【《无人机通信基本原理分析概述》4000字】

无人机通信基本原理分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u19216无人机通信基本原理分析概述 1179081.1.1无人机辅助无线通信系统的基本结构 1297921.1.2无人机通信系统存在的问题 38941.1.3无人机通信系统设计主要考虑因素 3245601.1.4无人机控制移动通信 5无人机辅助无线通信系统的基本结构由于其高机动性和低成本，无人机在过去的几十年中得到了广泛的应用。历史上，无人机主要被应用于军队，可以直接部署在敌方的领土上，以有效地减少战争中的人员损失。随着我国制造费用成本的不断下降和生产设备的日益微型化，小型自动驾驶无人机现在更加简单地为社会公众所理解和接触，因此，在民用和商业等领域已经出现了许多创造性的应用，如图2-1所示，其中最为典型的例子有天气监测、森林大火情况探测、交通管制、货物搬运、紧急抢险、通信转发等。图2-1无人机通信应用无人机可分为以下两类，可以根据具体应用来选择所使用无人机的类型：（1）固定翼无人机。其优点是具有高速和重载荷，缺点是必须保持连续前进才可以以保证其正常飞行，无法完成悬停动作，因此不适合于类似近距离检查这样的固定应用。（2）旋转翼无人机。其优点是能够向任何方向移动，并且在空中保持静止，缺点是其机动性和有效载荷有限。除了无人机之外，还有一种用于无线互联网连接的替代性解决办法就是通过高空平台(HAPs)，它们往往在地球表面上数十公里处的平流层上进行运动，基于高空平台的通讯具有涵盖范围较宽、持续时间长的特点。而基于无人机的低空平台(LAPs)无线通信有以下几个显著特点：（1）一种随需应变的无人机通讯系统，其设计成本更低、灵活性好、适应度高。（2）在低空无人机的协助下可以建立短距离视距通信链路，这可以使源和目的地之间的直接通信性能显著提高。（3）由于无人机具有很好的高机动性，通过对于无人机运行状况进行动态的调节，可以促使其更好地适应于通信的环境。此外，自适应式通信系统也可以联合无人机的机动监测和控制进行设计，以进一步改善通信系统的性能。因此，当一架无人机在使用地面终端需要使用良好的通讯信道时，除了以较高的频率进行传输外，还需要选择减少频率或者增加传输速度来保证维持良好的无线链路，从而将信号传输到更多地面终端。无人机低空基站平台的示意图如图2-2所示；低空无人机辅助地面通信网络的结构图如图2-3所示：图2-2无人机低空基站平台图2-3低空无人机辅助地面通信网络无人机通信系统存在的问题除了上文中提到的优点，无人机的无线通信也面临着一些新的设计挑战：（1）除了地面传统通信系统所使用到的正常通信链路之外，无人机系统还需要具备较严格的延迟和安全性能要求的控制和无载荷通信链路，以支持各种类似于实时控制和避免碰撞的等方面关键功能。这就需要针对无人机通信系统进行专门的资源管理与安全控制。（2）由于无人机通信系统的高机动性工作环境一般都会直接导致高动态的网络拓扑系统结构，因此，需要保证设计有效的多个无人机之间可以进行网络协调，以便于能够确保网络安全可靠地进行网络连接，这种部署方式也称为无人机群操作[6]。（3）因受到无人机的体积、重量和功率(SWAP)的限制，无人机网络的通信、计算和耐久能力都会受到严重的影响。为了有效地解决这些问题，需要对能量感知的无人机进行部署和操作管理机制，以便于补给和利用能源，实现智能化。（4）由于新型无人机的高速和可移动性，以及自身缺乏固定的后向通信链路和集中控制，受到无人机通信技术支持的空中基站相邻小区之间的干扰协调要比地面蜂窝系统更不便于管理和控制。因此，需要专门针对民用无人机辅助蜂窝网络覆盖用以有效的信号干扰管理技术。无人机通信系统设计主要考虑因素本节介绍无人机无线通信的主要设计考虑事项，下文将从无人机系统的路径规划、能量感知的部署和运行以及多输入多输出(MIMO)通信三个方面进行研究。（1）无人机部署与路径规划无人机系统的重要设计方面之一就是路径规划[10][11]。特别是对于使用无人机进行辅助通信，恰当的路径规划设计可以最大限度减少通信时间，对于增大通信容量至关重要。但是如何寻找最适当的无人机运行路径往往是一项非常具有挑战性的工作。一方面，由于使用无人机进行辅助通信任务的时候需要根据实际安排事先确定连续的无人机运行航迹，这一航迹优化问题本质上可以拆分为是无穷多个变量的优化问题；另一方面，轨迹问题通常也受到各种实际因素的约束，例如连接性、燃料限制、碰撞避免和复杂地形等因素，其中许多约束是时变的，难以精确地建模。无人机路径规划的一个有效方法是用离散时间状态空间近似无人机动力学，状态向量通常由三维坐标系中的位置和速度组成。然后通过状态序列给出无人机的飞行轨迹，这些状态序列受到有限的转移约束，以反映实际无人机机动性的局限性。