無人機(jī)賦能臨海通信系統(tǒng)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

呂江濱，張一帆，邱 瑾，付立群

(廈門大學(xué)信息學(xué)院，福建 廈門 361005)

未來的移動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)全球化的無縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋，支持空中、陸地、海洋等三維空間中各種類型的用戶多樣化的通信需求，因此建設(shè)空天地海一體化的信息基礎(chǔ)設(shè)施，已成為下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)即 6G 研究熱點(diǎn)方向之一[1].目前，人們普遍認(rèn)為單獨(dú)存在的網(wǎng)絡(luò)不能滿足處理大量數(shù)據(jù)和執(zhí)行大量應(yīng)用的需要，因此學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界越來越需要將天基網(wǎng)絡(luò)、空中網(wǎng)絡(luò)、陸基網(wǎng)絡(luò)和海洋網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成一個(gè)綜合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu).空天地海立體通信網(wǎng)絡(luò)旨在將高空衛(wèi)星通信、低空飛行器通信、地面通信、海洋通信高效融合，實(shí)現(xiàn)無處不在的通信覆蓋.地面通信如移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)具有高容量、高速率等優(yōu)勢(shì)，但覆蓋范圍有限.海洋通信網(wǎng)絡(luò)需要覆蓋的范圍遼闊，包括海面艦船通信及水下通信等，但缺少像地面通信那樣密集部署的通信設(shè)施.衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有廣覆蓋的優(yōu)勢(shì)，但高昂的設(shè)備成本使得高空衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的全覆蓋，且衛(wèi)星通信傳輸延遲較大.此時(shí)，作為“承上啟下”的一層網(wǎng)絡(luò)，低空飛行器即漂浮在平流層的飛艇與低空無人機(jī)可以為缺少基礎(chǔ)設(shè)施的邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)、沙漠、海洋提供低成本網(wǎng)絡(luò)覆蓋，以及為城市熱點(diǎn)地區(qū)提供高性能覆蓋.與衛(wèi)星相比，低空平臺(tái)與地面距離近，鏈路損耗少、傳播時(shí)延相對(duì)較小，因此結(jié)合衛(wèi)星、空中、地面以及海洋通信網(wǎng)絡(luò)有望實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量最大化以及低成本的無縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋，特別是對(duì)于缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施的海洋環(huán)境.

地球表面71%為海洋所覆蓋.海洋擁有大量寶貴的資源例如生物、油氣、礦產(chǎn)等，為人類提供了食物、能源與材料[2].合理開發(fā)利用海洋資源對(duì)人類的生存和發(fā)展具有極其重要的戰(zhàn)略意義，因此，部分國家和組織提出了一系列海洋觀測(cè)計(jì)劃并且致力于海洋通信系統(tǒng)的建設(shè)，旨在拓展通信覆蓋的廣度和深度以更好地探索與開發(fā)海洋.智慧海洋一直以來都是海洋開發(fā)的熱點(diǎn)話題，智能化的新技術(shù)正在從根本上改變海洋信息網(wǎng)絡(luò).其中，本文將所研究的臨海空間泛指為較短豎直范圍內(nèi)的海面上方空域與下方水域、陸地沿岸以及離岸較近范圍內(nèi)的海域.臨海信息空間涵蓋了海洋經(jīng)濟(jì)以及涉船軍事應(yīng)用等主要場(chǎng)景，為涉海行業(yè)如環(huán)境氣候監(jiān)測(cè)、漁業(yè)養(yǎng)殖業(yè)、交通航運(yùn)以及應(yīng)急搜救提供了多維信息支撐.作為陸地與海洋、海上與水下信息交互的界面，臨海信息空間內(nèi)有各種需求節(jié)點(diǎn)(圖1)，這些節(jié)點(diǎn)間通信組成的網(wǎng)絡(luò)本文中稱為臨海通信系統(tǒng)，包括空域的無人機(jī)，海域的船舶、浮標(biāo)，水域中的無人航行器以及海岸陸基節(jié)點(diǎn)之間的通信.特別地，更多的自主操作可以提高海洋信息網(wǎng)絡(luò)的效率[3]，同時(shí)協(xié)調(diào)各種無人駕駛設(shè)備有助于降低海洋開發(fā)任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)和成本[4].

圖1 無人機(jī)輔助的臨海通信系統(tǒng)Fig.1 Unmanned aerial vehicle assisted offshore communication system

無人機(jī)具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，它能夠快速到達(dá)偏遠(yuǎn)和難以進(jìn)入的地區(qū)，并且傳輸采集到的照片、熱成像或視頻片段，有助于人類方便快捷地了解未知區(qū)域的情況.因此，無人機(jī)能夠有效地協(xié)助人類完成許多特殊、危險(xiǎn)而繁雜的任務(wù)，節(jié)省了寶貴的時(shí)間、人員和金錢[5].其次無人機(jī)大多數(shù)情況下都可以建立與地面(海面)的短距離視距(line of sight,LoS)通信鏈路，因此具有更好的通信信道，可以極大提高通信性能[6].無人機(jī)現(xiàn)已被廣泛研究用于陸基無線通信系統(tǒng)，一方面可以作為自帶任務(wù)(例如，緊急搜救、貨物運(yùn)送、視頻監(jiān)視等)的空中用戶，由蜂窩式地面基站(ground base station,GBS)為其提供通信覆蓋[7-8]；另一方面，無人機(jī)也可以作為新的空中通信平臺(tái)(例如，空中基站(aerial base station，ABS)、中繼站、數(shù)據(jù)收集/分發(fā)平臺(tái)等)為地面用戶提供通信服務(wù)[6,9-11].隨著無人機(jī)性能提高以及通信技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)也可以被廣泛運(yùn)用在臨海通信系統(tǒng)中，例如海事監(jiān)察[12]、海上搜索救援[13]以及海上數(shù)據(jù)收集[14]等，為輔助各類海事活動(dòng)提供了一個(gè)有利工具.

然而，海洋環(huán)境與無人機(jī)自身的一些限制給無人機(jī)執(zhí)行臨海通信任務(wù)帶來了巨大的挑戰(zhàn).一方面，LoS主導(dǎo)的空地(海)信道會(huì)產(chǎn)生不同用戶間的強(qiáng)烈干擾，同時(shí)臨海沿岸建筑物或機(jī)身陰影也會(huì)阻擋無人機(jī)與用戶或無人機(jī)間的通信；而當(dāng)無人機(jī)作業(yè)于海上時(shí)，雖然沒有建筑物的遮擋，但海面的反射路徑與水汽所致的折射路徑等都會(huì)影響到無人機(jī)通信信道，因此準(zhǔn)確建模臨海通信信道以評(píng)估通信性能極具挑戰(zhàn).另一方面，由于難以在海洋上部署通信基礎(chǔ)設(shè)施，海上缺乏密集蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋，現(xiàn)有的臨海信息網(wǎng)絡(luò)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于陸地.此外，由于自身重量、體積的限制，使得無人機(jī)可用能量、有效載荷有限，而且還必須能夠承受惡劣的風(fēng)況、湍流以及咸海水的影響.以上問題對(duì)一些實(shí)時(shí)性及可靠性要求較高的任務(wù)(例如海上監(jiān)察、搜索救援等)具有很高的挑戰(zhàn)性.因此如何結(jié)合臨海通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，優(yōu)化無人機(jī)的軌跡、部署以及能源與通信資源分配，進(jìn)而避免大量干擾，提高通信效率，就成為了無人機(jī)賦能臨海通信系統(tǒng)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn).本文主要介紹了臨海無人機(jī)通信鏈路和信道、無人機(jī)賦能臨海通信系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用以及所面臨的問題和挑戰(zhàn)，并針對(duì)上述問題提供了最新研究概述.最后針對(duì)海上有風(fēng)情況下無人機(jī)收集浮標(biāo)數(shù)據(jù)這一實(shí)例，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)循環(huán)飛行軌跡，使得無人機(jī)能夠在完成通信任務(wù)的前提下有效利用風(fēng)來降低無人機(jī)飛行的能耗，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能通信.

