而實現一個城域被完全覆蓋的寬帶無線技術的構建。

由于Wi-Fi使用公共非授權無線頻譜，初期的無人機通信多采用Wi-Fi技術，但是，其通信距離短、通信接入性差、安全性低等特點，使得Wi-Fi技術不太適用于集群無人機通信控制技術。

2)NB-IoT通信技術

NB-IoT是基于LTE協議，應用于低功耗廣域網(Low Power Wide Area Network，LPWA)技術的一種標準，其設計目標具有覆蓋廣、連接大、功耗低、成本低等特性。作為一種能夠廣泛應用于全球范圍內物聯網(IoT)市場的新興技術，低功耗廣覆蓋(LPWA)的NB-IoT標準引起了巨大的關注。NB-IoT使用授權許可頻段，可以基于帶內、保護帶或獨立載波3種方式進行部署，能夠與現有網絡共存并可基于GSM900MHZM協議進行網絡部署，在覆蓋范圍、功耗高低、成本高低等方面具有最佳性能，因而更適合LPWA物聯網服務。

NB-IoT超強的覆蓋性能使得其承載無人機進行中遠距離作業時具有明顯的優勢，但是，其時延長、傳輸速率低等特點也對承載無人機通信控制產生較大的挑戰。

3)LTE通信技術

基于LTE技術的通信系統可稱為寬帶接入和分布式網絡，是一個采用全IP設計的網絡結構。LTE通信系統依靠諸多關鍵技術來支撐其通信，包括：正交頻率復用技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、多載波調制技術、自適應調制和編碼(Adaptive Modulation and Coding，AMC)技術、MIMO和智能天線技術、軟件無線電技術以及網絡優化和安全性、基于IP的核心網等。LTE技術具有傳輸速率更快的特征：對于大范圍、高速移動的用戶(移動速度：250 km/h)，數據傳輸速率能夠達到2 Mbit/s；對于中速移動的用戶(移動速度：60 km/h)，數據傳輸速率能夠達到20 Mbit/s；對于低速移動的用戶(室內或步行者)，數據傳輸速率能夠達到100 Mbit/s。

LTE通信技術承載集群無人機的優勢非常明顯，LTE技術在覆蓋距離與大容量接入方面,都可以較好地滿足集群無人機的通信控制。但是，針對小范圍內并超過1 000架無人機的通信控制仍然是嚴峻的挑戰和急需解決的問題。

2 基于NB-IoT的無人機通信控制

2.1 NB-IoT覆蓋性能分析

NB-IoT物聯網典型業務對網絡覆蓋，提出了相對GSM/LTE網絡的最小耦合損耗值MCL最小增強20 dB的要求。其中，下行覆蓋增強是通過加大數據的重復發送次數來實現的；上行覆蓋的增強是通過增加數據重復發送次數和提高功率譜密度來實現的。上行覆蓋增強主要來自于兩方面：(1)在極限覆蓋情況下，NB-IoT物聯網可采用單子載波進行數據傳輸，其功率頻譜密度(Power Spectral Density,PSD)能夠得到較大幅度地提高。以Single-tone 模式下頻率為3.75 kHz的子載波間隔為例，與GSM 180 kHz的帶寬相比，其PSD能夠得到約為17dB的增益(不考慮上行2R的情況下)；(2)通過增加上行信道中的最大重傳次數從而獲得覆蓋增強。因此，盡管NB-IoT終端的上行發射功率(23 dBm)較GSM(33 dBm)模式低10 dB，但是由于其最大重復次數的增加及傳輸帶寬的變窄，能夠使其上行工作在164 dB的最大路損下[3-4]。

重復技術的本質是在時域上將待發送數據連續多次重傳，降低了單位時間內平均的有效信息量，本質上是降低了碼率，相當于以更低的MCS進行數據發送，對于覆蓋提升存在編碼增益、降低接收端的解調門限要求。以一個長度80 ms的256 bit的碼塊傳輸為例，不重復發送時，通過BPSK調制的解調門限約為-1 dB，含CRC的編碼速率為3.2 kbit/s；重復4次發送時，可以通過將編碼速率降低為0.8 bit/s而使解調門限降低為-7 dB，此時重復4次的增益為6 dB。如圖1所示，隨著重復次數的增加，獲得的收益趨緩，但會增大終端功耗，頻譜效率下降越嚴重，速率下降程度與重復次數呈反比。

