無(wú)人機(jī)攜能傳輸研究動(dòng)態(tài)*

曾永玲，黃 斐，楊 梅，吳允楨，張傳碩

（陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

隨著無(wú)線信號(hào)傳輸信息和能量的研究進(jìn)一步深入，攜能通信將成為無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。受當(dāng)前的硬件條件限制，無(wú)線攜能通信端到端傳輸效率低。同時(shí)，這也限制了攜能通信的發(fā)展。利用無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性可以在很大程度上解決攜能通信端到端傳輸效率問(wèn)題。并且在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上利用無(wú)人機(jī)解決通信裝備蓄電有限的問(wèn)題也未嘗不可。因此，無(wú)人機(jī)在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。

1 概述

1.1 無(wú)人機(jī)概述

近年來(lái)，隨著數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)的誕生進(jìn)一步加速了人們征服天空的進(jìn)程。無(wú)人機(jī)是一種“平臺(tái)無(wú)人，系統(tǒng)有人”的無(wú)人駕駛器[1]，在執(zhí)行枯燥、惡劣和危險(xiǎn)任務(wù)時(shí)，相比于有人機(jī)具有更大的優(yōu)勢(shì)[2]。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要體現(xiàn)在軍事、科研和民用三大領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)使現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)發(fā)生重大變革，在軍事行動(dòng)中，無(wú)人機(jī)常用于執(zhí)行空中偵察、監(jiān)視、電子對(duì)抗、戰(zhàn)略打擊、預(yù)警等任務(wù)。但是，隨著作戰(zhàn)任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，無(wú)人機(jī)載荷有限，處理信息的能力較弱，遂行軍事任務(wù)時(shí)也存在不少弊端。執(zhí)行任務(wù)的無(wú)人機(jī)已從單一模式向多無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，集群無(wú)人機(jī)在多任務(wù)、高效率上展現(xiàn)出更大優(yōu)勢(shì)[3]。在科研領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)可用于大氣探測(cè)、氣象觀測(cè)、試驗(yàn)新設(shè)備等。新設(shè)備的試驗(yàn)與測(cè)試具有太多的不確定性，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行測(cè)試，相對(duì)地降低人的危險(xiǎn)系數(shù)。利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行大氣探測(cè)，顯著地加強(qiáng)了我國(guó)在高原、沙漠、海洋等人跡罕至的地方的大氣探測(cè)能力，給我國(guó)氣候研究和天氣預(yù)報(bào)帶來(lái)了突破性的進(jìn)展。在民用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)更是催生了新的產(chǎn)業(yè)鏈。在服務(wù)業(yè)，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行物流配送和送外賣(mài)等，大大節(jié)約了人力資源；在農(nóng)業(yè)上，無(wú)人機(jī)用于播種、噴灑農(nóng)藥、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開(kāi)辟了新高度；在其他的一些領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)還可用于環(huán)境檢測(cè)、航拍測(cè)繪等?？偠灾瑹o(wú)人機(jī)的出現(xiàn)不但改變了現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)，也改變了人們的生活方式及工作模式，對(duì)當(dāng)代人有著極其深遠(yuǎn)的影響。

圖1 無(wú)人機(jī)分類(lèi)

無(wú)人機(jī)可按飛行方式、用途、航程、體積高度等多個(gè)角度進(jìn)行分類(lèi)。圖1按無(wú)人機(jī)的飛行方式、用途和航程進(jìn)行了簡(jiǎn)要分類(lèi)。無(wú)人機(jī)按飛行方式可分為旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)。旋翼無(wú)人機(jī)的操控性強(qiáng)，可垂直起降和空中懸停，一般用于執(zhí)行低空低速任務(wù)，譬如航拍、噴灑農(nóng)藥等。常見(jiàn)的旋翼無(wú)人機(jī)有Lutronix公司的Kollibri。固定翼無(wú)人機(jī)續(xù)航能力強(qiáng)，載重能力強(qiáng)，常用于對(duì)無(wú)人機(jī)性能要求高的軍事領(lǐng)域，譬如空中偵察、戰(zhàn)略打擊等。常見(jiàn)的固定翼無(wú)人機(jī)有Aero Vironment公司研制的“黑蜘蛛”，Sanders公司研制的微星無(wú)人機(jī)等。