1 臨海無人機(jī)通信系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景分析

1.1 臨海通信無人機(jī)選型

近年來，隨著無人機(jī)性能提高，在各種領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，這使得各種類型的無人機(jī)層出不窮，如固定翼、旋翼、復(fù)合翼等.各類無人機(jī)性能不同，適用于各種通信場(chǎng)景.針對(duì)臨海通信應(yīng)用場(chǎng)景，這里簡(jiǎn)要介紹常用的無人機(jī)類型和特點(diǎn).

(a)固定翼無人機(jī)(http:∥www.sagetown.com.cn/cn)； (b)固定翼兩棲無人機(jī)(https:∥www.sohu.com/a/195153459_727556)；(c)旋翼兩棲無人機(jī)(http:∥i.biopatent.cn/archives/21833)； (d)復(fù)合翼無人機(jī)http:∥www.sagetown.com.cn/cn).圖2 常見無人機(jī)類型Fig.2 common unmanned aerial vehicle types

1) 固定翼無人機(jī)(圖2(a))：固定翼無人機(jī)機(jī)翼位置及后掠角等參數(shù)固定不變，其最大的特點(diǎn)是需要通過跑道輔助起降或彈射裝置發(fā)射，其升力來自機(jī)翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且在飛行過程中需保持向前飛行的動(dòng)力.固定翼無人機(jī)優(yōu)點(diǎn)是續(xù)航久、速度快、負(fù)載大且抗風(fēng)性能強(qiáng)，缺點(diǎn)是無法懸停且無法垂直起降.適用于遠(yuǎn)距離、長航時(shí)的臨海作業(yè)，例如臨海巡檢、搜索救援、數(shù)據(jù)采集等.此外，固定翼兩棲無人機(jī)(圖2(b))，機(jī)身特有的船體結(jié)構(gòu)及可收放的起落架使得其可以直接在水面起降，可有效解決海上固定翼無人機(jī)需要跑道輔助起降的問題.

2) 旋翼無人機(jī)(圖2(c))：旋翼無人機(jī)通過軸上的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)旋翼產(chǎn)生升力以平衡飛行器的重力，使其能夠不借助跑道垂直起降，且可以在一定速度范圍內(nèi)以任意速度飛行.其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)、靈活且可以精準(zhǔn)懸停、垂直起降，缺點(diǎn)是飛行速度慢、續(xù)航時(shí)間短、負(fù)載較小且抗風(fēng)性能差.因此旋翼無人機(jī)多用于陸地場(chǎng)景，如交通管制、包裹投遞、航拍等.此外，旋翼兩棲無人機(jī)，既可以在空中飛行，也可以在水下航行，且在暫無任務(wù)時(shí)可懸于水面節(jié)省能量，可作為近距離海洋探索和開發(fā)的有力工具.

3) 復(fù)合翼無人機(jī)(圖2(d))：新型的復(fù)合翼飛行器，解決了固定翼無法垂直起降的問題，在緊急情況下可以利用旋翼垂直起降，利用固定翼實(shí)現(xiàn)高速巡航，但旋翼起降/懸停需要消耗更多的能量，同時(shí)旋翼的存在也會(huì)影響固定翼飛行時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)效率.復(fù)合翼無人機(jī)兼具了旋翼和固定翼無人機(jī)的特點(diǎn)，適用場(chǎng)景更加廣泛，可靈活用于海上偵察和應(yīng)急通信等.

1.2 臨海通信中無人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景

憑借機(jī)動(dòng)性高、設(shè)計(jì)可靠、成本低等優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)在過去的幾十年中得到了廣泛的應(yīng)用[15].早先無人機(jī)主要用于軍事領(lǐng)域，將其部署在敵對(duì)地區(qū)以減少人員損失.隨著無人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，成本不斷降低且設(shè)備趨于小型化，在民用和商業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷興起，包括天氣監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)探測(cè)、交通控制、貨物運(yùn)輸、搜索救援、通信中繼等[6].目前，大多數(shù)研究集中在陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無人機(jī)的融合應(yīng)用，一方面無人機(jī)可以作為靈活的空中通信平臺(tái)，為應(yīng)急通信(如因地震、海嘯或颶風(fēng)等自然災(zāi)害導(dǎo)致的電信信號(hào)中斷的通信應(yīng)用場(chǎng)景)或臨時(shí)通信(如賽事、演出等人群密集場(chǎng)所的通信應(yīng)用場(chǎng)景)提供及時(shí)支持；另一方面，無人機(jī)作為通信用戶，也可借助現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣域、高速覆蓋，有效地?cái)U(kuò)大數(shù)據(jù)鏈路的通信距離，提升通信速率和可靠性并降低時(shí)延.這種融合無疑給無人機(jī)在各種場(chǎng)景下的應(yīng)用帶來了巨大機(jī)遇.

近年來，隨著無人機(jī)負(fù)載、續(xù)航、抗干擾性能的提升以及通信技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)在臨海通信系統(tǒng)中也正起到日益重要的作用，其扮演的角色大致分為以下幾類：空中用戶、空中基站、移動(dòng)中繼、數(shù)據(jù)采集/信令分發(fā).接下來，按照無人機(jī)功能分類介紹無人機(jī)在臨海通信系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用.

1) 無人機(jī)作為空中用戶，即利用搭載設(shè)備(如高清攝像機(jī)、紅外熱成像相機(jī)等)完成指定任務(wù)，并將采集的數(shù)據(jù)/警報(bào)及時(shí)回傳給控制站.由于無人機(jī)靈活性強(qiáng)、風(fēng)險(xiǎn)低、飛行范圍廣，非常適合海上巡邏監(jiān)察、證據(jù)收集、海上搜救、溢油和污染檢測(cè)、浮標(biāo)檢查、航道調(diào)查等[16].此外，無人機(jī)作為空中用戶還可用于船舶檢測(cè)、赤潮檢測(cè)和監(jiān)控、海上污染溯源和颶風(fēng)監(jiān)控等[5].在此類應(yīng)用中，多媒體數(shù)據(jù)的及時(shí)回傳以及高效完成預(yù)警信息的發(fā)布/反饋有賴于無人機(jī)與控制站以及無人機(jī)之間的實(shí)時(shí)、高速、高可靠性的雙向通信.

