5G 無人機異構網絡應急通信全覆蓋算法設計研究

陳金利，陳 捷，陳國安

（三維通信股份有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

現階段，5G 技術在無人機中的應用日益廣泛。在現有的技術條件下，通過傳輸節點優化部署控制的方式可顯著提升5G無人機異構網絡的應急通信能力，這對于增強無人機功能具有重大意義。基于此，文章研究并設計5G無人機異構網絡應急通信全覆蓋算法，以進一步改進全覆蓋算法，減少無人機航行能耗并提升通信覆蓋效率。

1 應急通信全覆蓋模型設計

1.1 模型應用場景

無人機能夠滿足多種應急條件下的運行要求，如發生自然災害導致地面基站無法正常工作時，可將無人機作為空中基站建立應急通信網絡，以實現5G 技術條件下的全覆蓋。假設目標區域的尺寸為L×M，無人機保持固定的飛行高度H，確保能夠全面覆蓋臨時基站的目標區域。此時無人機可滿足半徑r范圍內的通信要求。

1.2 應急通信全覆蓋模型算法

由于自然地質災害可能會引發建筑物倒塌等嚴重問題，導致地面接收端采集的信號數量嚴重不足。為滿足正常的通信要求，可利用信道增益功率強化模型來增強信號處理效果，計算公式為

式中：h(t)表示信道的增益功率；β表示1 m 標準長度下的信道功率增益情況；d-2(t)表示t時刻無人機與地面用戶的距離。

無人機對地面的覆蓋區域會隨時間變化而發生改變。在空間變化的情況下，必須確保無人機能與地面持續進行數據傳輸，使無人機異構網絡在應急通信中實現全覆蓋。假設整個覆蓋時間為t0，只有當地面用戶與無人機之間的關聯時間大于t0時，才能確保二者之間建立有效的通信聯系[1]。無人機異構網絡應急通信全覆蓋如圖1 所示。

圖1 無人機異構網絡應急通信全覆蓋示意

由圖1 可知，當用戶位于陰影部分時才能與無人機建立穩定的通信聯系。若邊界用戶Z 可以實現正常通信，則能確保整個陰影區域內的用戶實現正常通信。

為實現高質量的通信效果，需要重點關注邊界用戶Z 的通信質量。用戶Z 的可達速率計算公式為

式中：Rl(t)表示用戶的可達速率；N0表示邊界用戶的噪聲功率；PU表示無人機的發射功率；B1表示信道l的帶寬。

為滿足異構網絡應急通信全覆蓋的要求，應確保無人機能保持恒定的速度飛行，此時無人機的消耗功率是影響通信質量的重要因素。由于在自然災害發生時用戶大量集中，無人機需要在用戶較多的位置實現懸停，以提供更好的通信支持。無人機異構網絡應急通信全覆蓋中的能量消耗計算公式為

式中：v表示無人機的飛行速度；Ph表示無人機懸停飛行狀態下的功率情況；Tt表示無人機完成異構網絡應急通信全覆蓋任務所需的時間；表示無人機的航行時間；表示無人機懸停時間；Pc表示無人機航行期間的通信功率值。

2 基于混合策略的全覆蓋路徑規劃算法

為滿足無人機在5G 狀態下的異構網絡應急通信全覆蓋要求，文章研究并提出了一種基于混合策略的路徑規劃算法，即在常規二維算法的基礎上拓展至三維，從而確保無人機對應急通信條件具有良好的適應能力[2]。

2.1 綜合運動函數設定

綜合運動函數主要分為2 個部分，即位置函數與轉向信度函數。位置函數可區分未覆蓋的柵格、已覆蓋的柵格、障礙物，目的是確保無人機在自然災害條件下有良好的空間適應能力。轉向信度函數則可引導無人機向未覆蓋區域飛行，并提供平直的航行路徑。

為實現綜合運動函數的設定，構建地圖成為無人機路徑規劃的關鍵步驟。常見的設定綜合運動函數的方法有柵格法、拓撲法、單元分解法等。其中，柵格法具有操作簡單、空間適應能力強等優點，滿足自然災害發生后的現場條件劃分情況[3]。該方法的核心是將自然災害處置現場的工作環境劃分為多個站點，并通過針對性的位置函數對每個柵格進行賦值。這樣無人機便可根據區域的賦值情況有效移動，確保架構中的邊界用戶Z 始終能夠獲得穩定的通信支持。在設計柵格時，柵格過大會導致分辨率偏低，無法真實反映現場情況；分辨率過小會導致計算量變大。基于次，本研究采用1 m×1 m 的柵格建模方式，將自然災害現場劃分為若干個標準柵格。

第一步，位置函數的設定。確定柵格位置后，在計算中對柵格進行分支。假設無人機的位置函數為Xi,j，i與j分別表示柵格中的行與列。當Xi,j=1 時，表示柵格尚未實現覆蓋；當Xi,j=0.5 時，表示柵格已完成覆蓋；當Xi,j=-1 時，表示柵格為障礙物。在應急通信全覆蓋算法中完成柵格分類后，即可監測無人機的飛行路徑情況，確定任意航點的對應位置，并與柵格中相應的坐標相匹配。

