淺談移動通信技術在蟻群算法中的移動機器人最優路徑的應用

李 靜

（陜西省建筑職工大學 陜西 西安 710068）

1 引言

近幾年無人機技術的成熟與發展，蜂窩移動通信技術和無人機通信鏈路緊密結合且快速發展，“聯網無人機”迅速崛起。參考文獻《低空聯網無人機安全飛行測試報告》指出，無人機安全飛行的一些要求剛好能滿足空蜂窩網絡需要。所以，無人機的低空飛行通信環境由移動基站的信號數據建立以及覆蓋全面，假設信號覆蓋良好，就可以移動通信基站覆蓋數據和人口分布格網數據來分析無人區移動信號覆蓋情況。

2 蟻群算法及在無人機中的應用

2.1 蟻群算法的最基礎算法

螞蟻在自己的路徑中搜索，尋找最優的路徑，尋找過程中能夠搜索最短路徑的集合網格，并且根據自己的步長尋找空間阻礙物的比例及步長，遠遠縮短了尋優路徑的時長；因此，蟻群算法研究最終引入了方向信息以及終點目標的路徑信息目標，來提高最終路徑尋優的方向性目標。與前面的蟻群算法相比較，現在改進后的更能快速進行搜索及收斂，這樣就將路徑的最優時間大大減少了；該精算法能將最短路徑、最優路徑迅速找出。

根據無人機的一些與人相似的飛行以及空間域的相關政策，進行了航空路線的無人機實驗，結合現在研究的蟻群算法，可以利用搜索路徑，尋找航行路徑過程中的最優路徑。

2.2 對于飛行環境中的低空環境的影響因素

最首要的是對于飛行環境中的低空環境的一些基本要素的選擇，譬如對于蜂窩網絡在低空環境中的影響、氣候條件的影響、空間域的一些條件限制環境的影響，這些影響條件還遠遠不止這些，還有一些電磁波的干擾、人口條件的多少都是影響因素。

3 無線光通信中的激光通信的特點和優勢

3.1 抗干擾性能較好，頻率比較高，容量比較大

在1013～1015赫茲之間的激光基頻，比實際一般頻率高3到5個數量級，帶寬也特別寬。在通信系統中，所傳輸的信息總量與已調載頻的帶寬有關，帶寬是被限制于載頻本身的部分，因此，載頻頻率的提高，理論上增加了有效傳輸帶寬和整個系統的信道容量[1]。由于大氣激光通信系統的工作頻率極高，在這個頻譜段上沒有微波通信等其他通信業務的傳輸，設備之間也不會受到其他頻譜的干擾，不需要頻率許可證，抗外界干擾性能好。

3.2 以光為傳輸媒介：設備尺寸小，成本相對低廉，協議透明

大氣激光通信是以大氣信道作為信息的傳輸媒質，避免了復雜繁重的光纖鋪設工程，只需在通信節點上進行設備安裝即可，又由于光波的波長短，通信設備要輕便許多。所以大氣激光通信系統搭建方便，安裝靈活，非常適合用于地形異常復雜或者光纖很難鋪設的地方。有資料表明，無線大氣激光通信系統的造價僅為光纖通信系統的20%左右[2]。在通信協議方面，因為大氣激光通信是以光作為信息的載體，屬于物理層的傳輸設備，對任何的通信協議都不設屏障，如光纖分布式數據接口、異步傳輸模式、同步光纖網絡、SONET/SDH、快速以太網、以太網等，并可支持2.5 Gbit/s的傳輸速率，對傳輸數據、語音、圖像和視頻等各種信息可以做到透明傳送。

3.3 激光方向性強，傳輸安全保密性好

激光高的方向性使得它的發射激光束很窄，所以形成光通信鏈路后很難被發現。而且，由于這些波束的方向性很強，不易受外界干擾，具有數據傳輸保密性，要想截獲它，就必須知道如何捕獲、跟蹤、瞄準和接收信號，整個過程是很復雜的，而且即使光波束被截獲，也會很快被發現。因此，大氣激光通信傳輸安全保密性好，這是一般微波通信無法比擬的，特別是對于需要嚴格保密的軍事通信系統來說，安全保密是至關重要的。

