5G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)通信控制系統(tǒng)淺析

馬源

摘 要：隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，其速度快、覆蓋范圍大等優(yōu)勢明確顯現(xiàn)，在無人機(jī)通信控制系統(tǒng)中通過搭載5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠進(jìn)一步提升無人機(jī)的定位效果。本文從搭載5G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)通信控制系統(tǒng)入手進(jìn)行分析，簡單闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并對其內(nèi)部設(shè)計(jì)進(jìn)行淺要的分析研究，旨在促進(jìn)通信控制系統(tǒng)的升級與發(fā)展，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò);無人機(jī);通信控制系統(tǒng)

無人機(jī)是一種具備有傳感、通信以及信息處理等功能的技術(shù)設(shè)備，其能夠在搭載網(wǎng)絡(luò)和智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成不同的行業(yè)的功能需求。我國的無人機(jī)技術(shù)發(fā)展速度較快，在實(shí)際的發(fā)展過程中，通過“無人機(jī)+”行業(yè)的發(fā)展，為5G網(wǎng)絡(luò)下通信控制系統(tǒng)的構(gòu)建提供了更多的可能，從而使無人機(jī)通信控制系統(tǒng)能夠更好的適應(yīng)不同行業(yè)的功能需求。

1.無人機(jī)通信控制系統(tǒng)概述

無人機(jī)在通信、遙感、監(jiān)測等方面的應(yīng)用相對較為廣泛，通過與5G網(wǎng)路和通信控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，能夠突破4G網(wǎng)絡(luò)對通信范圍和通信速率的制約，使無人機(jī)的覆蓋效果更加的全面，更有利于減少外界的干擾，使無人機(jī)的通信控制過程更加順利。

在5G網(wǎng)絡(luò)下無人機(jī)搭載通信控制系統(tǒng)具有較為明顯的優(yōu)勢。其一，有效地支持無人機(jī)的智能化控制運(yùn)行。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍加大、傳輸速率提高，能夠有效的提升無人機(jī)與飛控平臺(tái)在航行過程中的識(shí)別判斷和靈活應(yīng)對能力，在不同環(huán)境中可根據(jù)任務(wù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，使無人機(jī)的作業(yè)效果更加高效。其二，有利于多無人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)構(gòu)建。通過5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作，能夠增加對無人機(jī)控制的效果，允許多臺(tái)無人機(jī)協(xié)作進(jìn)行工作，降低無人機(jī)之間互相干擾，提高整體控制精準(zhǔn)度。其三，成本較低。科技更新?lián)Q代速度較快，目前無人機(jī)的功能控制模塊和通信控制系統(tǒng)正在向成熟化方向發(fā)展，使系統(tǒng)的構(gòu)建和無人機(jī)運(yùn)行難度不斷下降，有效降低系統(tǒng)構(gòu)建和無人機(jī)應(yīng)用成本。

2.5G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在5G網(wǎng)絡(luò)下，通過利用M2M和D2D通信技術(shù)，可對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行升級和優(yōu)化，使整體的技術(shù)傳輸效果得到加強(qiáng)，降低通信延時(shí)的情況。無人機(jī)系統(tǒng)自身對環(huán)境應(yīng)對能力相對較弱，通過結(jié)合通信控制系統(tǒng)，在識(shí)別外部環(huán)境的過程中，實(shí)時(shí)與控制系統(tǒng)進(jìn)行連接和分析，系統(tǒng)控制無人機(jī)進(jìn)行合理應(yīng)對，從而使無人機(jī)能夠更好的適應(yīng)不同環(huán)境，提高應(yīng)變能力。

為提高通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能要求和技術(shù)難點(diǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。一方面，應(yīng)結(jié)合無人機(jī)的應(yīng)用場景進(jìn)行分析。無人機(jī)一般在環(huán)境監(jiān)測和遙感航拍以及救災(zāi)服務(wù)等方面應(yīng)用較為廣泛，因此需要無人機(jī)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行識(shí)別和信息獲取，同時(shí)將大量信息進(jìn)行回傳處理，并且需要對環(huán)境變化情況進(jìn)行合理應(yīng)對，有效抵抗環(huán)境的干擾情況，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的運(yùn)行作業(yè)。因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要其具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸和抗干擾能力[1]。另一方面，通過無人機(jī)通信技術(shù)進(jìn)行分析，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，通信技術(shù)也在不斷的提升，現(xiàn)代化發(fā)展背景下，為實(shí)現(xiàn)更好的通信，需要提高對環(huán)境的地抵抗能力，在進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行情況，設(shè)置相應(yīng)的抗干擾方案，構(gòu)建專項(xiàng)通信信道。同時(shí)，需要保障物理層的安全穩(wěn)定，為保障通信安全和穩(wěn)定，需要提升物理層的建設(shè)質(zhì)量。

