無人機(jī)通信中繼和通信網(wǎng)性能的仿真研究

應(yīng)志江+楊先進(jìn)+余向森+黃中華+高昱峰+徐塑+劉承林+劉雅彬

（1國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司；2浙江南瑞飛翼航空技術(shù)有限公司）

摘 要：隨著技術(shù)的發(fā)展，多無人機(jī)的通信應(yīng)用越來越受到人們的重視。由于巡檢無人機(jī)通信距離短，通信信號(hào)可能會(huì)因環(huán)境而中斷，導(dǎo)致無人機(jī)無法繼續(xù)作業(yè)。為解決上述問題，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于電力巡檢的無人機(jī)通信中繼系統(tǒng)，解決了電力巡檢無人機(jī)在山區(qū)、森林等復(fù)雜區(qū)域巡檢作業(yè)時(shí)的通信問題。

本文系統(tǒng)闡述了無人機(jī)中繼通信中的關(guān)鍵技術(shù)，在研究現(xiàn)有協(xié)作中繼選擇技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)無人機(jī)中繼通信，建立了無人機(jī)中繼通信模型，提出了協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)選擇算法以及自適應(yīng)中繼傳輸方案，并進(jìn)行了仿真。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；協(xié)作通信；中繼節(jié)點(diǎn)選擇

引言

隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)在飛行高度、續(xù)航時(shí)間等方面有很大的提高。在無人機(jī)組網(wǎng)通信中，無人機(jī)作為中繼進(jìn)行通信有很大的優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)中繼通信實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)與地面站的數(shù)據(jù)鏈路暢通，促進(jìn)了無人機(jī)在輸電線路巡檢工作中的深化應(yīng)用。

1、中繼基站通信概述

1.1地面站及其功能

地面站作為無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心，主要控制任務(wù)是監(jiān)測(cè)飛行器飛行狀態(tài)和機(jī)載有效載荷的工作狀態(tài)，保證無人機(jī)能順利安全的執(zhí)行任務(wù)，與地面站的可靠性有著莫大的關(guān)系。無人機(jī)上的機(jī)載傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)格式將這些數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并轉(zhuǎn)換成實(shí)際控制指令傳遞給蛇機(jī)電調(diào)等實(shí)際的無人機(jī)部件上，按照正確的軌跡飛行并能到達(dá)正確的預(yù)定目標(biāo)點(diǎn)。

1.2中繼基站通信方式

在制高點(diǎn)建設(shè)通信中繼基站，通過通信中繼基站實(shí)現(xiàn)無人機(jī)信息的雙向傳輸。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)組之間以及無人機(jī)組與地面基站之間的通信連接、數(shù)據(jù)傳輸和信息同步，該方案更適合在廣闊的在高山和建筑物阻擋的環(huán)境下野外環(huán)境中使用。為了滿足這些通信的要求，該中繼系統(tǒng)搭載到具備高度機(jī)動(dòng)性的平臺(tái)-無人機(jī)，見圖1實(shí)現(xiàn)超視距傳輸，可滿足指揮、控制和信息交流等多種需求。

圖1、無人機(jī)中繼通信網(wǎng)絡(luò)

1.3無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的通信業(yè)務(wù)

地面控制中心和無人機(jī)之間的通信信道，需要中繼終端再轉(zhuǎn)發(fā)給地面測(cè)控車載終端，地面測(cè)控車的控制指令也通過塔架中繼終端轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)機(jī)終端，控制任務(wù)機(jī)的工作狀態(tài)。從無人機(jī)發(fā)送到地面控制中心，主要傳輸無人機(jī)自身工作狀態(tài)和位置等一些基本信息，必須對(duì)無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的移動(dòng)性管理，需要用專用的高速數(shù)據(jù)鏈路與控制站相連接，采用超視距通信中繼可以包括語音、數(shù)據(jù)等的中繼。

2、中繼過程中的路徑規(guī)劃

2.1中繼建模

2.1.1搜索狀態(tài)的路徑?jīng)Q策

中繼信道的存在使得該通信系統(tǒng)在節(jié)省功耗同時(shí)，還可以對(duì)抗信道的深衰落。作為無人機(jī)中繼任務(wù)的信息發(fā)送端或接收端，地面人員可以看作是一個(gè)可移動(dòng)的地面通信節(jié)點(diǎn)。無人機(jī)的通信中繼和提供個(gè)人通信功能可能成為其重要應(yīng)用之一，無人機(jī)獲取的偵察信息實(shí)時(shí)地分發(fā)給人員，實(shí)施信息搜集和精確打擊等多項(xiàng)任務(wù)， 每個(gè)子數(shù)據(jù)流分別進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)字調(diào)制，然后通過組網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)地面節(jié)點(diǎn)之間的信息交換并將信息傳回給后方指揮站。

2.1.2中繼狀態(tài)