4 大氣激光通信存在的劣勢

4.1 受環境因素影響明顯，通信距離受限制

激光的方向性很好，且激光束發散角很小，在短距離的情況下通信很有優勢，但由于大氣環境的影響，傳輸距離越遠，激光束就會逐漸擴散，超過了一定的距離后就聚焦困難不易接收了。特別是在大霧或沙塵暴天氣，光的色散和漫反射將極大地影響光通信的質量，所以通信距離受到限制。

4.2 瞄準和跟蹤困難

瞄準困難是大氣激光通信應用中最為明顯的不足。由于激光發射的傳輸距離較遠、光束較窄等原因，會給天線的瞄準帶來困難。一般的大氣激光通信系統的發射天線和接受天線都是架設在高空，自然環境的干擾或者輕微的地震都會使天線產生晃動，導致發射和接收端之間的光通信鏈路產生偏移，光斑脫靶。一旦瞄準后建立了光通信鏈路，這些外界因素的影響也會使得通信鏈路中斷，所以為了保持通信不會中斷，還要求光通信鏈路有自動跟蹤的能力。

4.3 不能直接進行非視距傳播，通信容易發生中斷

大氣激光通信靠的是激光在大氣中的傳輸來傳遞信息，由于光直線傳播的特性，因此只能在視距范圍內建立通信鏈路，若是兩個通信節點內有障礙物阻擋，則會造成通信質量下降甚至無法通信。不過，對于這種情況可通過建立一個中繼站進行連接。

4.4 激光對人眼的安全問題限制

在大氣激光通信中，激光的功率越高傳輸的距離越遠，受外界影響越小，越容易接收且準確度也越高，但是功率過高的激光可能會對人眼產生嚴重的傷害，因此在使用激光進行通信時，要嚴格控制激光的發射功率，必須要符合激光安全標準。雖然大氣激光通信在實際應用中還存在著外界環境因素的干擾影響和技術上的不成熟，但這種技術誘人的優勢還是引起了人們的關注，對它的研究也是越來越深入，并取得了一系列的成果，包括民用和軍用。

4.5 影響道路擁堵的因素

道路擁堵是指選擇信號最優路徑的可能是多樣化的，有時堵塞的路徑可能是更好的，有時堵塞網絡的長短代表著堵塞道路的情況及質量因素。

大氣激光通信的關鍵技術主要包括以下幾個方面。

（1）安全的激光光源及高速率光調制技術。激光光源的選擇要求輸出光功率小，對人畜等不造成傷害，光束方向性好，工作頻率高。在大氣激光通信系統中大多采用半導體激光器作為信號光源，常用的激光的波長是850nm的近紅外波段，因為在這個頻率上有足夠的能量將電流信號高效地轉換為光信號，另外，1550 nm的波長可以支持更大的系統功率，與850 nm的激光相比較，只有在通信距離超過1000 m的時候才能體現出它的優勢。高效、可靠的調制解調技術能提高系統的傳輸速率，降低系統的誤碼率。在信息傳輸的時候選擇適當的調制方式也會對通信系統性能的提高起到一定的作用。

（2）高增益收發天線。為了保證光束的有效傳輸和準確接收，激光器發出的光束在進入大氣信道前和進入到光電探測器之前需要進行準直，縮小它的發散角，這需要通過收發天線來完成。收發天線的增益越高，激光傳輸的距離越遠，信號的接收越準確。在實際應用中通常選擇收、發合一的天線。

（3）微弱光信號的接收技術。高靈敏度的光信號接收技術是通信可靠性的保證。大氣激光通信中，大氣環境及背景噪聲的影響都會削弱光信號，使得到達接收端的光信號變得十分微弱，這樣不利于信號的探測接收。為了能夠準確地探測到光信號，可通過提高探測器的靈敏度或對接收到的信號進行預處理這兩種方法來實現，這樣即使是在光信號變得十分微弱的情況下也能被探測到。

（4）快速、精準的APT技術。這是光通信成功的關鍵。攜帶信息的激光束從發射天線發出去后，接收端需要對光束進行捕獲，然后瞄準、跟蹤直到信號接收。整個APT系統可分為兩部分：捕獲和跟蹤、瞄準。捕獲系統通常采用CCD（Charge-coupled Device，電荷耦合元件）結合光濾波器和信號實時處理伺服執行系統一起來完成目標的捕獲，然后，跟蹤、瞄準系統就對目標進行瞄準和實時跟蹤。

移動通信技術在蟻群算法中的移動機器人最優路徑的實際應用，可以更好地將兩者結合在一起，發揮出最大效益。