圖1 不同重復次數下的頻譜效率及增益

重復次數與覆蓋等級有關，不同覆蓋等級下設置不同的重復參數，因此分析RSRP同上傳、下載速率時，首先要考慮覆蓋等級以及不同重復次數的設置。在不同的覆蓋等級下，相同重復次數隨著覆蓋等級差異、速率呈下降趨勢；在同一覆蓋等級下，下載速率隨著重復次數的增加而逐漸下降。

設置覆蓋等級為：RSRP1=-110 dBm，RSRP2=-120 dBm，對應3個覆蓋等級下；重復次數配置為：NB-IoT下行物理共享信道重復次數分別為1、4、32。通過測試，得到RSRP、SINR、KPI三個變量的測試數據。對測試數據進行回歸分析，考慮到RSRP對KPI影響與覆蓋等級設置直接關聯。

RRC建立成功率：利用測試數據計算RSRP、SINR的偏相關系數，分析發現 RSRP>-120 dBm 后，SINR為主要相關變量，分析SINR對RRC建立成功率影響程度，如圖2所示，得到當SINR<-2.51 dB時，RRC建立成功率降低至99%以下；SINR<-3.06時RRC成功率降低至90%以下。

圖2 RRC建立成功率對應RSRP、SINR

2.2 NB-IoT容量性能分析

NB-IoT首先影響小區容量的物理隨機接入信道NPRACH信道。

2.2.1NPRACH信道結構

NPRACH子載波間隔為3.75 kHz，占用1個子載波，有Preamble format 0和format 1兩種格式，即266.7 μs與66.7 μs兩種CP長度，分別對應不同的小區半徑。1個NPRACH信道由4個Symbol Group組成，每個Symbol Group包括1個CP和5個符號，如圖3所示。

圖3 NPRACH信道結構

NB-IoT中的Preamble不需要Zadoff-Chu序列來生成，而是由4個符號組成，并且每個符號組中含有5個符號，且5個符號上發送的信號相同。每個符號組采用跳頻方式傳輸，即組成一個preamble的4個符號組在不同的子載波上傳輸，并且，跳頻會被限制在一個連續的12個子載波的集合內。這種跳頻算法設計優點在于只要給UE分配不同的起始子載波，就會帶來不重疊的跳頻樣式。因此，分配給NPRACH資源的子載波數，就是能夠使用的preamble數。每個子載波位置就對應一個preamble。PRACH信道容量取決于preamble數量多少，而preamble數量又受限于分配的子載波數。因此NPRACH主要受參數nprach-NumSubcarriers影響，該參數表示NPRACH信道的頻域子載波數，但是分配給preamble的頻域資源不能超過頻域的最大子載波數，即nprach-NumSubcarriers≤48。

NPRACH周期(nprach-Periodicity)的長短，在每周期內NPRACH信道可用的頻域資源固定時，周期越短，單位時間內的NPRACH信道數越多，即preamble的數量越多，NPRACH容量也就越大。NPRACH周期可以配置為{ms40，ms80，ms160，ms240，ms320，ms640，ms1280，ms2560}，NPRACH信道重復次數可以是{1，2，4，8，16，32，64，128}，重復次數決定了NPRACH信道占用的開銷。

2.2.2NPRACH信道容量分析

(1)

即用戶A不和其他用戶發生碰撞的概率為：

(2)

在T時間間隔內，隨機接入的用戶總數N可以表示為：

(3)

N≈-48ln(1-0.1)=5.05個

當NPRACH資源的周期為640 ms時，則每秒鐘能夠接入的用戶個數為:

不同NPRACH周期下具有不同負載的碰撞概率曲線，如果目標碰撞概率設為低于10%，則NPRACH周期為320 ms時可以支持15.8次/s的隨機接入，NPRACH周期為640 ms時可以支持7.9次/s的隨機接入。

綜上所述，NB-IoT的小區容量與用戶的業務模型和用戶所處的覆蓋等級以及不同覆蓋等級時各物理信道的相關參數配置有關。當NB-IoT容量受限于NPRACH信道時，可以縮短NPRACH信道的周期來增大NPRACH的容量，最大可縮短到40 ms，NPRACH信道容量最大為126個用戶/s。從計算結果來看，使用NB-IoT通信技術承載集群無人機是明顯不適用的。

