基于5G 的無人機智能組網(wǎng)的應急通信技術開發(fā)及應用

廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司 陳振龍

應急事件的處理過程中，通信技術的先進性和智能化程度對于應急事件處理效果的達成有非常重要的促進作用。5G 技術支持下，無人機智能組網(wǎng)的應急通信技術，成為現(xiàn)階段應急事件處理中發(fā)揮核心作用的技術與系統(tǒng)。結合5G 技術的基本應用特征和功能要點，針對無人機智能組網(wǎng)、應急通信系統(tǒng)的關鍵技術進行分析，進一步的合理應用通信技術，為提升無人機智能組網(wǎng)通信的質量提供支持。具體來說，5G 網(wǎng)絡支持下的應急通信技術包括智能化的部署控制技術、協(xié)議數(shù)據(jù)融合技術、無人機編隊控制技術、自適應路由技術。針對上述關鍵技術進行分析，有利于利用5G 通信網(wǎng)絡，達到更好的應急通信技術應用效果。

無人機在現(xiàn)階段的地形測繪、偵查通信等多個領域都發(fā)揮著重要的作用。尤其是對于應急通信通道和網(wǎng)絡的搭建來說，無人機能夠以高端的技術支持和最小化的人力成本支出，獲得應急事件處理的良好效果。通過突破客觀環(huán)境困難的技術支撐，為突發(fā)事件處理中應急通信環(huán)節(jié)的工作提供重要的支持。5G 網(wǎng)絡作為網(wǎng)絡覆蓋面大、信號質量高的網(wǎng)絡系統(tǒng)，與無人機智能組網(wǎng)應急通信技術實現(xiàn)聯(lián)動開發(fā)應用，有利于提升這項技術的應用成效、優(yōu)化應急事件的處理工作質量。

1 應急通信系統(tǒng)的基本架構分析

1.1 總體架構分析

5G 網(wǎng)絡支持下的智能組網(wǎng)應急通信平臺多為高空平臺。若對應急通信系統(tǒng)的基本架構進行進一步細分，可分為非系留式和系留式兩種類型。其中，非系留式架構的系統(tǒng)結構中，包括了基礎基站高空平臺、區(qū)域核心網(wǎng)絡區(qū)域、回傳終端區(qū)域等[1]。在實踐應用中，主要通過高空平臺完成通信網(wǎng)絡的搭建。由回傳終端和機載基站進行應急通信網(wǎng)絡的回傳和覆蓋，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)信息向核心網(wǎng)絡區(qū)域的傳達。而核心網(wǎng)絡區(qū)域，主要承擔會話管理接入管理和用戶數(shù)據(jù)的轉發(fā)與管理功能。而對于系留式應急通信系統(tǒng)而言，其整體架構的連接，需要借助專用電纜和電源[2]。

1.2 高空平臺區(qū)域分析

高空平臺在應急通信系統(tǒng)中具有非常嚴格的功能性要求。具體來說，此平臺在實踐應用中，需要滿足長時間續(xù)航的要求。同時，運輸和部署環(huán)節(jié)也應當快速而便捷?，F(xiàn)階段，無人機在高中平臺中的應用，也相對更加集中而廣泛。在無人機應用于高空平臺進行通信傳輸時，需結合無人機的不同類型進行合理選擇[3]。專業(yè)無人機，由于其能夠長時間不間斷地進行供電，因此，在應用的持續(xù)性和穩(wěn)定性上更強。目前，專用無人機中，旋翼無人機是應用在高空平臺進行通訊信息傳輸?shù)闹饕獰o人機類型。

1.3 機載基站系統(tǒng)分析

機載基站系統(tǒng)的基本結構中包括了光電復合纜、基站天線和輕量化基站三部分基本結構。其中，輕量化基站的通信主要依托一體化通信網(wǎng)絡發(fā)揮作用?；镜幕窘Y構中，包括了電源模塊、基帶控制單元兩部分[4]。在實踐操作的過程中，主要根據(jù)無人機升高后的懸停點位進行基站覆蓋范圍的網(wǎng)絡定位。而在機載基站結構中，光電復合纜主要用來連接地面通信車與高空平臺機載站，實現(xiàn)信息的傳輸?；咎炀€一般發(fā)揮接收和發(fā)射信號的作用，通常情況下，天線角度可實現(xiàn)360°旋轉，另外，垂直角度最高不超過20°。

