基于無人機平臺的中繼通信系統設計

新疆科技學院信息科學與工程學院 方圓 鄒杰

基于無人機平臺的無線中繼通信網絡是解決復雜環境下可靠通信的有效手段，它能夠快速、機動地構建局部區域的寬帶通信網絡，具有不受環境限制、部署靈活、覆蓋范圍大、生存能力強、支持寬帶多媒體業務、能與現有通信指揮調度系統遠程互通等特征，同時具有很好的伸縮性，能夠滿足不同種類、不同規模民用應急通信需求[1]。隨著通信技術的迅速發展，各行各業對通信的需求也越來越高，特別是無線通信，中國在通信普及上走在世界的前列。但實際上考慮到經濟效益與使用實際，在高原、沙漠、戈壁等人煙稀少甚至是無人區中，依靠固定基站建立通信網絡，用戶少、維護成本高、回報和收益小。本文以西北戈壁環境為背景，討論基于無人機平臺的中繼通信系統的構建與分析，針對其網絡拓撲結構、信道模型及無人機路徑進行研究。

1 系統特點

目前，人們接觸最龐大的無線通信網絡當屬無線電話與電信基站互聯而成的第四代移動通信網絡[2]。這種網絡依靠大量的電信基站相連，可靠性高、維護方便。但同時，信號覆蓋面積根據其高度也有差別，其收益與范圍內用戶相關，由于東西部發展不均衡，西北大部分地區，特別是無人區還未覆蓋2G 信號。而現行使用的無線寬帶設備，其有效通信覆蓋范圍也僅能達到30km，一方面是信號衰減；另一方面是其配套塔車架設最高為40m，極大限制了其通信能力。

近年來，隨著集成芯片、無線通信、新材料等各項技術的發展，無人機越來越輕盈、靈活，功能越來越強大，成本越來越低，在警用、城市管理、農業、地質、氣象、電力、搶險救災、視頻拍攝等多個領域都有大量應用。和現存的地面基礎通信設施相比，微小型無人機中繼通信系統的優勢包括部署方便、機動靈活、不受復雜地形地物限制、成本低廉、可靠性高、適用性強、信息傳輸質量高。本文以保障在40km×60km 的長方形區域中，地面集群通信網絡為背景，環境設定為高差在20m以內的戈壁。

2 設計方案

2.1 無人機與載荷

無人駕駛飛機，簡稱“無人機”（UAV），是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置進行操控的不載人飛行器。與載人飛機相比，具有體積小、造價低、使用方便、對作戰環境要求低、戰場生存能力較強等優點。利用無人機受控飛行、懸停等精準飛行控制，能較好地解決進入空中、位置固定、穩定飛行、變化多樣等要素構建問題。先進的電子系統和網絡鏈接功能、定位能力等，為實時和事后提供精確位置信息和軌跡數據，進行精度校正提供了數據支持。一些專業級的無人機，在運行時間、定位精度、風抗等方面都達到了較高的水平。

無人機大致可以分為固定翼的無人機和旋轉翼的無人機兩大類，這兩類無人機各有優缺點。固定翼的無人機具有速度快、高負載的特點，同時，它也需要保持較高的速度。相比之下，旋轉翼的無人機，雖然擁有有限的機動性和有效載荷能力，但是它可以在任何方向移動，并很容易地在空中保持靜止。固定翼無人機起降不便，速度快，無法懸空，搭載功能設備不可靠。本研究只考慮旋轉翼無人機，如圖1 所示。

圖1 無人機Fig.1 Unmanned aerial vehicle

本文以目前常用的旋轉翼無人機為平臺。目前市場上民用的多型，包括六旋翼、八旋翼、十二旋翼以及無人直升機，均具備高載荷長時續航的能力，故不指定具體某一型號的無人機。載荷方面，無人機需荷載BBU(Building Base band Unit 基帶處理單元)、RRU(Remote Radio Unit 射頻遙控單元)、天線以及電源模塊。

2.2 拓撲結構

在傳統的無線通信系統中，PMP（Point to Multi-Point，PMP）通信網絡結構是一種常用的接入網應用形式。它以中心節點為核心，構建星型拓撲結構的接入網，中心節點負責控制各用戶節點的信道接入并提供到骨干網的網絡接口，具有網絡結構簡潔、技術成熟的特點[3]。本文中網絡構建主要以各終端相互通信及無人機控制平臺與無人機通信為主，故采用經典的星型拓撲結構。以無人機機載設備為接入網的中心節點，在100km范圍內，不需考慮終端間的雙跳通信。考慮到無人機的姿態控制與地面控制系統，在控制端結構為無人機遙控平臺—無人機驅動地面車載平臺—無人機機載基站—地面用戶終端。