3.無人機(jī)通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1無人機(jī)通信物理層安全基礎(chǔ)

常見的無人機(jī)通信信道模型有兩種，其一為控制和非有效載荷通信鏈路（CNPC）。指的是在無人機(jī)運(yùn)行過程中，需要通過控制端和空中設(shè)備進(jìn)行信息傳輸?shù)姆绞娇刂茻o人機(jī)完成相應(yīng)工作，該方式的信息傳輸需要無人機(jī)與地面進(jìn)行雙向通信，在地面控制站發(fā)出指令后，無人機(jī)需要作出相應(yīng)的反饋，從而實(shí)現(xiàn)連接。在CNPC鏈路中，能夠支持緊急人工干預(yù)，如在無人機(jī)受到非法用戶操控而產(chǎn)生碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，通過使用物理層安全技術(shù)和身份認(rèn)證技術(shù)等，制定備用鏈路，使用地面終端以及衛(wèi)星等方式進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的控制，提高系統(tǒng)容錯(cuò)效果，降低無人機(jī)碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

其二為數(shù)據(jù)鏈路。該通信連接主要連接無人機(jī)與地面終端，由無人機(jī)向地面進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)鏈路的不同，信道對數(shù)據(jù)容量的影響也相對較大，因此需要根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸需求進(jìn)行調(diào)整和選擇[2]。但數(shù)據(jù)鏈路在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)不需要特定的頻譜，同時(shí)能夠降低延遲效果，因此數(shù)據(jù)傳輸效率相對較高。

5G網(wǎng)絡(luò)中存在大量的終端用戶，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，為保障通道的準(zhǔn)確性，降低信息竊取的概率，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，應(yīng)通過加強(qiáng)物理層安全技術(shù)的方式來提高信息傳輸效果。將傳輸中的信源進(jìn)行加密，利用數(shù)學(xué)知識(shí)設(shè)置密鑰，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的密碼，在不知道密鑰的情況下，無法了解到信息的內(nèi)容，合法接收者在得到信息后利用密鑰進(jìn)行信息識(shí)別，從而保障信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

在對物理層安全技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化的過程中，可以使用不同算法進(jìn)行優(yōu)化，通過數(shù)據(jù)基礎(chǔ)來對物理層進(jìn)行完善。以DC算法為例，該算法主要利用函數(shù)來進(jìn)行全局優(yōu)化，通過使用非凸優(yōu)化中函數(shù)之間產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)異同情況進(jìn)行分析，對安全技術(shù)進(jìn)行深度的研究。由于函數(shù)具有較強(qiáng)的靈活性，在使用過程中的魯棒性也相對較強(qiáng)，在進(jìn)行問題處理的過程中，可以通過制定函數(shù)定義的方式，幫助進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，提高問題處理效果。給出算法的定義：設(shè)定實(shí)值函數(shù)f：Rn →R;如果存在凸函數(shù)g，h：Rn對函數(shù)f進(jìn)行分解，形成 g和 h的差，該情況下函數(shù)f為DC函數(shù)。

3.2通信控制系統(tǒng)分析

無人機(jī)通信系統(tǒng)的主要構(gòu)成為軟件和通信端口以及控制系統(tǒng)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信過程中，利用軟件和平臺(tái)之間的5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和無人機(jī)控制。應(yīng)用軟件系統(tǒng)主要依賴于函數(shù)綁定IP地址和端口的方式，構(gòu)建穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接通道，從而使信息傳輸效果得到優(yōu)化和加強(qiáng)。在軟件的控制主板中，通過相應(yīng)指令構(gòu)建信息發(fā)送，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的控制和調(diào)整，使無人機(jī)按照要求的運(yùn)行方式進(jìn)行巡航和起降。