2) 無人機(jī)作為空中基站(UAV-BS)，即部署裝載通信設(shè)備的無人機(jī)，在海上特定區(qū)域內(nèi)為海面用戶提供無線覆蓋.現(xiàn)有海上通信大多依靠海事衛(wèi)星與岸邊基站支持，但通常來說，岸邊基站部署在沿海高山或高塔上，因此其部署非常有限且固定，導(dǎo)致離岸較遠(yuǎn)處的海面無線覆蓋較弱且不均勻.另一方面，根據(jù)軌道動(dòng)力學(xué)理論，不能任意創(chuàng)建軌道，故海事衛(wèi)星的部署也受到限制[17]，難以臨時(shí)按需部署，且衛(wèi)星通信的設(shè)備成本及通信資費(fèi)較高，一些小型的船只或海上用戶未必配備.相比之下，無人機(jī)可以靈活地部署，配備在無人機(jī)上的接入點(diǎn)可以飛得更靠近目標(biāo)用戶，從而顯著提高傳輸速率并縮短通信等待時(shí)間.另外，無人機(jī)所處的高度較高，可以利用接近LoS的空-地信道與岸邊基站建立高速回程鏈路，或攜帶衛(wèi)星通信設(shè)備與衛(wèi)星建立回程鏈路等，詳見3.2節(jié)討論.此外，UAV-BS還可以輔助海上通信網(wǎng)絡(luò)在搜索救援上發(fā)揮重要作用[18]，例如為海上覆蓋盲區(qū)的用戶提供臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接.

3) 無人機(jī)作為移動(dòng)中繼，即部署無人機(jī)在兩個(gè)或多個(gè)用戶、或用戶組之間提供多跳連接.當(dāng)通信距離較遠(yuǎn)或受海面浪涌環(huán)境影響導(dǎo)致通信質(zhì)量較差時(shí)，無人機(jī)中繼可顯著提升通信效率.例如，它可以位于任務(wù)前線，與指揮中心之間進(jìn)行緊急響應(yīng).與UAV-BS相比，中繼主要起到轉(zhuǎn)發(fā)作用，需要較少的處理能力，因此其無線電設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，可以由輕載無人機(jī)攜帶，從而降低成本和功耗.同時(shí)，視距連接提供良好的空中通信鏈路，提高了單跳通信的速率，因此可由無人機(jī)群充當(dāng)中繼生成多跳通信網(wǎng)絡(luò).此外，數(shù)據(jù)回傳鏈路中無人機(jī)也可以充當(dāng)中繼，實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)回傳[18].

4) 無人機(jī)作為數(shù)據(jù)采集/信令分發(fā)器，即輔助海上數(shù)據(jù)采集與信令的廣播.當(dāng)今較為先進(jìn)的海洋信息網(wǎng)絡(luò)依靠自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)潛入深海從水下傳感器采集數(shù)據(jù)，并不斷浮出表面?zhèn)鬏敳杉降臄?shù)據(jù)，無人機(jī)可飛越AUV獲取AUV采集的信息.無人機(jī)還可用于采集迷你水下滑翔機(jī)(miniature underwater gliders,MUG)[19]及海上浮標(biāo)所收集的數(shù)據(jù)[20]，以及通過跨介質(zhì)信道收集水下潛標(biāo)數(shù)據(jù)，滿足了軍事場(chǎng)景下隱蔽性的需求.無人機(jī)的靈活性可以使其靠近目標(biāo)高速率收集/分發(fā)數(shù)據(jù)，且縮短了通信距離，降低信息被竊取的可能性，提高了通信的安全性.

綜上，無人機(jī)在海上有諸多獨(dú)特的應(yīng)用，它可以幫助人類更好地獲取海洋信息，協(xié)助人類從事海洋活動(dòng)，降低海洋任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn).然而，由于海洋環(huán)境的獨(dú)特性，無人機(jī)在海上的應(yīng)用仍面臨著許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).接下來通過兩個(gè)章節(jié)分別介紹臨海無人機(jī)通信鏈路與信道，以及關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn).

2 臨海無人機(jī)通信鏈路與信道

2.1 臨海無人機(jī)通信鏈路

無人機(jī)的基本通信鏈路主要由控制/非載荷通信(control and non-payload communications,CNPC)鏈路和載荷鏈路(數(shù)據(jù)鏈路)組成.其中，CNPC鏈路負(fù)責(zé)傳輸控制臺(tái)和無人機(jī)之間的控制命令、無人機(jī)之間的沖突避免信息以及無人機(jī)反饋給控制臺(tái)的狀態(tài)信息等.在無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的過程中，CNPC鏈路負(fù)責(zé)在多個(gè)無人機(jī)或無人機(jī)與控制臺(tái)之間建立可靠、安全的雙向通信，以確保無人機(jī)安全行駛，該過程所需的傳輸速率通常較低[7]，但要求通信時(shí)延低、可靠性高.Darsena等[21]在物理層提出一種兩階段的接收器，用于解決CNPC鏈路中由于無人機(jī)的移動(dòng)性而導(dǎo)致的多普勒頻移，該接收器有效地降低了誤碼率，改善了CNPC鏈路的接收性能，提高了數(shù)據(jù)可靠性.Ernest等[22]提出混合雙工CNPC系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)更可靠的傳輸，且傳輸距離長，功耗低.She等[23]提出了改進(jìn)的分布式多天線系統(tǒng)，在確?？煽亢偷蜁r(shí)延的通信下，最大化CNPC鏈路的通信距離.另外，Wang等[24]概述了CNPC鏈路物理層的安全技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其研究方向.針對(duì)海上無人機(jī)場(chǎng)景，由于單純的衛(wèi)星控制鏈路時(shí)延較大，且有間斷性，如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高可靠性、低時(shí)延的實(shí)時(shí)控制鏈路仍面臨挑戰(zhàn).另一方面，數(shù)據(jù)鏈路負(fù)責(zé)有關(guān)通信任務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸[25]，不同場(chǎng)景下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有所區(qū)別.例如在無人機(jī)作為空中用戶時(shí)，主要回傳機(jī)載攝像頭所拍攝的圖片、視頻；當(dāng)無人機(jī)作為空中通信平臺(tái)輔助通信時(shí)，主要為無線信號(hào)的接入和廣播.為保證回傳視頻、照片的清晰度以及滿足通信容量的需求，數(shù)據(jù)鏈路的速率通常會(huì)高于CNPC鏈路.將蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無人機(jī)相結(jié)合[6-9]，用于支持無人機(jī)的通信鏈路，既能滿足CNPC鏈路可靠、安全傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，又能有效地?cái)U(kuò)大數(shù)據(jù)鏈路的通信距離，提升通信速率.但由于海上沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式可支持的傳輸速率和距離有限，使得數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量的實(shí)時(shí)回傳成為巨大的挑戰(zhàn).

2.2 臨海無人機(jī)通信信道

依據(jù)與無人機(jī)通信的另一方所處的空間位置，可將臨海無人機(jī)通信大致分為空-空信道、空-地信道、空-海信道以及跨介質(zhì)信道.

1) 空-空信道：適用于無人機(jī)與無人機(jī)之間的通信，當(dāng)無人機(jī)的飛行高度較高時(shí)，空中幾乎沒有遮擋物，受多徑衰落的影響小，因此空-空信道主要采用LoS信道模型.這種由LoS主導(dǎo)的空-空信道，特別適合短波長的無線電傳播，例如新興的毫米波通信，可用于實(shí)現(xiàn)大容量無線連接[26].然而，當(dāng)無人機(jī)之間的相對(duì)速度高時(shí)較高的載波頻率會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的多普勒頻移，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮.另一方面，由于空-空信道的LoS主導(dǎo)更強(qiáng)，在多無人機(jī)通信的過程中，會(huì)同時(shí)收到多個(gè)無人機(jī)的信號(hào)，容易造成干擾，多無人機(jī)通信中的干擾管理就成了亟待解決的問題.