如圖2 所示為設計的無人機-車載平臺、無人機-通信終端網絡拓撲結構示意圖。

圖2 網絡拓撲結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of network topology structure

2.3 信道模型

無線通信的發展離不開微波，本文擬建立以TDLTE 4G 網絡標準的UHF 頻段微波通信。本文僅考慮100km 范圍內的微波中繼通信，故選取L 頻段的微波信號，微波通信最顯著的一個特征就是視距通信。本文在這里分析通信信道也僅考慮統計衰落模型[4]。對于視距傳輸（Line of Sight，LOS），其衰落特性為萊斯（Rice）分布。對于一般環境下的信道分析，國內外相關研究已經較為成熟，此處就不再贅述。

2.4 無人機路徑

無人機作為空中的中繼平臺，需保持與各用戶相連。網絡使用的波段為L 波段的微波信號，可以看做是視距通信。在實際使用過程中，地面設備人員點號附近100m距離內基本平坦無較大起伏，本文簡化地面參數，區域做一般光滑球面處理，區域為規則的球面矩形，尺寸為40km×60km。弧AC，lAC=100km，某一時刻無人機位置點為P(Q(t),H(t))。幾何關系如圖3、圖4 所示。

圖3 區域簡化示意圖Fig.3 Simplified schematic diagram of the area

圖4 縱剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of longitudinal section

Q(t)為t時刻，點P 在球面上的投影點；H(t)為t時刻，點P 在球面上高度；定義lPmax為Q 點與四個頂角產生的最大弧，則有如式（1）所示：

α為lPmax對應的圓心角，則有如式（2）、式（3）所示的關系：

此時可得出當某一時刻t時，無人機高度h≥H(t)。

根據微波信號衰減規律，信道距離越長，衰減越強，故無人機應當保持在一個合適的高度，不能一味升高。由式（1）、式（2）可得，無人機路徑應在一漏斗狀空間內。當Q 點落在區域中心時，lPmax達到最小為50km，對應無人機高度為197m。

2.5 下一步研究方向

盡管本文所討論的基于無人機平臺的中繼通信網絡有實際構建的可行性，但研究過程中仍有部分問題還需要更深一步的研究，主要體現在以下幾點：

（1）在拓撲結構構建中，地面車載平臺與基站間的通信和無人機姿態遙控信號兩者是區分開來的，下一步研究中可將兩個信號用一條信道傳輸，提高頻率資源利用率，同時，節省機上載荷能量。

（2）由于基站位于近地高空，因而其天線模型與地面通信的天線模型是有很大差別的，良好的天線模型設計能夠極大提高傳輸的信干燥比，本文在討論機上載荷時并未進行深入分析，這對與實際系統性能還是有一定影響，因而天線模型設計有待進一步研究。

（3）目前提到的無人機，影響其能力的一個重要因素就是續航能力。要構建空中基站，要考慮的不僅僅是無人機續航，還有機上荷載部分各設備續航能力。較為成熟的是高能鋰離子電池能源技術，但續航仍然是硬傷，目前在無人機領域前沿的技術有無人機光能充電和無線磁共振能量傳輸技術。針對無人機平臺的能量支持問題可作為下一步深入研究的方向。

3 結語

以微小型無人機作為中繼平臺的中繼通信網絡相比較傳統的通信網絡有很大優勢，尤其在應急救災及其他特別的應用場景中，其擁有不受地形限制、機動能力強、部署靈活的特點，已經讓基于無人機平臺的通信網絡成為當下的一個研究熱點。本文設計討論了一種基于無人機平臺的中繼通信系統構建模式，另外，通過對地圖簡化處理，分析了一般情況下的無人機路徑。為今后對以高空平臺為基礎的通信網絡深入驗證及構建提供一個雛形。

引用

[1] 張鵬,陳金鷹,黃巖.突發自然災害與應急通信[C]//四川省通信學會.四川省通信學會2008年學術年會論文集,2008:4.

[2] 常思維.計算機網絡通信技術及發展趨勢研究[J].科技致富向導,2013(24):128.

[3] 方旭明,林楷,張雪竹,等.無線與移動網絡結構[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[4] 禤嘉亮.無線中繼系統信息與能量同傳資源分配優化算法研究[D].廣州:廣州大學,2016.