受限條件下5G信號質量對多無人機電力巡檢路徑規劃的影響研究

摘要：本文針對5G通信環境下無人機路徑規劃優化問題進行了研究。考慮到5G信號的寬帶特性和通信衰減模型的影響，提出了一種結合信號衰減和無人機續航能力的路徑規劃方法。在仿真分析中，首先建立了5G信號的衰減模型，并利用該模型對飛行路徑進行優化，同時引入適應度函數對路徑規劃的質量進行評估。結果表明，通過5G信號環境下的優化策略，無人機能夠有效應對信號衰減的挑戰，實現最優路徑規劃，提升任務完成效率。期望該研究能夠為無人機在5G網絡環境下的應用提供理論支持，為未來的通信技術和無人機協同作業提供實踐參考。

關鍵詞：5G通信；信號衰減；路徑規劃；無人機

引言

隨著5G通信技術的不斷發展，低延遲和高帶寬的優勢使其在無人機領域的應用成為可能。特別是在電力巡檢、監控等任務中，無人機不僅需要處理復雜的飛行路徑規劃問題，還要面臨通信信號覆蓋和穩定性的挑戰[1]。傳統的無人機路徑規劃多依賴于固定的通信環境，而在5G網絡環境下，信號的衰減效應和帶寬的影響對路徑規劃有著重要的制約作用[2]。本研究通過仿真分析，深入探討了5G通信對無人機路徑規劃的影響，并提出針對性的優化方法，為未來無人機在5G網絡環境下的應用提供了理論指導[3]。

1. 電力巡檢場景下5G信號質量分布建模

隨著5G技術的廣泛應用，在電力巡檢中對信號質量的要求更為嚴格，因此，本文深入探討了5G信號的帶寬、信號傳播損耗、網絡覆蓋性能等方面[4]。具體來說，本文研究了在城區宏站（urban macro，UMa）場景下的5G信號傳播模型，考慮了視距傳播（LOS）與非視距傳播（NLOS）的結合，并分析了帶寬和模型寬度如何影響信號的覆蓋與路徑損耗。5G信號的傳播模型主要通過以下公式進行描述，即

式中，LdB為路徑損耗（單位：dB），d是信號傳播的距離（單位：米），n是路徑損耗指數，A是常數項，代表其他環境因素的影響。在5G信號的傳播中，信號質量不僅受到傳播距離的影響，還與網絡帶寬的要求密切相關，帶寬越大，信號的衰減越明顯。

式中，BW為信號的帶寬，C為信號的容量，SNR為信噪比。該公式表明，在同樣的信噪比條件下，帶寬越大，信號的容量也越大，意味可以傳輸更多的數據。然而，帶寬的增加也可能導致更高的路徑損耗，因此，在5G網絡部署中需要平衡帶寬和信號強度，以確保穩定的通信質量。通過分析不同帶寬需求對信號質量的影響，可以更精確地預測電力巡檢場景下的信號覆蓋情況，并根據實際需求進行優化調整。例如，在變電站區域內，由于信號傳播可能受到建筑物、設備等遮擋，非視距傳播會顯著增加[5]。

2. 信號約束下的多無人機電力巡檢路徑規劃

針對多無人機電力巡檢路徑規劃問題，本文提出了一種基于遺傳算法的路徑優化方法，結合5G信號質量和飛行路徑約束條件，如圖1所示。

在電力巡檢的實際應用中，無人機的航跡規劃不僅需要考慮飛行距離，還須充分考慮信號質量、帶寬需求和網絡覆蓋等因素，尤其在使用5G網絡進行實時數據傳輸時，信號的穩定性和帶寬的要求對路徑選擇有重要影響。遺傳算法是一種基于自然選擇和遺傳機制的優化算法。在考慮信號約束的情況下，適應度函數可以表示為