2) 空-地信道：臨海無人機(jī)與岸邊基站通信時(shí)，根據(jù)無人機(jī)所處環(huán)境和高度的差異，可將空-地信道模型分為LoS信道模型和概率 LoS信道模型[27-29].當(dāng)無人機(jī)飛行高度較高或環(huán)境中信號(hào)傳播不會(huì)被障礙物所阻擋時(shí)，信道采用LoS模型；當(dāng)無人機(jī)飛行高度較低，LoS會(huì)受到地形的影響，如被城市中的高樓所阻擋，此時(shí)信道采用概率LoS模型，傳播信道由LoS和非LoS(non line of sight,NLoS)分量構(gòu)成，各自發(fā)生的概率由環(huán)境和通信雙方的相對(duì)位置決定.

3) 空-海信道：由于海上環(huán)境惡劣且存在諸多不可預(yù)測(cè)因素，如海浪、風(fēng)速以及濕度等，嚴(yán)重的多徑效應(yīng)與多普勒效應(yīng)導(dǎo)致海上信道建模困難且復(fù)雜.接下來重點(diǎn)介紹現(xiàn)有文獻(xiàn)中所建立的海上信道模型，該模型適用于無人機(jī)與船舶、浮標(biāo)之間的通信.Mo等[30]運(yùn)用ITM模型[31]，依據(jù)海洋環(huán)境設(shè)置相匹配的參數(shù)，通過仿真得出傳輸損耗隨通信距離與頻率的提高而增加，隨天線高度的增加而減小的結(jié)論，但I(xiàn)TM模型只考慮了直射路徑.Zhao等[32]在Mo等[30]研究的基礎(chǔ)上增加了反射路徑，提出了改進(jìn)的ITM模型，結(jié)果表明所提出的信道模型與實(shí)際測(cè)量結(jié)果幾乎一致.Lee等[33]發(fā)現(xiàn)除了直射和反射路徑外還存在水面蒸發(fā)水汽層所產(chǎn)生的折射路徑，通過改變收發(fā)天線高度與水汽層高度得到符合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的信道模型，但沒有考慮多普勒效應(yīng)可能帶來的影響.Matolak等[34]測(cè)量了各種環(huán)境下無人機(jī)與船舶間的信道數(shù)據(jù)，并考慮了多普勒效應(yīng)的影響，給出了詳細(xì)的測(cè)量、建模方法及基于測(cè)量的路徑損耗模型與空地信道多徑分量統(tǒng)計(jì)模型.基于此，Li等[35]給出了一個(gè)具有普適性的同時(shí)包含大尺度和小尺度衰落的典型空-海信道，假設(shè)收發(fā)端都配有單天線，且無人機(jī)足夠高以實(shí)現(xiàn)LoS傳輸.在t時(shí)刻，無人機(jī)與海面節(jié)點(diǎn)之間的信道幅度響應(yīng)可以表示為：

(1)

(2)

其中，dt為t時(shí)刻無人機(jī)與海面節(jié)點(diǎn)之間的距離，d0為參考距離，A0為d0處的路徑損耗，ζ為路徑損耗指數(shù)，Xt表示標(biāo)準(zhǔn)差為σX、均值為0的高斯隨機(jī)變量[36].萊斯衰落可以表示為：

(3)

其中，gt表示均值為0、方差為1的復(fù)高斯分布，K表示與LoS功率和多徑功率之比相對(duì)應(yīng)的萊斯因子[37].路徑損耗和萊斯衰落分別對(duì)應(yīng)于大尺度和小尺度衰落，可以看出路徑損耗主要取決于收發(fā)機(jī)間的距離，而萊斯衰落主要取決于LoS路徑的相對(duì)強(qiáng)度.

4) 跨介質(zhì)信道：傳統(tǒng)跨介質(zhì)通信的局限在于需在水面部署浮標(biāo)或無線發(fā)射節(jié)點(diǎn)等通信設(shè)備，但這樣的中繼器容易隨波漂移，從而切斷與水下傳感器的通信，同時(shí)容易暴露目標(biāo)，不利于對(duì)隱蔽性有很高要求的軍事活動(dòng).因此，布置水下潛標(biāo)并利用無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性來實(shí)現(xiàn)靈活的跨介質(zhì)通信，是值得研究的方案.水下潛標(biāo)與無人機(jī)通信信道由兩部分組成：在水中采用聲波通信激勵(lì)水面，在空氣中通過光波采集水面信息[38].無人機(jī)可接近水面直接通過光波與水下潛標(biāo)進(jìn)行通信.一方面，無人航行器、蛙人等水下節(jié)點(diǎn)都可通過潛標(biāo)將信息傳給無人機(jī)，提高行動(dòng)的隱蔽性.另一方面，借助無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性可以在臨近范圍內(nèi)通信而無需長距離傳輸，因此也提高了通信的安全性.

3 臨海無人機(jī)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

近年來，學(xué)術(shù)界在無人機(jī)通信方面的研究發(fā)展迅速，特別是在陸地應(yīng)用場(chǎng)景中.然而在臨海通信系統(tǒng)中，無人機(jī)相關(guān)研究仍處于起步階段，還需克服無人機(jī)自身及海洋環(huán)境等因素帶來的挑戰(zhàn).本章將分別介紹臨海/陸地?zé)o人機(jī)通信系統(tǒng)共有的挑戰(zhàn)及臨海無人機(jī)所面臨的獨(dú)特挑戰(zhàn)，概述已研究的工作和仍存在的問題，以便學(xué)者們?cè)诖嘶A(chǔ)上有更進(jìn)一步的探究.

3.1 臨海/陸地?zé)o人機(jī)共有挑戰(zhàn)

無人機(jī)應(yīng)用在陸地或海洋時(shí)，其面臨的主要挑戰(zhàn)包括能源限制、方位部署、路徑規(guī)劃、通信覆蓋及干擾控制，而這些挑戰(zhàn)又相互關(guān)聯(lián)，往往需要綜合考慮以優(yōu)化系統(tǒng)整體性能.另外，因?yàn)榕R海的獨(dú)特環(huán)境以及無人機(jī)所執(zhí)行的任務(wù)有所差異，所以在上述問題的考慮和設(shè)計(jì)上也有所區(qū)分.

受尺寸與重量的約束，無人機(jī)的載荷與儲(chǔ)能有限，限制了通信效率、計(jì)算能力及耐用性.因此需要在無人機(jī)方位部署和運(yùn)行機(jī)制中合理考慮能源的分配和補(bǔ)充，從而有效地保障通信任務(wù)的執(zhí)行[39-40].在維持基本的通信服務(wù)的基礎(chǔ)上，可以通過合理部署、調(diào)度無人機(jī)進(jìn)行能量補(bǔ)給，同時(shí)通過調(diào)整無人機(jī)的布局可以適應(yīng)通信需求，優(yōu)化通信性能.Wu等[41]研究了一種新型多無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出一種迭代算法來優(yōu)化無人機(jī)調(diào)度、軌跡和傳輸功率，提高了通信效率.Lyu等[42]設(shè)計(jì)出一種螺旋算法優(yōu)化無人機(jī)部署，能夠用盡可能少的無人機(jī)基站覆蓋所有終端用戶.另外，針對(duì)終端用戶較多的情況，Lyu等[9-11]還設(shè)計(jì)了一種循環(huán)時(shí)分多址接入方式，根據(jù)無人機(jī)位置靈活調(diào)度接入的用戶，提高網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量.Liu等[43]提出一種創(chuàng)新的空中協(xié)調(diào)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，通過優(yōu)化無人機(jī)的部署和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)提高用戶的平均吞吐量.除了無人機(jī)的部署，在臨海通信系統(tǒng)中，還涉及到無人機(jī)與無人艇(unmanned surface vessel,USV)的聯(lián)合部署，F(xiàn)rancisco等[44]提出了一種基于無人機(jī)和USV協(xié)作的海上救援系統(tǒng)，USV利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)落水者的位置演變進(jìn)行建模，預(yù)測(cè)落水者位置，無人機(jī)快速搜索定位，兩者協(xié)同合作高效搜索救援目標(biāo).