通信端口是無人機(jī)和地面控制站實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)闹匾K，無人機(jī)一般通過標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使信息能夠在主板中顯示，同時(shí)能夠在信息回傳時(shí)，對信息進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)信息回傳效果對信息傳輸質(zhì)量進(jìn)行判斷，從而更好的進(jìn)行信息識(shí)別和判斷，幫助無人機(jī)加強(qiáng)對地面的了解，從而提高地圖標(biāo)記的準(zhǔn)確性，使無人機(jī)更加的精準(zhǔn)，控制系統(tǒng)主要依賴控制主板進(jìn)行調(diào)控。通過主板能夠?qū)o人機(jī)回傳的信息進(jìn)行識(shí)別和歸納，從而將無人機(jī)的位置在地圖上進(jìn)行標(biāo)記，并與規(guī)劃路線進(jìn)行對比，更加精確的獲取相應(yīng)位置的信息，利用控制系統(tǒng)進(jìn)行深度分析，進(jìn)一步對相應(yīng)的規(guī)劃路線進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對通信控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.3無人機(jī)抗干擾方案設(shè)計(jì)

5G網(wǎng)絡(luò)下信息發(fā)送速度相對較快，并且延時(shí)較低，在無人機(jī)和基站進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^程中，為避免竊聽者和其他用戶的信號影響，應(yīng)提高整體通信系統(tǒng)的抗干擾能力，在進(jìn)行抗干擾方案制定時(shí)，一方面，可以通過控制功率的方式，實(shí)現(xiàn)干擾抑制方案的設(shè)置。使用功率進(jìn)行控制的過程中，不同功率設(shè)置相應(yīng)的鏈路，從而使主信息傳輸主體效率更高，同時(shí)減少外界信息的干擾。在該方案下，應(yīng)使無人機(jī)服務(wù)范圍內(nèi)的用戶SINR保持相同[3]。使用公式：

另一方面，通過設(shè)置定向天線的方式提高抗干擾效果。在無人機(jī)運(yùn)行過程中，其在與服務(wù)范圍內(nèi)的基站和用戶之間產(chǎn)生一定的信號干擾情況，通過制定特定的天線，提高信號的指向性，降低周圍信號的干擾情況，進(jìn)一步優(yōu)化傳輸效果。在制定方案的過程中，需要針對干擾情況進(jìn)行檢測，了解干擾信息的強(qiáng)度和信息來源方向，進(jìn)而便于制定針對性的干擾控制措施，提高干擾抑制效果。使用LOS徑方向追蹤方式，制定相應(yīng)的定向天線，對干擾信息進(jìn)行抑制，使基站和用戶之間能夠保持良好的信息傳輸效果，降低干擾信號的影響。

3.4通信控制系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)分析

在5G網(wǎng)絡(luò)下構(gòu)建無人機(jī)通信控制系統(tǒng)平臺(tái)，在平臺(tái)中設(shè)置不同的功能模塊，并對模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使不同模塊在保持相應(yīng)功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)互相連接，從而提高整體的功能效果。如在對用戶模塊進(jìn)行設(shè)置時(shí)，通過設(shè)置相應(yīng)的檢驗(yàn)算法，對用戶的反饋訊號進(jìn)行識(shí)別，通過計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，提高平臺(tái)對用戶的管理效果。在該程序下，通過控制平臺(tái)對無人機(jī)發(fā)射相應(yīng)的信號和命令，使無人機(jī)能夠按照用戶需求和反饋意見調(diào)整服務(wù)，從而提供整體的業(yè)務(wù)完成效果。

在平臺(tái)構(gòu)建完畢后，需要進(jìn)行仿真流程試驗(yàn)，對不同模塊的功能進(jìn)行讀取和驗(yàn)證，確?？刂葡到y(tǒng)功能效果符合要求，從而提高對無人機(jī)的控制效果，優(yōu)化無人機(jī)的服務(wù)質(zhì)量。

結(jié)論

在5G網(wǎng)絡(luò)下，無人機(jī)通信控制系統(tǒng)對于其實(shí)際的作業(yè)效果有較大影響，相關(guān)人員應(yīng)加強(qiáng)對通信控制系統(tǒng)的研究，對無人機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。通過提高通信控制系統(tǒng)的抗干擾能力和平臺(tái)控制效果，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，使無人機(jī)的通信質(zhì)量得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

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