無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中的資源優(yōu)化技術(shù)研究

苗建軍

（中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司 河北分公司，河北 石家莊 050081）

0 引 言

隨著無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟與完善，該技術(shù)的應(yīng)用范圍也實(shí)現(xiàn)了全面提升。然而在無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，一方面加大了區(qū)域內(nèi)蜂窩網(wǎng)絡(luò)資源的供給壓力，另一方面也面臨著嚴(yán)峻的信號(hào)干擾問(wèn)題，因此無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中資源優(yōu)化技術(shù)成為該領(lǐng)域的主要研究方向。結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，就無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中資源優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行分析，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域從業(yè)者提供有價(jià)值的參考和幫助。

1 無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)概述

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)在軍用、公共以及民用領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。在通信技術(shù)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)既能夠作為一種輔助設(shè)備來(lái)協(xié)助傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，同時(shí)也能夠作為通信設(shè)備搭建無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化與創(chuàng)建通信網(wǎng)絡(luò)的作用。眾所周知，無(wú)人機(jī)具有部署便捷、配置靈活以及成本低廉的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因此在通信領(lǐng)域具有十分凸顯的應(yīng)用價(jià)值。首先，無(wú)人機(jī)能夠在自然災(zāi)害發(fā)生后第一時(shí)間迅速進(jìn)入救災(zāi)區(qū)域，并作為空中基站搭建通信網(wǎng)絡(luò)，從而恢復(fù)災(zāi)區(qū)的通信服務(wù)功能[1]。其次，在一些數(shù)據(jù)流量激增的區(qū)域，如體育賽事、演唱會(huì)等環(huán)境下，通過(guò)無(wú)人機(jī)來(lái)搭建臨時(shí)基站同樣能夠增強(qiáng)區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)得到承載力，并保障通信服務(wù)功能的穩(wěn)定。最后，無(wú)人機(jī)還能夠作為通信網(wǎng)絡(luò)的延伸，通過(guò)將無(wú)人機(jī)作為空中基站來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)薄弱區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，從而提升通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍?？偠灾?，無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用滿足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的通信服務(wù)需求，同時(shí)也推動(dòng)了電子通信技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。

2 無(wú)人機(jī)通信鏈路形式及其特點(diǎn)

2.1 Wi-Fi鏈路

在無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)構(gòu)建中，Wi-Fi鏈路是最為基礎(chǔ)和原始的通信鏈路方式。Wi-Fi鏈路相比其他鏈路方式在數(shù)據(jù)傳輸速度以及傳輸容量方面均有著十分理想的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)⒊瀹嬞|(zhì)傳輸?shù)降孛婵刂破髦?，因此能夠滿足更高的通信需求。值得注意的是，由于Wi-Fi鏈路的連接質(zhì)量受到路由器覆蓋范圍的影響與制約，一旦無(wú)人機(jī)飛行距離超出一定距離后便會(huì)導(dǎo)致通信信號(hào)質(zhì)量的下降，因此Wi-Fi鏈路也更多應(yīng)用于短距離通信需求中[2]。

2.2 中繼鏈路

在無(wú)人機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)也實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新與進(jìn)步，其中中繼鏈路是只承載標(biāo)記數(shù)據(jù)的干線鏈路，特別是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的中繼鏈路形式實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)長(zhǎng)距離的通信服務(wù)功能?，F(xiàn)階段，在一些監(jiān)測(cè)和勘察領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)往往需要飛行較遠(yuǎn)的距離，這時(shí)便對(duì)無(wú)人機(jī)通信的鏈路連接質(zhì)量提出了更高的要求。蜂窩基站作為一個(gè)中繼點(diǎn)能夠大幅提升無(wú)人機(jī)與地面控制器之間數(shù)據(jù)傳輸距離，從而滿足了長(zhǎng)距離無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)的通信需求[3]。除蜂窩網(wǎng)絡(luò)外，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也能夠作為無(wú)人機(jī)和地面控制器之間信息傳輸?shù)闹欣^站，因此中繼鏈路是目前無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)構(gòu)建的重要形式。