另一方面，可以在無人機(jī)飛行和通信過程中減少能源消耗，這就涉及路徑規(guī)劃問題，合適的飛行路徑不僅能降低飛行能耗，還能有效縮短通信距離，避開干擾，提高通信速率和能效.Yang等[39]推導(dǎo)出無人機(jī)與終端的傳輸能耗與推進(jìn)能耗表達(dá)式，通過優(yōu)化傳輸功率和無人機(jī)軌跡，實(shí)現(xiàn)傳輸能耗和推進(jìn)能耗之間的最優(yōu)權(quán)衡.Zeng等[40]提出了固定翼無人機(jī)的能耗模型，運(yùn)用連續(xù)凸逼近算法優(yōu)化無人機(jī)的軌跡以最大化能量效率.但路徑規(guī)劃一直是個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)椴粌H要考慮能耗，無人機(jī)的高移動(dòng)性通常會(huì)導(dǎo)致高度動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，這些拓?fù)渫ǔＯ∈枨议g歇地連接[45]，所以這是一個(gè)多方面權(quán)衡的問題.Liu等[46]考慮無人機(jī)覆蓋公平性、連接性和能耗，提出一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的算法，最大化無人機(jī)能效.

而當(dāng)無人機(jī)在海上作業(yè)時(shí)，添加燃料相對(duì)來說比較困難，且受海上惡劣環(huán)境的影響，能量損耗大會(huì)影響信息回傳效率，因此需要盡可能地縮短任務(wù)時(shí)間，降低飛行能耗.Yang等[47]運(yùn)用改進(jìn)的稀疏A*算法設(shè)計(jì)無人機(jī)最優(yōu)飛行軌跡以提高無人機(jī)搜索目標(biāo)區(qū)域的效率，該方案可以減少轉(zhuǎn)彎能耗且縮短航程.Cho等[48]提出了多無人機(jī)的路徑生成模型，該模型可以在給定的時(shí)間范圍內(nèi)以最少數(shù)量的無人機(jī)監(jiān)視所有安全檢查點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)可能發(fā)生的緊急情況無縫感知.Sujit等[49]針對(duì)無人機(jī)采集AUV信息并反饋給基站這一任務(wù)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)制生成無人機(jī)以及AUV的路徑，使得無人機(jī)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)高效完成數(shù)據(jù)采集任務(wù).但上述研究多為固定飛行高度的二維軌跡優(yōu)化，而三維軌跡優(yōu)化可進(jìn)一步提升通信效率，將會(huì)是未來的研究熱點(diǎn).并且無人機(jī)群路徑規(guī)劃是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，迫切需要研究動(dòng)態(tài)軌跡控制方法，增加端到端鏈路連接的可能性，保持目標(biāo)區(qū)域的通信覆蓋.

通信覆蓋主要指搭載空中基站的無人機(jī)在與控制臺(tái)保持連接的基礎(chǔ)上去覆蓋地面/海面用戶，為用戶提供通信服務(wù)；或由臨?；緦?duì)地面/海面/空中用戶進(jìn)行通信覆蓋.文獻(xiàn)[7]提出一種自適應(yīng)設(shè)計(jì)天線波束的天線陣列，用于生成三維波束，實(shí)現(xiàn)空中用戶和地面用戶的聯(lián)合覆蓋，且能有效地減少無人機(jī)與基站之間的干擾，但由于硬件設(shè)施的局限性，三維波束的增益會(huì)受到約束.Chandhar等[50]使用MIMO技術(shù)來提高三維覆蓋范圍，通過在地面基站中采用大尺寸陣列天線來支持多無人機(jī)同時(shí)通信.由此可見，低成本、廣覆蓋的天線設(shè)計(jì)是通信覆蓋的主要挑戰(zhàn)之一.對(duì)于臨海通信系統(tǒng)，海上缺少通信基站，如何在廣闊的海域?qū)Ｃ嬗脩魧?shí)現(xiàn)無縫覆蓋成為一大問題.與用戶隨機(jī)移動(dòng)的陸地情況不同，海上船舶在分布和移動(dòng)性方面都具有獨(dú)特的特征，它們?cè)趶V闊海洋上的分布在空間和時(shí)間上都是稀疏的，大多數(shù)海洋用戶遵循固定的航道而非隨意移動(dòng)[17].因此，盡管海洋區(qū)域廣闊，無人機(jī)也能隨目標(biāo)船舶飛行，按需提供通信服務(wù).對(duì)于在岸邊基站與衛(wèi)星覆蓋范圍之外需要提供寬帶服務(wù)的船舶用戶，可以根據(jù)時(shí)變的通信需求靈活動(dòng)態(tài)地調(diào)度無人機(jī).Li等[51]深入研究了無人機(jī)作為空中基站如何優(yōu)化軌跡和傳輸功率，協(xié)調(diào)衛(wèi)星為海上船舶提供通信覆蓋.Lomonaco等[52]針對(duì)大規(guī)模海域搜救任務(wù)提出自組織無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，能夠在更短時(shí)間覆蓋更大區(qū)域，減小有限能耗對(duì)任務(wù)的影響.但大范圍、長距離、持續(xù)的通信覆蓋依舊是海上通信系統(tǒng)亟待解決的問題.

由于無人機(jī)處在較高的高度，信道由LoS主導(dǎo)，因此空地信道的干擾更加明顯，需要干擾管理技術(shù)來降低或避免干擾.對(duì)于與無人機(jī)關(guān)聯(lián)的基站，無人機(jī)與地面/海面用戶因?yàn)橛邢尥ㄐ刨Y源的競(jìng)爭(zhēng)，容易產(chǎn)生相互干擾；對(duì)于一些非關(guān)聯(lián)的基站，用戶也會(huì)對(duì)無人機(jī)產(chǎn)生信號(hào)影響，嚴(yán)重限制無人機(jī)的通信性能[8].van der Bergh等[53]提出一種具有協(xié)同干擾消除策略的多波束通信方案，旨在消除協(xié)同信道干擾，同時(shí)最大化可用基站的總速率.Mei等[54]通過聯(lián)合優(yōu)化資源分配和發(fā)射功率來減輕無人機(jī)的干擾效應(yīng)，最大化無人機(jī)的通信速率.此外，可以通過軌跡設(shè)計(jì)解決干擾和覆蓋問題.例如可以根據(jù)基站位置和用戶分布設(shè)計(jì)無人機(jī)的軌跡，在確保無人機(jī)通信的同時(shí)減少來自地面用戶和非關(guān)聯(lián)基站的干擾.Challita等[55]提出了一種無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的干擾感知路徑規(guī)劃方案，應(yīng)用基于回升狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，在最大化能效、最小化時(shí)延和蜂窩干擾之間達(dá)到平衡.臨海無人機(jī)通信中涉及地面、海面及空中用戶，通信節(jié)點(diǎn)間的相互干擾更加復(fù)雜，有待學(xué)者深入研究.