無(wú)人機(jī)按用途可分為軍用和民用。隨著高科技武器在戰(zhàn)場(chǎng)的亮相，無(wú)人機(jī)在最近幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中捷報(bào)頻傳，無(wú)人機(jī)在作戰(zhàn)中的應(yīng)用得到高度重視。軍用無(wú)人機(jī)的高速高機(jī)動(dòng)性為戰(zhàn)場(chǎng)提供了極大的便利，常見(jiàn)的軍用無(wú)人機(jī)有我國(guó)的翼龍無(wú)人機(jī)，美國(guó)的 “全球鷹”等。在民用方面，無(wú)人機(jī)可用于農(nóng)業(yè)播種、噴灑農(nóng)藥、航拍視頻等。大疆、小米、零度等都是國(guó)內(nèi)著名的民用無(wú)人機(jī)生產(chǎn)商。

無(wú)人機(jī)的飛行能力也各不相同，無(wú)人機(jī)按航程可分為：＜50 km為近程無(wú)人機(jī)，50～200 km為短程無(wú)人機(jī)，200～800 km為中程無(wú)人機(jī)，＞800 km為遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)。

1.2 無(wú)線能量傳輸研究動(dòng)態(tài)

為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供方便和永久的能源供應(yīng)，無(wú)線能量傳輸是一種很有前途的解決方案。無(wú)線能量傳輸也稱(chēng)無(wú)線充電，通常是指電能從電源設(shè)備不需要導(dǎo)線連接傳輸?shù)截?fù)載的過(guò)程。在實(shí)際運(yùn)用中，無(wú)線能量傳輸可以通過(guò)各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如感應(yīng)耦合、磁諧振耦合和電磁輻射等方式。無(wú)線充電的應(yīng)用從智能手表到手機(jī)，從電動(dòng)汽車(chē)到無(wú)人機(jī)，無(wú)線充電的應(yīng)用還有更廣闊的前景。正是由于無(wú)線充電廣闊的發(fā)展前景，使得無(wú)線充電行業(yè)生機(jī)盎然。我們充分調(diào)研了近年來(lái)無(wú)線能量傳輸?shù)难芯楷F(xiàn)狀，表1是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外無(wú)線充電的部分研究動(dòng)態(tài)。

表1 無(wú)線能量傳輸研究動(dòng)態(tài)

由表1可以看出，短途的（＜1 m）電力傳輸一般使用近場(chǎng)電磁誘導(dǎo)（如電感耦合、電容耦合），而長(zhǎng)距離（幾公里左右）的電力傳輸則要使用遠(yuǎn)場(chǎng)電磁輻射的微波或激光遠(yuǎn)程。

1.3 攜能傳輸簡(jiǎn)介

無(wú)線通信的研究推陳出新，由于無(wú)線電信號(hào)可以同時(shí)攜帶能量和信息，因此對(duì)同步無(wú)線信息與功率傳輸進(jìn)行了統(tǒng)一研究。如圖2所示，攜能傳輸旨在將無(wú)線能量傳輸與無(wú)線信息傳輸相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了利用無(wú)線電信號(hào)傳遞能量和信息的雙重用途。接收端通過(guò)某種解調(diào)方法分別解調(diào)出能量和信息，完成信息和能量的并行傳輸，并且還可能達(dá)到“1+1＞2”的結(jié)果。