第二步，綜合運動函數的實現。根據無人機在自然災害區域的航行要求，在綜合考慮位置函數可行性的基礎上，重新定義無人機飛行的運動函數，并將其作為無人機運動的重要評估依據。在無人機運動中，假定無人機始終向未覆蓋區域移動，則可以選擇運動函數中最大的節點作為無人機下一次運動的方向。

2.2 A-star 算法路徑選擇

作為一種啟發式算法，A-star 算法在無人機運動方案設定中能夠快速有效地確定任意待選節點。通過綜合分析任意節點的價值，選定代價最小的節點作為無人機下一步的運動方向。無人機作為一種能量有限的飛行器，在自然災害發生后進行路徑規劃時，必須充分考慮其能耗等方面的問題。為最大限度地滿足應急通信信號的全覆蓋要求，文章將A-star 算法作為降低無人機航行能量消耗的關鍵環節。結合文章提出的柵格數劃分方案，在A-star 算法中設定了運動設計目標，即從當前節點到達任一未覆蓋節點的路徑長度應為所有未覆蓋節點中最短的節點。這樣的設計能使無人機有效規避障礙物或其他可能影響信號覆蓋的特殊位置，從而最大限度地提升無人機的通信覆蓋效果[4]。

文章設定的A-star 算法路徑方案包括以下幾個關鍵步驟。

步驟一，無人機在航行期間利用最短歐式距離原則檢索相鄰的未覆蓋區域節點。

步驟二，計算無人機在當前位置航行至目標區域的距離，并根據不同工況選定最小航行距離。

步驟三，在計算中判斷無人機“最小航行距離≤最短歐式距離”的條件是否成立，若判定條件成立，則將對應節點視為最近節點，并控制無人機向該節點運動；若不成立，則進行步驟四。

步驟四，按照無人機的最短歐式距離標注新增柵格，并回到步驟一重復運算，直至“最小航行距離≤最短歐式距離”的條件成立。

3 仿真實驗分析

3.1 仿真實驗的設置方案

為進一步驗證文章所提方案的合理性，結合自然災害發生后的實際情況，將仿真環境設定為某災害發生后的矩形目標區域，尺寸為3.5 km×3.0 km，且目標區域內的用戶呈隨機分布狀態。

在無人機對目標區域進行巡航期間，為滿足用戶通信的基本要求，應確保無人機始終滿足勻速飛行要求，并通過柵格法記錄無人機的飛行軌跡。在本次仿真中，假設無人機從仿真區域的邊界位置開始飛行，能夠完成對所有路徑點的巡視任務，并采用直線航行的方式前往補給點補充電能[5]。

3.2 仿真實驗結果判斷

在本次仿真實驗中，密切觀察了無人機的運動軌跡變化情況，并記錄其在目標區域內的總消耗和巡航效率。在仿真設置中，目標區域被劃分為柵格，柵格的尺寸為519 m×519 m，并確保無人機能始終以10 m/s 的速度進行標準航行，整個現場共設定了6 個用戶重點分布的區域。

基于仿真條件設定方案可知，無人機從最靠近坐標原點的位置出發后，能夠以螺旋方式完成整個區域的有效覆蓋，并針對用戶集中的重點區域均實現最低能耗覆蓋。仿真結果顯示，當任意單元格中存在重點區域時，無人機能夠選擇從上一個單元格巡航到下一個單元格并懸停，以覆蓋重點區域的最短路徑。

3.3 仿真結果對比

為驗證文章所提方法的合理性，將該方法與無人機多播覆蓋路徑規劃算法進行對比。對比結果顯示，文章所提方法更具合理性。

對比結果顯示，當50 個檢測路徑均完成檢測時，無人機多播覆蓋路徑規劃算法下的無人機能量消耗達到5.02×105J，文章所提新方法的能量消耗為4.76×105J。顯然文章所提方法在降低無人機能耗方面具有較好效果。由于無人機多播覆蓋路徑規劃算法在仿真中通常需要借助懸停通信協議來輔助通信，顯著增加無人機在路徑上的能量消耗。但文章所提方法成功省去了該步驟，從而達到了令人滿意的效果。

在比較無人機巡航通信覆蓋效率的相關數據中發現，當無人機的巡航時間達到3 600 s 時，采用無人機多播覆蓋路徑規劃算法完成的路徑點數為61 個，而采用文章所提方法可完成79 個點數的巡航。因此，文章所提方法具有更高的巡航通信覆蓋效率。由于無人機多播覆蓋路徑規劃算法受信號覆蓋效果不理想等問題影響，導致在巡航期間更傾向局部巡航效率最大化。而文章提出的新方法有效解決了上述問題，因此可有效保障巡航效率。

4 結 論

文章提出的5G 無人機異構網絡應急通信全覆蓋算法具有操作可行性，在一定程度上解決了現有技術方案中存在的無人機能耗高、巡航通信覆蓋效率低等問題，具有一定的推廣價值。未來，需要進一步拓展異構網絡全覆蓋算法的技術內容，汲取機載無線紫外光通信區域覆蓋理論等其他成功經驗，為全面提升無人機系統功能奠定基礎，使無人機發揮更大的作用。