3.2 臨海無人機(jī)獨(dú)特挑戰(zhàn)

除了陸地?zé)o人機(jī)通信系統(tǒng)常見的一些挑戰(zhàn)以外，臨海無人機(jī)通信還面臨著更嚴(yán)峻的問題.最直觀的是海風(fēng)、湍流對(duì)無人機(jī)操作的影響，這需要在研發(fā)和生產(chǎn)上提升無人機(jī)控制性能，使其更加適應(yīng)海上環(huán)境.針對(duì)海風(fēng)對(duì)無人機(jī)的影響，本課題組設(shè)計(jì)了一種循環(huán)軌跡，其不僅能夠適應(yīng)風(fēng)速，甚至可以利用風(fēng)降低無人機(jī)的飛行能耗，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在海上的高效作業(yè)，在第4節(jié)會(huì)具體介紹.此外，無人機(jī)如何在海上安全著陸也是一個(gè)研究重點(diǎn)，即如何高效回收無人機(jī).海上多為固定翼無人機(jī)，因其續(xù)航久且抗風(fēng)性能強(qiáng)，但固定翼無人機(jī)需要跑道助力起降.考慮到無人機(jī)在完成任務(wù)后飛回陸地回收站可能耗費(fèi)多余的能量，假設(shè)由海上船舶回收無人機(jī)，不像陸地有較長的固定跑道，船舶在復(fù)雜的外部環(huán)境影響下始終處于移動(dòng)狀態(tài)，則無人機(jī)對(duì)船舶的實(shí)時(shí)跟蹤能力就影響到無人機(jī)能否可靠降落.其次無人機(jī)的可靠回收還需要考慮船舶上降落平臺(tái)的大小等是否與無人機(jī)類型相匹配，以及它的移動(dòng)軌跡、速度及定位手段.文獻(xiàn)[56-58]已對(duì)無人機(jī)海上安全著陸問題進(jìn)行了研究.值得一提的是，對(duì)于小型降落平臺(tái)，前文中所介紹的垂直起降復(fù)合翼無人機(jī)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇.

回歸通信本身，受限于海上環(huán)境，建設(shè)海上固定基站面臨諸多難題且成本效益有限，而單純靠沿岸的基站覆蓋范圍十分有限.因此在海上提供遠(yuǎn)距離(實(shí)時(shí))可靠回傳鏈路是無人機(jī)輔助海上通信最主要的挑戰(zhàn).接下來主要介紹臨海無人機(jī)通信中可能存在的幾種數(shù)據(jù)回傳鏈路(backhaul,BH)以及它們的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn).

1) 岸基：當(dāng)無人機(jī)在近海海域飛行時(shí)，數(shù)據(jù)直接回傳陸地基站，時(shí)延較短傳輸速率較高，但其受到距離的限制，距離較遠(yuǎn)時(shí)無線回程鏈路的有限容量將影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸.無人機(jī)可在超視距(beyond line of sight,BLoS)范圍(例如距離地面控制站50 km)內(nèi)借助定向天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的視頻圖傳[59]，但超過這一范圍無線鏈路將很難達(dá)到通信要求.

2) 衛(wèi)星：當(dāng)無人機(jī)在遠(yuǎn)海作業(yè)時(shí)沒有基站覆蓋，此時(shí)可以使用海事衛(wèi)星通信，其通信距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍大，通信成本受通信距離影響較小.但衛(wèi)星通信的傳輸時(shí)延大，數(shù)據(jù)要先從無人機(jī)傳到衛(wèi)星再從衛(wèi)星傳回陸地，遠(yuǎn)距離導(dǎo)致高延遲，難以完成一些實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù).其次衛(wèi)星存在通信盲區(qū)，不是每個(gè)角落都能夠覆蓋到，因此不能完全依賴于衛(wèi)星傳輸.再者衛(wèi)星通信的費(fèi)用高昂、造價(jià)高、帶寬受限，并且會(huì)受到日凌、星蝕、雨衰等現(xiàn)象的影響導(dǎo)致信號(hào)中斷[60]，因此要根據(jù)任務(wù)的需求判斷是否適合使用衛(wèi)星鏈路回傳數(shù)據(jù).

3) 船舶：配備高增益天線的船舶也可以作為海面基站為空中的無人機(jī)提供通信服務(wù).由于海上有固定的航道，大多數(shù)船舶沿著航道運(yùn)行，有著一定的規(guī)律，利用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system,AIS)可以獲得船舶航行的數(shù)據(jù)[17]，以此作為參考，變動(dòng)無人機(jī)飛行軌跡，使得無人機(jī)與船舶間實(shí)現(xiàn)高速率通信.但無人機(jī)作業(yè)地點(diǎn)未必在船舶航道附近，且未必每艘船都配備有高增益天線，這使得無人機(jī)需要消耗多余能量尋找合適船舶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.其次，若信息需要回傳陸地，則船舶未必是一個(gè)最佳選擇.

4) 多跳：當(dāng)無人機(jī)與岸邊基站或船舶無法直接建立通信連接時(shí)，可以利用多無人機(jī)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多跳通信[18]，降低單跳的路徑損耗，利用多跳組合延長通信距離.這需要多架無人機(jī)協(xié)同工作，因而增加了任務(wù)的難度，包括動(dòng)態(tài)調(diào)整無人機(jī)的飛行狀態(tài)以及通信范圍，以及多無人機(jī)之間的信號(hào)干擾管理.

5) 無回傳鏈路：目前無人機(jī)數(shù)據(jù)采集通常存儲(chǔ)于無人機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備中，降落后讀取數(shù)據(jù).在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求低且無人機(jī)本地存儲(chǔ)量充足的情況下，可先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，待指定任務(wù)完成后飛回陸地或船舶再下載數(shù)據(jù).這樣使得無人機(jī)無需消耗多余的能量來調(diào)整軌跡和傳輸數(shù)據(jù).

6) 針對(duì)海上無蜂窩網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)回傳問題，文獻(xiàn)[18]設(shè)想了一種無人機(jī)輔助無線網(wǎng)絡(luò)通信的解決方案，為海上搜索和救援等任務(wù)提供可靠、低延遲的蜂窩鏈路.方案中無人機(jī)扮演三種角色，分別為基站、中繼與射頻拉遠(yuǎn)頭(remote radio head,RRH).RRH-無人機(jī)具有云端無線接入網(wǎng)(cloud-radio access network,C-RAN)的優(yōu)勢(shì).RRH與處理基帶信號(hào)(base band unite,BBU)的元件分離，基帶信號(hào)虛擬化在云中.因此，不需要機(jī)載BBU，從而減輕了無人機(jī)的重量和有效載荷的復(fù)雜性.此外，C-RAN配置通過集中基帶處理來增強(qiáng)資源管理并降低無人機(jī)的功耗.但這樣的功能拆分需要通過遠(yuǎn)程無線、高速、低延遲鏈路將BBU和RRH連接起來，文中給出了多種海上回傳鏈路通信技術(shù)，并結(jié)合實(shí)際情況仿真了不同技術(shù)的信道容量與通信速率，結(jié)果顯示海上無人機(jī)輔助的無線網(wǎng)絡(luò)面臨著不同層次的問題，因此難以設(shè)計(jì)出最佳解決方案，但考慮不同的性能指標(biāo)，可以選擇BH技術(shù)和系統(tǒng)架構(gòu)的最佳組合.