式中，PathLength是無人機飛行的總距離，PathLoss是信號衰減，反映了信號的衰減程度，a和β是權重系數，用于調節飛行距離和信號質量對路徑選擇的影響。為計算信號損耗，考慮到5G信號的視距傳播（LOS）與非視距傳播（NLOS）特點，路徑損耗公式可以改為

式中，n是路徑損耗指數，通常取值范圍為2到4，d是變電站設備之間的距離，在5G網絡中，路徑損耗與帶寬需求密切相關，因此，在不同的傳輸條件下，信號質量的衰減程度有所不同。此外，考慮到最大路徑損耗值對信號質量的影響，可以通過以下公式估算信號質量。其中，PLmax是最大允許路徑損耗，用于歸一化信號質量。該公式能夠綜合評估視距傳播和非視距傳播下的信號質量，為多無人機路徑規劃提供了有效的信號質量依據[6]。具體的飛行路程約束計算公式為

式中，Vmax是無人機的最大飛行速度，Tflight是飛行時間，Speed是巡檢過程中無人機的實際飛行速度。通過此公式，可以確保每架無人機在飛行過程中不會超過最大續航時間，避免因路徑過長而導致任務無法完成[7]。最終，綜合的適應度函數可以表示為

式中，γ是續航時間的權重系數，確保路徑規劃不僅滿足信號質量要求，還能在時間限制內完成巡檢任務。這種方法能夠有效地解決在復雜電力巡檢環境下，如何在保證信號質量的前提下優化無人機航跡的問題。Endurance 表示無人機的續航能力，通常由電池容量和飛行功率共同決定。它在路徑規劃中反映了無人機能夠持續飛行的時間長短，是優化航跡時需要綜合考慮的重要參數之一。

3. 仿真分析

本文研究主要聚焦在條件受限時5G通信環境下無人機的路徑規劃問題，特別是在通信帶寬、信號衰減、續航能力的影響下，如何優化無人機的飛行路徑。與傳統的飛行路徑規劃問題不同，5G網絡的信號質量和帶寬限制對路徑規劃有著直接影響，因此，需要引入5G信號衰減模型來綜合評估無人機在不同信號環境下的飛行效果。

3.1 信號衰減模型與路徑規劃

在5G通信環境中，信號衰減是影響通信質量的主要因素。信號衰減（PathLoss）可以通過以下公式計算，即

式中，PathLoss（d）表示在距離處的信號衰減值，PathLoss（d0）為參考距離d0處的信號衰減值，n為環境因子（通常取值為2到5之間），而d為飛行距離。通過這個模型，能夠模擬無人機飛行過程中，信號隨距離增加而衰減的情況。為保證無人機能夠在5G通信網絡下順利執行任務，需要考慮路徑規劃時的信號衰減和飛行高度的影響。假設無人機的飛行高度與變電站的設備高度相同，那么其通信質量也會受到飛行路徑中信號衰減的影響。為對信號衰減進行評估，還需要考慮飛行路徑的優化，使無人機在路徑規劃中選擇信號質量較好的路線，從而提高任務執行的效率[8]。

3.2 適應度函數

為綜合考慮信號質量和無人機的續航能力，本研究提出了一個綜合適應度函數（fitness function），該函數結合了信號衰減和續航時間（endurance）兩方面的因素。適應度函數可以表示為

式中，W1和W2分別是信號衰減和續航時間的權重系數，PathLossmax為最大允許的信號衰減，Endurancemax為無人機最大續航時間。信號衰減部分通過計算路徑上的每個點的衰減值，結合實際通信需求來進行優化。續航時間部分則考慮了無人機的最大飛行時間，確保路徑規劃不會超過其續航能力。此外，適應度函數中還考慮了其他因素，如飛行速度（Vsalesmen）、角速度（（Wsalesmen）、加速度（（Asalesmen）等，這些因素會影響無人機的飛行時間和路徑選擇[9]。