2.3 云端鏈路

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛，而無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)也是復(fù)雜多樣，因此經(jīng)常會(huì)遇到同一飛行任務(wù)中存在短距離Wi-Fi傳輸以及長(zhǎng)距離中繼傳輸2種形式，這便對(duì)無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的構(gòu)建提出了新要求。在此背景下，通信技術(shù)人員提出基于云端虛擬服務(wù)的云端鏈路通信方式。云存儲(chǔ)是一種在線存儲(chǔ)的模式，即把數(shù)據(jù)存放在通常由第三方托管的多臺(tái)虛擬服務(wù)器中，而在非專屬服務(wù)器上的優(yōu)勢(shì)為能夠基于客觀環(huán)境的改變選擇最為合理的鏈路方式，并保障通信功能的良好穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。除此之外，云端虛擬服務(wù)還具備極高的計(jì)算能力，并將過(guò)往無(wú)人機(jī)承擔(dān)的數(shù)據(jù)分析任務(wù)轉(zhuǎn)移到云端服務(wù)器中，從而降低了無(wú)人機(jī)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，并由此來(lái)提升無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力。

3 無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中的注意事項(xiàng)

3.1 GPS定位準(zhǔn)確控制

在無(wú)人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，必須時(shí)刻對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）定位，從而獲取準(zhǔn)確且全面的設(shè)備信息。而在無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，無(wú)人機(jī)GPS定位同樣十分重要，并且對(duì)于整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性有著深遠(yuǎn)影響。近年來(lái)，GPS全球衛(wèi)星定位更多地被應(yīng)用在無(wú)人機(jī)導(dǎo)航方面。GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)如圖1所示，有著全球性、全天候、連續(xù)性以及實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，具體而言，無(wú)人機(jī)作為空中中繼，當(dāng)其位置發(fā)生變化時(shí)往往會(huì)導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的變化，而這種細(xì)微的變化會(huì)在緊急情況下導(dǎo)致通信服務(wù)中斷，進(jìn)而給通信任務(wù)帶來(lái)嚴(yán)重影響[4]。例如，在搶險(xiǎn)救災(zāi)工作中，無(wú)人機(jī)GPS定位的精準(zhǔn)度不僅影響著通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，同時(shí)也是搶險(xiǎn)救災(zāi)工作的高質(zhì)、高效開(kāi)展的基礎(chǔ)，因此在無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中必須選對(duì)方法，注重GPS定位的精準(zhǔn)度。

圖1 GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

3.2 信號(hào)干擾問(wèn)題處理

無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中，一方面是存在著許多頻次的信號(hào)，從而導(dǎo)致了通信環(huán)境十分復(fù)雜；另一方面是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中還會(huì)受到許多客觀因素的影響，如干擾器會(huì)導(dǎo)致通信信號(hào)中斷或衰弱，并存在惡意竊聽(tīng)等行為。信號(hào)干擾按照其技術(shù)原理的不同分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩類，壓制式干擾是指發(fā)射的干擾信號(hào)遮蓋了無(wú)人機(jī)信號(hào)頻譜，令其通信接收機(jī)降低或完全喪失正常工作的能力，欺騙式干擾則為通過(guò)故意模仿無(wú)人機(jī)的通信信號(hào)，把模擬的假信號(hào)送進(jìn)無(wú)人機(jī)的通信網(wǎng)，導(dǎo)致其通信失誤或行動(dòng)上的錯(cuò)誤[5]。目前，在無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中應(yīng)當(dāng)十分重視信號(hào)抗干擾工作的落實(shí)與推進(jìn)，通過(guò)科學(xué)合理的抗干擾措施來(lái)保障通信質(zhì)量和安全的同時(shí)，也應(yīng)滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的無(wú)人機(jī)通信需求。

4 無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中資源優(yōu)化技術(shù)

4.1 無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)

在無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化中，無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)起到了十分理想的價(jià)值與作用，而該技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。

（1）無(wú)線路由協(xié)議。無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，因此導(dǎo)致了傳統(tǒng)路由器協(xié)議無(wú)法滿足通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行需求，這便需要對(duì)路由器協(xié)議進(jìn)行升級(jí)與創(chuàng)新，從而保障無(wú)人機(jī)通信鏈路的持續(xù)穩(wěn)定。

（2）系統(tǒng)服務(wù)。Mesh組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高帶寬、遠(yuǎn)距離的無(wú)線通信傳輸，并且還兼具理想的自檢功能以及電磁兼容性[6]。此外，Mesh組網(wǎng)技術(shù)還能夠通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信鏈路狀態(tài)的有效顯示，并大幅提升無(wú)線自組網(wǎng)通信系統(tǒng)平臺(tái)的服務(wù)水平和質(zhì)量。

4.2 仿真技術(shù)