此外，Gorczak等[61]同樣針對(duì)海上長距離可靠通信這一挑戰(zhàn)，介紹了一種LTE數(shù)據(jù)鏈路支持的無人機(jī)海上搜索救援系統(tǒng)，使用開源LTE協(xié)議棧開發(fā)了基于持久調(diào)度的資源保證方案，結(jié)果表明系統(tǒng)在延遲和可靠性方面滿足了無人機(jī)的通信要求.Braga等[62]討論了在通信范圍有限的情況下在指揮站和無人機(jī)之間維持通信鏈接的問題，提出使用一架無人機(jī)作為指揮站和執(zhí)行任務(wù)中的無人機(jī)之間通信的中繼，以維持所需的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)設(shè)置反饋機(jī)制實(shí)時(shí)調(diào)整無人機(jī)軌跡提高通信效率.

這些研究為海上長距離可靠數(shù)據(jù)傳輸提供了思路，可以根據(jù)無人機(jī)充當(dāng)?shù)耐ㄐ沤巧?，選擇能耗最小、通信速率最高且能滿足任務(wù)需求的最優(yōu)回傳方案.并且可以針對(duì)特定的回傳方案優(yōu)化無人機(jī)的部署或飛行軌跡，提高任務(wù)的整體效率.但海上無人機(jī)大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠回傳仍然面臨較大挑戰(zhàn)，目前還沒有研究成果能很好地解決這一問題，值得學(xué)者們深入探索.

4 無人機(jī)海上數(shù)據(jù)收集的案例分析

上節(jié)分析了臨海無人機(jī)通信所面臨的挑戰(zhàn)，其中，盡管固定翼無人機(jī)通常比旋翼無人機(jī)攜帶更多燃料并承載更重的有效載荷，但有限的能量仍是無人機(jī)海上長距離、長時(shí)間飛行的關(guān)鍵瓶頸之一.此外，由于海上遮擋物較少，空氣移動(dòng)摩擦力小，海上風(fēng)力往往比陸地上強(qiáng)，海風(fēng)引起的大氣阻力會(huì)影響無人機(jī)的飛行軌跡，從而限制無人機(jī)的飛行范圍，這給無人機(jī)海上作業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn).前文提到無人機(jī)的自身移動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)有利于高效完成數(shù)據(jù)收集任務(wù)，Ma等[63]提出了無人機(jī)輔助海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，其中無人機(jī)懸停在節(jié)點(diǎn)上方，收集水下數(shù)據(jù)傳到地面基站，優(yōu)化無人機(jī)位置及無人機(jī)與節(jié)點(diǎn)間通信，以最大限度地減少傳輸延遲.Zhang等[64]研究了多無人機(jī)輔助航道數(shù)據(jù)收集的部署和優(yōu)化.然而，上述工作沒有考慮風(fēng)的影響和連續(xù)的無人機(jī)軌跡優(yōu)化.為了延長任務(wù)持續(xù)時(shí)間，Chen等[65]研究了無線充電驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)輔助傳感數(shù)據(jù)采集，優(yōu)化無人機(jī)的軌跡和充電站的功率，以最大限度地提高電力傳輸效率，但未考慮風(fēng)的影響及無人機(jī)的能耗.考慮到風(fēng)的影響，Nachmani[66]提出利用或避開風(fēng)優(yōu)化無人機(jī)軌跡，以最小化無人機(jī)飛行能耗；而Pinto等[67]在必須存在風(fēng)場(chǎng)的情況下，提出了一個(gè)無人機(jī)以最少的飛行時(shí)間訪問固定航路點(diǎn)的模型.然而，文獻(xiàn)[66-67]都沒有明確考慮數(shù)據(jù)收集場(chǎng)景及無人機(jī)與浮標(biāo)間的通信.

因此，本章節(jié)以固定翼無人機(jī)海上浮標(biāo)數(shù)據(jù)收集作為案例，展示無人機(jī)賦能臨海通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考量.如圖3所示，考慮3種典型的浮標(biāo)分布情況，要求在海上有風(fēng)環(huán)境下，聯(lián)合優(yōu)化通信資源分配與無人機(jī)軌跡，以盡可能低的能耗完成數(shù)據(jù)收集任務(wù).假設(shè)無人機(jī)配備足夠大的存儲(chǔ)空間，可以在本地存儲(chǔ)所有收集的數(shù)據(jù)，并在無人機(jī)返回后下載.若數(shù)據(jù)需要保證實(shí)時(shí)性，則通過回程鏈路傳輸，回程鏈路可由沿海岸線部署的地面基站、配備高增益天線的艦船或海事衛(wèi)星提供，詳見3.2節(jié).

4.1 問題描述

圖3 不同浮標(biāo)分布下的無人機(jī)海上數(shù)據(jù)收集場(chǎng)景Fig.3 Maritime unmanned aerial vehicle data collection scenarios under different buoy distributions

4.2 解決方案

假定短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速是恒定的，則問題的變量為無人機(jī)軌跡、空速及通信時(shí)間分配.由于能耗模型關(guān)于問題變量是復(fù)雜的非凸函數(shù)，加上能耗優(yōu)化與通信任務(wù)量的耦合關(guān)系，導(dǎo)致該問題求解困難.本課題組采用連續(xù)凸逼近(successive convex approximation,SCA)技術(shù)近似求解原問題得到次優(yōu)解[68]，但問題的計(jì)算復(fù)雜度仍然隨著任務(wù)時(shí)間不斷提高.對(duì)于海上浮標(biāo)數(shù)據(jù)收集，每個(gè)浮標(biāo)都可能存儲(chǔ)大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，需要延長任務(wù)時(shí)間才能完成數(shù)據(jù)收集，導(dǎo)致算法復(fù)雜度仍然很高.另外，固定翼無人機(jī)必須保持向前飛行的動(dòng)力無法懸停，因此軌跡復(fù)雜度也隨之提高.此外，基于SCA的解決方案在很大程度上依賴于軌跡初始化，很可能陷入某個(gè)局部最優(yōu)點(diǎn).為了解決上述挑戰(zhàn)，本課題組提出了一種新的循環(huán)軌跡設(shè)計(jì)方案，該方案可以在有風(fēng)情況下高效地收集任意數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)，并利用風(fēng)降低無人機(jī)飛行的能耗，同時(shí)適用于不同的浮標(biāo)位置拓?fù)?

4.3 仿真結(jié)果

數(shù)值結(jié)果表明，本課題組所提出的循環(huán)軌跡設(shè)計(jì)在能耗、計(jì)算時(shí)間和軌跡的復(fù)雜度方面總體優(yōu)于傳統(tǒng)僅基于SCA的方案.此外，與無風(fēng)的情況相比，優(yōu)化后的軌跡可以主動(dòng)利用風(fēng)降低飛行能耗，并且八字形軌跡還可能優(yōu)于簡(jiǎn)單的單圓軌跡，從而以更低的能耗完成收集任務(wù).