圖2 攜能傳輸示意圖

文獻(xiàn)[11-13]分析了固定接入點(diǎn)的攜能傳輸，在文獻(xiàn)[11]中，主要是考慮了時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）兩種多址方式進(jìn)行信息傳輸。在接收端，由于從無(wú)線電信號(hào)中獲取能量的電路還不能直接解碼所攜帶的信息這一實(shí)際局限性，每個(gè)用戶(hù)都使用時(shí)間開(kāi)關(guān)或功率分裂來(lái)協(xié)調(diào)能量獲取和信息解碼過(guò)程。文獻(xiàn)[12]研究的是一種由三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的多輸入多輸出無(wú)線廣播系統(tǒng)，其中一個(gè)接收端獲取能量，另一個(gè)接收端對(duì)同一發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立的信息解碼，所有的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都可以配置多個(gè)天線。該文獻(xiàn)研究了兩種實(shí)際設(shè)計(jì)的共定位接收機(jī)的情況下，即時(shí)間開(kāi)關(guān)和功率分裂，并描述了他們的可實(shí)現(xiàn)的速率-能量區(qū)域與外部界限的比較。對(duì)于接收機(jī)如何進(jìn)行攜能傳輸中信息和能量的處理，文獻(xiàn)[13]提出了動(dòng)態(tài)功率分割，它將接收到的功率比可調(diào)的信號(hào)分開(kāi)進(jìn)行能量采集和信息解碼。研究了動(dòng)態(tài)功率分配的三種特殊情況，即時(shí)間開(kāi)關(guān)、靜態(tài)功率分裂和開(kāi)關(guān)功率分裂。

無(wú)人機(jī)與攜能傳輸?shù)陌l(fā)展方興未艾。而此時(shí)將無(wú)人機(jī)與攜能傳輸相結(jié)合，無(wú)人機(jī)攜能傳輸則開(kāi)啟了通信領(lǐng)域的新大門(mén)。無(wú)人機(jī)攜能傳輸立足于靈活機(jī)動(dòng)的無(wú)人機(jī)，搭載能量傳送設(shè)施及通信設(shè)施，給接收設(shè)備傳輸信息的同時(shí)傳送能量。無(wú)人機(jī)攜能傳輸將解決許多無(wú)法進(jìn)行有線充電和人為更換電池的設(shè)備的能量供給問(wèn)題，在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上也有著更加廣闊的應(yīng)用空間。無(wú)人機(jī)攜能傳輸是通信技術(shù)和能量傳輸技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物，攜能傳輸是無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)人機(jī)攜能傳輸是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)通信保障的曙光。

2 無(wú)人機(jī)攜能傳輸研究進(jìn)展

近年來(lái)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展如火如荼，但是傳統(tǒng)蜂窩式基站也有其難以克服的缺點(diǎn)，例如邊遠(yuǎn)山區(qū)的信號(hào)覆蓋問(wèn)題。無(wú)人機(jī)由于其高機(jī)動(dòng)性和隨機(jī)應(yīng)變的部署靈活性，在信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越受歡迎。利用無(wú)人機(jī)在全球提供無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)接入。有人提出利用無(wú)人機(jī)作為基站向地面用戶(hù)提供無(wú)線服務(wù)[14]，與傳統(tǒng)地面基礎(chǔ)設(shè)施相比，無(wú)人機(jī)可以快速部署為無(wú)線用戶(hù)提供服務(wù)，并且不受地理?xiàng)l件的限制。與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)可以攜帶能源，甚至可以作為電源向無(wú)線節(jié)點(diǎn)充電，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。典型的應(yīng)用包括無(wú)法進(jìn)行有線充電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)。本文將無(wú)人機(jī)在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用分為信息傳輸、能量傳送和攜能通信三種，接下來(lái)將從這三個(gè)方面分別進(jìn)行論述。

2.1 無(wú)人機(jī)傳輸無(wú)線信號(hào)

為了提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量需求，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的部署已經(jīng)從傳統(tǒng)的二維平面轉(zhuǎn)向三維空間。無(wú)人機(jī)在空中可以靈活調(diào)整自身位置，獲得更有利的信道條件。利用無(wú)人機(jī)作為移動(dòng)基站傳輸無(wú)線信號(hào)比傳統(tǒng)基站更具優(yōu)勢(shì)，采用多個(gè)無(wú)人機(jī)空中基站為地面的一組用戶(hù)服務(wù)[15]，為無(wú)線信號(hào)的穩(wěn)定可靠提供保障，增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中同時(shí)為多個(gè)地面節(jié)點(diǎn)提供無(wú)線信息服務(wù)[16]。利用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)靈活和高效的移動(dòng)數(shù)據(jù)傳播，監(jiān)視系統(tǒng)中靈活和有效的數(shù)據(jù)傳播空間分散的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[17]。表2列舉近年來(lái)無(wú)人機(jī)傳輸無(wú)線信號(hào)的部分研究?jī)?nèi)容。