3 基于LTE的無人機通信控制

3.1 接入能力分析

LTE系統使用物理隨機接入信道(Physical Random Access Channel，PRACH)作為終端與網絡建立連接前的上行信道。隨機接入是指在UE獲得下行同步的基礎上，請求與網絡通信之前的一個接入過程。在大型體育賽事、演唱會、高校等超密集網絡場景中，短時間內大量用戶發起通信和數據業務，情況嚴重時將導致無線接通率發生急劇下降，用戶能明顯感受到無線接通率的顯著降低。為了專門處理突發的大容量業務的沖擊，LTE網絡設計了大容量能力CAPS(Call Attempt Per Second)應對。CAPS能力大小能夠直接衡量基站處理并發信令的接納能力。一般說來，終端訪問網絡包含兩個連續的流程：先是接入網絡，然后是分配資源。前者是隨機接入流程，后者是控制信道及業務信道分配流程。隨機接入流程是用戶終端與數據網絡之間建立無線鏈路所必須經過的過程，只有在完全的建立隨機接入流程后，通信基站和用戶終端才能進行正常的數據傳輸和接收過程，并且經過隨機接入流程，UE可以實現與eNB之間進行上行同步并申請上行資源。

目前LTE網絡承載用戶體量較大，結合用戶對不同業務類型的需求，LTE網絡在承載用戶量計算時，不能簡單使用極限容量進行推導。某運營商給出的LTE用戶數與流量的趨勢見圖4。每小區承載的LTE用戶平均在40個左右，承載數量較大的約120個左右。參考集群無人機規模，如果無人機數量超過1000個，那LTE承載將受限，需考慮采用多頻點其他增強型通信接入方式解決。

圖4 LTE承載用戶數與流量

3.2 增強型通信接入方式

R.K.龍伯(R.K.Luneberg)于1944年提出的龍伯透鏡天線是一種將點源或線源的球面電磁或柱面電磁波通過介質透鏡轉換為平面波，從而能夠獲得扇形、筆形或者其他形狀波束的天線。天線的工作原理近似于透鏡聚焦，利用多層介質球體的折射特性，將單個天線單元的低增益寬波束匯集成高增益窄波束[5]，原理示意圖如圖5。

圖5 龍伯透鏡天線工作原理示意圖

如將多個天線單元放在龍伯透鏡后的不同部位，則會沿著透鏡前方形成不同角度的高增益窄波束，每個波束都具有獨立自主的信息通道，單一口徑能夠覆蓋區域內的多點。應該使用這種多波束天線，可從空間復用和扇區分裂的角度實現擴容[6]。天線方向圖見圖6，水平方向為4個波束，垂直方向上有近、遠2個波束。

圖6 放置多個天線饋源的龍伯透鏡天線方向圖

從工作頻率看，龍伯透鏡圓柱天線支持LTE頻段的D頻段和F頻段，雖然多波束天線的波束寬度較小，但相鄰波束間仍然會存在重疊覆蓋區域，如果完全同頻配置，則重疊區域可能出現干擾，因此建議載波配置時，頻率盡量錯開。以4波束天線為例，4個波束按照D頻段和F頻段錯開配置，如圖7所示。這樣c單天線120度方向內最大配置12個LTE小區，遠高于傳統組網方式，可滿足單天線2400人激活態業務需求(按LTE單小區200用戶激活態計算)。

圖7 傳統天線覆蓋范圍下龍伯透鏡天線配備頻點

綜上所述，通過計算，傳統天線的覆蓋范圍分別由龍伯透鏡天線承載的4個波束替代，體現出窄波束覆蓋的效果，這是空間復用、扇區分裂進而提升系統容量的基礎。其承載的用戶數可達到2 400個，基本滿足小范圍集群無人機的通信控制。

4 結論

1)由于集群無人機數量龐大，在通信傳輸與控制方面有嚴格的要求，目前應用與單個無人機系統的傳統通信方式不足以應對集群無人機通信。

2)龍伯透鏡天線實現了單天線120°方向內最大配置12個LTE小區，遠高于傳統組網方式，相比于應用在宏站，在應急車上應用更為便捷、成熟，設備改動也較小。

3)龍伯透鏡波束天線應具備的窄波束覆蓋、空間復用、扇區分裂等特點，對于大容量場景的保障具有非常明顯的效果，但在覆蓋能力和抑制相鄰波束間的干擾等方面，還存在不足，還需要尋找合適的保障場景，進行更多的實踐。