由于無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性，可以將通信網(wǎng)看作是一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化的通信網(wǎng)絡(luò)，首先源指揮中心內(nèi)部需要共享待傳輸?shù)男畔?，從而來?gòu)成虛擬的分布式天線陣列，中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收源節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信息，經(jīng)過解調(diào)、解碼等得到源數(shù)據(jù)。在中繼狀態(tài)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不斷變化的，信息交互網(wǎng)絡(luò)中所有的信息傳輸?shù)奶鴶?shù)需要滿足一定的約束條件，通過優(yōu)化信息傳輸路由，使得網(wǎng)絡(luò)信息的平均延時(shí)最小，這種移動(dòng)趨勢(shì)，能夠盡快地減少信息傳輸跳數(shù)，同時(shí)將信息通過空中無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給每一架無人機(jī)，減小網(wǎng)絡(luò)深度，增加寬度，使得通信網(wǎng)絡(luò)有更多的路由選擇。

2.2協(xié)作通信的中繼選擇

2.2.1位置信息的中繼選擇技術(shù)

這種中繼選擇方案適用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，將已知自己和目的節(jié)點(diǎn)的物理位置信息。在通信初始發(fā)起階段，建立了協(xié)作關(guān)系后，通過選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，分享已知自己的物理位置信息。

2.2.2移動(dòng)終端的中繼選擇技術(shù)

基于物理位置信息的中繼選擇方法，選中繼節(jié)點(diǎn)通過接收到的RTS分組和CTS分組估計(jì)源節(jié)點(diǎn)到自身節(jié)點(diǎn)，需要所有中繼節(jié)點(diǎn)之間的信息交互，等待自己的定時(shí)器耗盡而處于偵聽狀態(tài)。不同的中繼終端的選擇方式，在每個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程中首先進(jìn)行信道估計(jì)，減低了由于進(jìn)行信道估計(jì)帶來的算法的復(fù)雜度，并且信道容量隨著放大因子的增加而增加。

2.2.3無人機(jī)組和基站數(shù)據(jù)仿真

仿真程序采用模塊化設(shè)計(jì)并使用C++語言實(shí)現(xiàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)的A-star尋路算法進(jìn)行導(dǎo)航，整個(gè)無人機(jī)組把數(shù)據(jù)同步傳輸給中繼所花時(shí)間減少為184s。中繼無人機(jī)傳輸數(shù)據(jù)到基站并與其完成數(shù)據(jù)交換，隨著查找覆蓋范圍的增大，中繼無人機(jī)組數(shù)據(jù)采集效率增長更快，并超過了全部采用搜救無人機(jī)組成的系統(tǒng)。

3、無人機(jī)中繼通信的發(fā)展前景

無人機(jī)中繼通信作為無人機(jī)的重要技術(shù)之一，在未來將有以下三方面的發(fā)展特點(diǎn)。多中繼通信，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化、模式通用，增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)兼容性、傳輸可靠，提高戰(zhàn)場(chǎng)安全性。中繼可以更及時(shí)地與基站交換數(shù)據(jù)，從而提高整個(gè)信息交換系統(tǒng)的效率，以滿足不同接入設(shè)備所要求的吞吐量和整個(gè)系統(tǒng)的性能。在通信網(wǎng)覆蓋的邊緣區(qū)域信號(hào)不穩(wěn)定或者出現(xiàn)突然中斷的情況下，提出的優(yōu)化算法可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏p少無人機(jī)組用于通信的時(shí)間。

結(jié)論

本文主要研究以中繼無人機(jī)為載體，分析其通信中繼基站的通信性能。無人機(jī)完成通信中繼任務(wù)過程中的搜索路徑規(guī)劃和通信性能優(yōu)化問題，地面計(jì)算機(jī)控制中心集成了數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和圖像接收設(shè)備。本文系統(tǒng)闡述了無人機(jī)中繼通信中的關(guān)鍵技術(shù)，改變無人機(jī)路徑選擇來提高通信網(wǎng)絡(luò)性能，進(jìn)而解決通信網(wǎng)絡(luò)失真及滯后等問題。最后，展望了無人機(jī)中繼通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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[4]王頂，王永生，孫榕.無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的研究[J].無線通信技術(shù).2016（01）.

作者簡(jiǎn)介：

1.應(yīng)志江，1968.7，漢，浙江，本科，工程師，研究方向：經(jīng)濟(jì)管理；

2.楊先進(jìn)，1982.5，漢，浙江，本科，高級(jí)工程師，研究方向：輸電線路；

3.余向森，1980.10，漢，浙江，本科，工程師，研究方向：輸電線路；

4.黃中華，1983.10，漢，浙江，本科，高級(jí)工程師，研究方向：輸電線路；

5.高昱峰，1982.10，漢，浙江，本科，工程師，研究方向：電氣工程及自動(dòng)化；

6.徐塑，1986.7，漢，浙江，本科，工程師，研究方向：電氣工程及自動(dòng)化；

7.劉承林，1956.5，漢，江蘇，本科，高級(jí)工程師，研究方向：電氣工程及自動(dòng)化；

8.劉雅彬，1981.8，漢，江蘇，本科，工程師，研究方向：電子技術(shù)。