表2 無(wú)人機(jī)傳輸無(wú)線信號(hào)研究進(jìn)展

2.2 無(wú)人機(jī)傳輸無(wú)線能量

由于射頻信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸損耗嚴(yán)重，實(shí)際的 無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)大覆蓋范圍的性能從根本上受到端到端功率傳輸效率低的制約。因此，為了給分布在大區(qū)域的大規(guī)模低功耗的能量接收器提供無(wú)所不在的無(wú)線能量，需要以超密集的方式部署固定位置的能量發(fā)射器。然而，這將極大地增加成本，從而阻礙未來(lái)無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的大規(guī)模部署。為了緩解這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[18]提出一種全新的無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)架構(gòu)，利用無(wú)人機(jī)作為移動(dòng)能量發(fā)射器。無(wú)人機(jī)傳送無(wú)線能量的研究層出不窮，利用無(wú)人機(jī)傳輸無(wú)線能量為一個(gè)無(wú)人機(jī)上的能量發(fā)射器向地面多個(gè)能量接收器廣播發(fā)送無(wú)線能量[19]，文獻(xiàn)[20]基于雙用戶(hù)場(chǎng)景，研究了無(wú)人機(jī)軌跡對(duì)能量區(qū)域的影響。表3對(duì)以上三個(gè)文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行具體描述。

表3 無(wú)人機(jī)傳輸無(wú)線能量研究現(xiàn)狀

2.3 無(wú)人機(jī)攜能傳輸

攜能通信實(shí)現(xiàn)了能量與信息的并行傳遞，但是固定設(shè)施的攜能通信信號(hào)衰減嚴(yán)重。無(wú)人機(jī)攜能傳輸利用無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性可以 靈活調(diào)整傳輸距離及傳輸鏈路， 增強(qiáng)端到端的信息和能量傳輸?shù)膫鬏斝?。圖3是近年來(lái)攜能傳輸?shù)牟糠盅芯糠较颉?/p>

圖3 攜能傳輸研究歷程

文獻(xiàn)[21-23]研究的是基于無(wú)人機(jī)的攜能通信，文獻(xiàn)[22]研究了一種無(wú)人機(jī)輔助無(wú)線動(dòng)力通信網(wǎng)系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)通過(guò)在下行鏈路傳輸無(wú)線能量信號(hào)對(duì)地面終端進(jìn)行充電。然后，利用從無(wú)人機(jī)采集的無(wú)線能量，地面終端向無(wú)人機(jī)發(fā)送上行無(wú)線信息信號(hào)。在文獻(xiàn)[22]中，作者考慮了兩架無(wú)人機(jī)分別作為能量接入點(diǎn)和信息接入點(diǎn)，能量傳輸和信息解碼分別在兩架不同的無(wú)人機(jī)上進(jìn)行。文獻(xiàn)[21]研究了一種無(wú)人機(jī)無(wú)線通信網(wǎng)，將無(wú)人機(jī)作為移動(dòng)接入點(diǎn)定期給地面用戶(hù)發(fā)送能量。無(wú)人機(jī)采用無(wú)線射頻無(wú)線功率傳輸通過(guò)下行鏈路給用戶(hù)充電，用戶(hù)利用采集到的射頻能量通過(guò)上行鏈路向無(wú)人機(jī)發(fā)送信息。文章考慮了在有限的無(wú)人機(jī)飛行周期內(nèi)，在最大速度約束和用戶(hù)能量約束下，最大限度地提高所有地面用戶(hù)的上行吞吐量。文獻(xiàn)[23]研究的是一種典型的協(xié)同通信系統(tǒng)，其中一架無(wú)人機(jī)作為移動(dòng)中繼，從起始位置飛行到結(jié)束位置。無(wú)人機(jī)具有同步無(wú)線信息和功率傳輸功能，初始節(jié)點(diǎn)給無(wú)人機(jī)同時(shí)發(fā)送能量和信息，無(wú)人機(jī)給終止點(diǎn)發(fā)送信息，無(wú)人機(jī)的傳輸能力完全由源節(jié)點(diǎn)通過(guò)分時(shí)機(jī)制發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)提供動(dòng)力。