3.3 模型參數設定

在進行仿真分析時，需要根據實際的飛行環境和任務需求設定一系列系統參數，這些參數對路徑規劃的優化至關重要。本次仿真所使用的關鍵系統參數如表1所示。

3.4 仿真結果分析

通過設定以上參數，仿真結果可以幫助評估在不同信號條件下無人機飛行路徑的合理性。特別是在5G網絡環境中，通信帶寬和信號衰減對路徑規劃的影響尤為重要。根據實驗結果，信號衰減較大的區域會導致無人機飛行速度和續航時間的下降，從而影響整體任務的完成效率。最終，適應度函數的優化過程不僅保證了路徑的最優性，同時也確保了任務能夠在規定的時間和電量限制內完成[10]。

4. 結果

通過5G信號衰減模型計算，發現信號衰減在遠距離和高樓層環境中顯著增加，影響無人機的飛行效率和通信穩定性。實驗中，使用Pathloss模型估算信號衰減，在信號衰減較大的區域優化飛行路徑。適應度函數結合了信號衰減和無人機續航能力，通過優化權重系數找到最優路徑。仿真結果表明，優化后的路徑有效減少了信號衰減的影響，確保任務順利完成。在信號較差區域，適應度函數增加續航能力權重；在信號良好區域，選擇較短路徑提高效率。優化后的路徑規劃不僅提高了飛行效率，還確保了信號質量和任務完成率，尤其在5G網絡環境下，考慮信號衰減使路徑規劃更加精準。

5. 案例分析

國網河南省駐馬店供電公司采用5G技術優化無人機巡檢路徑。在該案例中，通過對不同區域信號衰減情況的分析，得出了如下信號強度與飛行路徑的優化數據。優化路徑涉及信號衰減模型和遺傳算法的結合，具體應用過程如下：在前文所述公示為遺傳算法優化提供基礎數據的前提下，通過自由空間傳播模型（FSPL）計算每個區域的信號衰減，并根據衰減程度調整路徑。例如，區域D的信號衰減較大（9dB），通過路徑調整，使飛行時間減少28%。模型公式為

L（d）=20log10（d）+20log10（f）+20log10（4π/c）

式中，L（d）表示信號衰減，單位為dB。d表示信號傳播距離，單位為米，f表示信號頻率，單位為Hz，c表示光速，值為3×108m/s。在該案例中，重點在于單一區域內的信號衰減具體計算及路徑調整策略。使用自由空間傳播模型（FSPL）的公式。主要為了針對不同飛行距離d、信號頻率f和光速c下，準確評估信號衰減值L（d），從而直接指導路徑優化的局部調整。

遺傳算法通過模擬自然選擇優化飛行路徑，減少不必要的飛行。通過信號衰減計算和遺傳算法優化路徑，任務效率提高。優化前后的數據對比如表2所示，數據表明，特別是在信號損失較大的區域（如區域D），優化后的路徑減少了23%的巡檢時間。

信號衰減模型和遺傳算法的結合使得巡檢任務的效率顯著提升，優化后的路徑有效減少了飛行時間，并確保信號穩定，展示了算法的實際應用效果。

結語

本文研究通過結合5G通信技術，探索了在5G信號環境下的無人機路徑規劃優化問題。通過建立信號衰減模型，并引入適應度函數對飛行路徑進行優化，研究表明，5G網絡的高帶寬、低延遲特性為無人機提供了更加穩定的通信保障。在信號衰減的影響下，無人機的飛行效率和續航能力得到了有效的平衡。通過仿真分析，證明了優化后的路徑規劃能夠在5G通信帶寬下顯著提高任務完成效率與穩定性。本文研究為未來無人機在復雜通信環境下的應用提供了重要參考，也為5G通信技術在無人機領域的實際應用奠定了基礎。

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作者簡介：牛磊，碩士研究生，工程師，821659904@qq.com，研究方向：變電運維；宗欣妍，本科，助理工程師，研究方向：電氣試驗。