無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的目的在于滿足人們的通信服務(wù)需求，因此強(qiáng)化信號(hào)傳輸指令和效率也是無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化工作的核心目標(biāo)。一直以來(lái)，無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化中更多的采用技術(shù)輔助方式來(lái)降低信號(hào)傳輸中的損耗問(wèn)題，而隨著無(wú)人機(jī)與地面控制器之間距離的不斷增加，這種信號(hào)損耗或衰減問(wèn)題也愈加凸顯。基于此，無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化應(yīng)當(dāng)以改善信道條件作為發(fā)展方向，并由此來(lái)確保信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性[7]。仿真技術(shù)的特點(diǎn)在于能夠?qū)π盘?hào)傳輸?shù)木嚯x以及損耗進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而時(shí)刻把控?zé)o人機(jī)飛行距離以及信號(hào)強(qiáng)度，由此達(dá)成無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的作用。

4.3 無(wú)人機(jī)安全技術(shù)

通信安全是無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)與前提，因此在無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化中還要注重?zé)o人機(jī)安全技術(shù)的應(yīng)用。具體而言，無(wú)人機(jī)安全技術(shù)主要包含以下幾方面內(nèi)容。

（1）軟件安全。不同無(wú)人機(jī)品牌都有專業(yè)的操作平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性則需要相關(guān)軟件具有極強(qiáng)的安全能力，避免因系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定而影響通信功能的發(fā)揮。

（2）通信安全。無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)受到多方面客觀因素的影響，不同的通信鏈路在抗干擾方面的能力也不相同，這時(shí)便需要采用加密通信協(xié)議的方式來(lái)規(guī)避干擾問(wèn)題，并保障通信的質(zhì)量與安全[8]。

（3）自我防護(hù)。自我防護(hù)是指無(wú)人機(jī)在特殊情況下的安全返回機(jī)制，當(dāng)遇到強(qiáng)烈信號(hào)干擾而失去控制時(shí)，能夠通過(guò)一鍵返航功能安全返回。

4.4 智能天線技術(shù)

目前，無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境十分復(fù)雜，不僅干擾因素眾多，同時(shí)也經(jīng)常因信道重疊而影響信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。智能天線技術(shù)是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的重要技術(shù)之一，其優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)o(wú)線列陣的信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)更加靈活地使用波束，達(dá)到規(guī)避信號(hào)干擾和提高頻率利用效率的作用。由此可見(jiàn)，智能天線技術(shù)對(duì)于無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化具有十分重要的促進(jìn)作用，并能夠保障通信服務(wù)的整體質(zhì)量[9]。

4.5 正交頻分復(fù)用技術(shù)

正交頻分復(fù)用技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)頻分復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)的并列傳輸，并且在抗多徑衰落方面有著較為凸顯的應(yīng)用效果，滿足了通信網(wǎng)絡(luò)中的多用戶接入需求。在無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中，正交頻分復(fù)用技術(shù)能夠有效解決信號(hào)之間存在的干擾問(wèn)題，從而使網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)的傳輸更加穩(wěn)定和高效。除此之外，正交頻分復(fù)用技術(shù)還與蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深層次的融合與創(chuàng)新，從而進(jìn)一步強(qiáng)化了信號(hào)的抗干擾能力，對(duì)于無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有十分積極的促進(jìn)作用。

4.6 構(gòu)建無(wú)人機(jī)安全網(wǎng)絡(luò)

首先，針對(duì)無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中存在的干擾要素，為保障通信功能服務(wù)質(zhì)量還需要構(gòu)建無(wú)人機(jī)安全防護(hù)網(wǎng)絡(luò)。具體而言，為提高無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的安全性，需要在網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)強(qiáng)化身份驗(yàn)證工作，如此才能確保用戶處于安全的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。其次，云端通信也是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化的重要途徑，即在安全協(xié)議的協(xié)同性基礎(chǔ)上進(jìn)行通信方式的有效切換提高通信信號(hào)的安全性[10]。最后，技術(shù)人員還要注重信號(hào)抗干擾能力的強(qiáng)化，通過(guò)技術(shù)升級(jí)來(lái)規(guī)避外界因素帶來(lái)的信號(hào)干擾問(wèn)題，并最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)安全穩(wěn)定傳輸?shù)哪繕?biāo)。

5 結(jié) 論

無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與成熟滿足了日益增長(zhǎng)的電子通信服務(wù)需求，而該技術(shù)應(yīng)用中面臨的資源緊張以及信號(hào)干擾問(wèn)題也需要得到進(jìn)一步的解決和優(yōu)化?；诖?，必須加強(qiáng)無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化技術(shù)的研究與創(chuàng)新工作，進(jìn)而充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的社會(huì)服務(wù)價(jià)值和作用。