3 總結(jié)與展望

無(wú)人機(jī)攜能傳輸?shù)难芯咳缬旰蟠汗S?？偨Y(jié)而言，其可能的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾種：

（1）硬件設(shè)施。硬件設(shè)施的進(jìn)步表現(xiàn)為兩個(gè)方面。第一，現(xiàn)有的解調(diào)電路還不能解調(diào)出信息的同時(shí)收集能量。所以硬件設(shè)施的第一個(gè)進(jìn)步表現(xiàn)為設(shè)備從無(wú)線電信號(hào)中獲取能量的電路可以直接解碼所攜帶的信息，即接收端能夠同時(shí)對(duì)同一接收信號(hào)進(jìn)行信息解碼和能量采集。第二，無(wú)線信號(hào)的傳輸是發(fā)送端的射頻信號(hào)通過(guò)天線以電磁波的形式輻射出去，接收端天線將信號(hào)接收下來(lái)送到接收機(jī)。在這個(gè)過(guò)程中，接收天線接收下來(lái)的僅僅是很小的一部分功率。并且天線、傳輸線等硬件設(shè)施的損耗對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸有著極大的影響。所以，不論能量傳送還是攜能傳輸，天線等硬件設(shè)施的進(jìn)步都亟不可待。

（2）區(qū)分上下行鏈路。譬如接收端通過(guò)上行鏈路給無(wú)人機(jī)發(fā)送信息，無(wú)人機(jī)通過(guò)下行鏈路給接收端發(fā)送能量。通過(guò)這種方式來(lái)節(jié)約無(wú)人機(jī)和接收端資源。這種方式可以應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)等能量需求較小的節(jié)點(diǎn)。譬如在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)人機(jī)通過(guò)下行鏈路給傳感器提供能量，傳感器通過(guò)上行鏈路向無(wú)人機(jī)傳送收集到的信息。

（3）時(shí)間開(kāi)關(guān)與功率分割綜合運(yùn)用?，F(xiàn)有的研究主要是接收端應(yīng)用時(shí)間開(kāi)關(guān)或功率分割。所謂時(shí)間開(kāi)關(guān)，是指接收端將接收到的信號(hào)要么由能量接收端處理以獲取能量，要么由信息接收端處理以進(jìn)行信息解碼。功率分割，是指接收端通過(guò)功率分配器將接收到的信號(hào)分割成兩個(gè)功率比固定的信號(hào)流，一個(gè)流到能量接收端，另一個(gè)流到信息接收端。這兩種方式不同于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中所有的用戶(hù)只包含信息接收器，使用功率分割和時(shí)間開(kāi)關(guān)意味著每個(gè)用戶(hù)都包含一個(gè)額外的能量接收器從接收到的信號(hào)中獲取能量。在未來(lái)的無(wú)人機(jī)攜能傳輸中，這兩種方式極可能融合發(fā)展。在發(fā)射端使用TDMA或OFDMA來(lái)進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸，接收端綜合使用時(shí)間開(kāi)關(guān)和功率分割來(lái)協(xié)調(diào)能量獲取和信息解碼過(guò)程。

綜上分析，硬件設(shè)施的進(jìn)步無(wú)疑是無(wú)人機(jī)攜能傳輸甚至是無(wú)線通信系統(tǒng)最好的解決方案，但硬件設(shè)施的進(jìn)步依賴(lài)于材料工程的發(fā)展。所以，硬件設(shè)施是目前的無(wú)人機(jī)攜能傳輸研究中最大的突破點(diǎn)。在目前的硬件基礎(chǔ)上，無(wú)人機(jī)攜能傳輸?shù)难芯窟€有很大的發(fā)展空間。不論是綜合使用時(shí)間開(kāi)關(guān)和功率分割來(lái)協(xié)調(diào)能量獲取和信息解碼過(guò)程，還是通過(guò)上下行鏈路分別發(fā)送信息和能量，它們都有各自的應(yīng)用前景，都有進(jìn)一步研究的價(jià)值。