从直观上来讲，无人机辅助通信时所需规划的最佳运行轨迹需要与实际的应用场景相互匹配。例如，对于使用无人机辅助蜂窝网络来实现信号大范围覆盖的情形下，就应该考虑在服务区之上联合部署配置一架以上的无人机，形成多无人机之间协同通信的网络，以便与地面用户共同协调来实现无线网络的实时通讯能力，其模型结构如图2-4所示;而对于使用无人机来辅助信息传递或采集数据的应用场景，只需要派遣一架无人机按照一定的方向顺序飞越该区域的地面节点即可完成数据的传递和采集。图2-4无人机辅助蜂窝网络覆盖（2）能量感知部署无人机机载能量有限的这一现实，从根本上制约了系统的性能和运行时间。这个问题可以通过两种方法来解决：一方面，需要部署有效的能量感知机制，以便及时补充机载能量，同时不会明显中断所支持的通信服务；另一方面，需要通过智能能源管理实现节能运营，即以最低的能源消耗完成任务。在对能量感知部署的这一技术层面上，一种最有效的解决办法是利用两架无人机之间的协同工作，以便实现无人机能量的及时连续补给；另一种方法是根据节约能源的思想，通过各种操作来降低无人机不必要的能源消耗。由于无人机所载的能源的主要目的和用途是支持飞机的动力推进和进行无线通信，所以节能的解决方案一般可分为两类：第一个是考虑到无人机每次移动时所产生的能源消耗，无人机的移动速度、方向、轨迹等相关运动因素都应该得到严格的把控。例如，不必要的飞机机动或上升会都消耗掉大量的能量，所以应该尽量避免此类飞行动作的发生。这种节能方案通常可以通过路径规划的优化来设计，选择合适的无人机速度、加速度、高度等，来完善无人机能耗模型函数。第二种节能方案是节能通信，其目的是在通信电路、信号传输等通信相关功能上以最小的能量消耗满足无人机通信要求。一种常见的方法是优化通信策略，以最大限度地提高能量效率(EE)。（3）多输入多输出通信多输入多输出技术由于其具有高频谱效率和优越的分集性能，在地面通信系统中已经得到了广泛的应用，其模型由图2-5所示，但其在无人机系统中的应用中仍然受到一些因素的影响。首先，由于在无人机的工作运行环境中十分缺乏散射信息，大大限制了MIMO的空间复用增益，相对于单天线系统而言，MIMO的空间复用增益通常只有很小的提高。另外，由于SWAP协议的限制，无人机的高信号处理复杂度以及硬件和功耗成本在增大了在无人机多天线的使用成本。此外，MIMO系统依赖于精准的信道状态信息(CSI)来实现其最佳性能。但在高动态环境下很难实现这一目标，这一因素进一步限制了无人机系统的实际MIMO增益。图2-5MIMO通信模型无人机控制移动通信利用无人机的高机动性可以有助于提高为无人机辅助通信的系统性能改进提供了新的思路，无人机控制移动的无线通信主要采用两个关键技术，即无人机移动中继技术和设备对设备(D2D)增强的无人机信息传播技术。中继技术是地面通信系统中一种广泛研究的技术，它可以提高系统的吞吐量和可靠性，扩大系统的服务范围。由于移动性有限和有线回程等因素的限制，地面系统中的大多数中继设置在固定位置，我们称之为静态中继，为了进一步利用无人机控制的机动性，可以采用支持无人机的移动中继策略。通过移动中继，无人机在源点和目的点之间连续飞行，以减少无人机信息接收和中继阶段的链路距离。无线中继按照网络结构的不同来进行分类可以分为两大类：两跳中继和多跳中继。（1）两跳中继模型中包括一个源节点、一个中继节点、一个目的节点，如图所示，信号从源节点发出，经过一个阶段的中继转发之后到达目的节点，这是最简单的中继转发模式，为了解决源节点和目的节点之间有障碍物或是距离太远而无法直接进行通信的问题。图2-6双跳中继模型（2）多跳中继模型中同样包括一个源节点和一个目的节点，但是具有多个中继节点，其结构如下图所示，信号从源节点发出，由第一个中继节点将信号转发给第二个中继节点，第二个中继节点再继续将信号转发给第三个中继节点，以此类推，直到信号被最后一个中继节点转发给目的节点。多跳中继的结构相比于两跳中继的结构有更大的通信范围，但同时也会造成资源及功率分配更复杂。图2-7多跳中继模型移动中继的另一种策略被称为数据传输或负载传递。使用这种策略，当无人机到达来源最近的可能位置时，从来源“装载”数据，带着装载的数据飞向目的地，然后将数据传送到目的地。由于数据传输比移动中继的通信时间短，因此其吞吐量有望降低。对于无人机信息传播，我们考虑这样一个场景:一架无人机飞过一个特定区域，将一个公共文件分发给大量的地面节点。一种较为简便的解决方法是让无人机反复发送相同的文件到不同的地面节点上，直到文件被全部的节点成功接收到。从中不难发现，这样的解决方案用到了大量的无人机重传，其性能严重受到地面终端的限制。而选择D2D增强的信息分发方案就可以有效地解决这个问题，如图2-8所示。在第一阶段，无人机在顺序飞过地面节点的同时广播适当编码的文件给地面节点。由于无人机是不断运动中的，每个节点与无人机