圖4 優(yōu)化后的圓形飛行軌跡(a)及空速(b)Fig.4 Optimized trajectory (a) and airspeed (b) for circular trajectory

圖5 優(yōu)化后的八字形飛行軌跡(a)及空速(b)Fig.5 Optimized trajectory (a) and airspeed (b) for 8-shape trajectory

以兩個(gè)浮標(biāo)為例，浮標(biāo)位置如圖4(a)所示，每個(gè)浮標(biāo)存儲(chǔ)6 Gbits的數(shù)據(jù)，無人機(jī)的飛行高度H=100 m，設(shè)定M=20，則單圈每個(gè)浮標(biāo)所需收集數(shù)據(jù)量為300 Mbits.為驗(yàn)證本節(jié)方案的優(yōu)勢(shì)，選取完全按照?qǐng)A形或8字形飛行作為基準(zhǔn)方案，僅優(yōu)化得到最優(yōu)的固定飛行地速(無人機(jī)相對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)的速度)、飛行半徑及周期時(shí)長.圖4和5分別為基準(zhǔn)方案及優(yōu)化后的圓形與8字形在無風(fēng)與風(fēng)速為6 m/s 的情況下的軌跡與空速.首先看圓形軌跡，在圖4中優(yōu)化后的圓形軌跡平衡了無人機(jī)空速、飛行時(shí)長、轉(zhuǎn)向能耗及與浮標(biāo)的距離，以適應(yīng)風(fēng)的影響從而降低能耗.結(jié)合表1，對(duì)比基準(zhǔn)方案，無風(fēng)與風(fēng)速為6 m/s的情況下能耗分別降低了2.2%與8.8%.具體體現(xiàn)在圓形軌跡被其與風(fēng)向平行的對(duì)稱軸分為兩個(gè)部分，在有風(fēng)情況下，軌跡左半部分受逆風(fēng)影響，為了貼近浮標(biāo)以縮短通信距離，無人機(jī)在左半部分可以利用逆風(fēng)減慢速度，從而減少了轉(zhuǎn)向能耗又能獲得更好的通信信道.

接著看8字形軌跡，結(jié)合圖5，由表1可得在無風(fēng)與風(fēng)速為6 m/s的情況下，優(yōu)化后的8字形軌跡比基準(zhǔn)方案能耗分別降低了6.0%與9.7%，盡管8字形軌跡需要產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)向能耗，但在浮標(biāo)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，優(yōu)化后的8字形軌跡縮短了總的通信距離進(jìn)而提升了通信速率，因此縮短了總的任務(wù)飛行時(shí)間，使得8字形軌跡總的能耗比圓形軌跡低.此外，根據(jù)風(fēng)向優(yōu)化后的無人機(jī)軌跡導(dǎo)向θ，使無人機(jī)在距離浮標(biāo)較遠(yuǎn)處盡量避免受到逆風(fēng)的影響，盡可能利用順風(fēng)增加對(duì)地速度，縮短飛行時(shí)間從而減少能耗，而在接近浮標(biāo)的位置減慢速度以更好的通信信道收集浮標(biāo)數(shù)據(jù).

表1 基準(zhǔn)方案與優(yōu)化方案在不同風(fēng)況下的能耗對(duì)比Tab.1 Energy consumption of the benchmark scheme and our optimized scheme under different wind conditions kJ

此外，當(dāng)風(fēng)速為12 m/s時(shí)，與基準(zhǔn)方案相比，優(yōu)化后的圓形與8字形軌跡能耗分別降低了21.4%與19.1%.可見風(fēng)速越大，優(yōu)化方案效果越明顯.值得一提的是，隨著風(fēng)速的增大，基準(zhǔn)方案需要消耗更高的能量來克服風(fēng)的影響以完成通信任務(wù)，而優(yōu)化方案則能主動(dòng)利用風(fēng)來降低能耗，因此反而比無風(fēng)時(shí)消耗更少的能量.進(jìn)一步地，本課題組開展了更詳盡的仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)浮標(biāo)數(shù)量越多、承載數(shù)據(jù)量越大或拓?fù)鋸?fù)雜的情況下，優(yōu)化后的方案能夠更大程度的降低能耗.因此，在考慮風(fēng)的情況下，根據(jù)不同的浮標(biāo)拓?fù)湟约案?biāo)數(shù)據(jù)量，選擇合適的初始化軌跡優(yōu)化無人機(jī)的軌跡、空速與通信時(shí)間分配是很有必要的.

拓展到更多浮標(biāo)的情況，如圖3所示，若浮標(biāo)間距離較近則根據(jù)所提出的方案結(jié)合浮標(biāo)的拓?fù)湮恢迷O(shè)計(jì)覆蓋多浮標(biāo)的循環(huán)飛行軌跡.另外，若浮標(biāo)間距離較遠(yuǎn)，則可運(yùn)用旅行商(travelling salesman problem,TSP)算法確定最優(yōu)的訪問浮標(biāo)順序，當(dāng)每個(gè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)量大時(shí)，針對(duì)每個(gè)浮標(biāo)運(yùn)用所設(shè)計(jì)的循環(huán)軌跡方案，當(dāng)浮標(biāo)數(shù)據(jù)量較小時(shí)則直接結(jié)合風(fēng)優(yōu)化無人機(jī)軌跡、空速和通信時(shí)間分配.具體的算法與更多的仿真結(jié)果可參見文獻(xiàn)[69].

本節(jié)以固定翼無人機(jī)的海上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，研究了風(fēng)對(duì)無人機(jī)完成海上通信任務(wù)的影響及對(duì)無人機(jī)飛行能耗的影響，并提出了一種新的循環(huán)軌跡設(shè)計(jì)方案.該方案可以適用于有風(fēng)環(huán)境下任意數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)采集工作，降低了軌跡優(yōu)化的計(jì)算復(fù)雜度以及軌跡復(fù)雜度，并且可以主動(dòng)利用風(fēng)以更低的能耗完成通信任務(wù).

5 總 結(jié)

本文詳細(xì)描述了無人機(jī)賦能臨海通信系統(tǒng)的機(jī)遇與挑戰(zhàn).隨著無人機(jī)在通信領(lǐng)域的應(yīng)用急劇增加，無人機(jī)性能的不斷提升以及6G展望中提出實(shí)現(xiàn)空天地海立體通信的戰(zhàn)略部署，無人機(jī)賦能臨海通信系統(tǒng)迎來了極大的機(jī)遇，同時(shí)也面臨著一系列新的挑戰(zhàn).文章首先介紹了臨海無人機(jī)選型與臨海無人機(jī)通信場(chǎng)景，隨后介紹了臨海無人機(jī)通信鏈路和信道，然后重點(diǎn)介紹了無人機(jī)賦能臨海通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)，指出潛在的發(fā)展方向.最后針對(duì)海上有風(fēng)情況下無人機(jī)收集浮標(biāo)數(shù)據(jù)這一實(shí)例，設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)循環(huán)飛行軌跡，使得無人機(jī)能夠在完成通信任務(wù)的前提下有效利用風(fēng)來降低無人機(jī)飛行的能耗，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能通信.希望本文所概述的問題和挑戰(zhàn)能夠?yàn)檠芯咳藛T設(shè)計(jì)和構(gòu)建無人機(jī)賦能的臨海通信系統(tǒng)帶來啟發(fā)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)更廣闊的應(yīng)用前景.