2 5G 網(wǎng)絡支持下無人機智能組網(wǎng)應急通信系統(tǒng)的應用優(yōu)勢分析

2.1 有利于提高網(wǎng)絡傳輸?shù)幕拘阅?/h3>

在5G 信息技術的支持下，無人機設備的應用靈活性會更進一步地增強。另外，網(wǎng)絡傳輸背景下，5G 信號的穩(wěn)定性和信號質量也能夠達到更高的水平層次。不僅能夠促使無線網(wǎng)絡的整體覆蓋面積有所增大，網(wǎng)絡傳輸?shù)男阅軤顟B(tài)也會得到優(yōu)化。信息傳輸?shù)男Ч軌蚋玫貪M足整個網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的通信要求，應急事件的處理工作也可在相關技術的支持下，獲得更加穩(wěn)定良好的效果。

2.2 有利于通過數(shù)據(jù)計算獲得最優(yōu)的飛行路線選項

無人機飛行的過程中，飛行路線和飛行速率是影響無人機工作效果的關鍵指標。無人機實踐飛行的過程中，最佳路線的選擇需要依托專業(yè)的智能化算法進行獲得。而5G 通信信號的覆蓋，能夠使得學習和計算的過程更進一步地在效率上獲得提升[5]。具體的系統(tǒng)設計和技術應用人員，需結合無人機飛行的基本原理，以及5G 信號覆蓋后的信息傳輸狀態(tài)有效接收相關的數(shù)據(jù)信息。并結合科學的算法對數(shù)據(jù)信息傳達的內(nèi)容進行合理的確認和定位。確保5G 通信技術支持下的數(shù)據(jù)計算和網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，在學習過程和效果上更加穩(wěn)定而有效。

2.3 有利于在通信不便或設備毀壞的狀態(tài)下實現(xiàn)應急通信的穩(wěn)定保障

通信狀態(tài)不變，或設備毀壞會直接造成通信的中斷。因此，需要通過應急通信系統(tǒng)的搭建，達到預期的信息傳輸效果。在具體實踐的過程中，5G 信息系統(tǒng)的覆蓋，能夠保證在通信基礎設施發(fā)生損壞的情況下，依舊供應5G 級別的應急通信服務。這對于應急通信的保障力度具有針對性地提升作用。另外，5G 通信技術，現(xiàn)階段具有先進性和完善性更強的特征，與人工智能技術也可實現(xiàn)有效地融合。這與無人機這種智能設備的應用有非常顯著的匹配性，對于取得更好的信息傳輸效果和故障排除效果有非常重要的提升作用[6]。

3 5G 網(wǎng)絡支持下的無人機智能組網(wǎng)應急通信關鍵模塊分析

3.1 5G 通信模塊分析

5G 通信模塊的基本結構包括了5G 射線電路和通信處理器兩部分。在通信功能發(fā)揮的過程中，需選擇臨近地面的應急通信方艙車進行基站的裝配和無人機的搭載。這一模塊的設置，形成了通信匯聚節(jié)點，而5G 射頻電路可直接與天線相連，實現(xiàn)5G 射頻信號的收發(fā)。通信模塊的頻率水平達到3.5GHz[7]，此模塊在發(fā)揮作用的過程中，主要依托5G 無線網(wǎng)絡接入通信模塊。在具體應用過程中，5G 通信模塊在獲取用戶信號后，可通過通信處理器將信號實現(xiàn)轉換，傳送至組網(wǎng)模塊中，由組網(wǎng)模塊根據(jù)用戶的實際身份信息和性質實現(xiàn)信息的重組，并下發(fā)給用戶終端。

3.2 組網(wǎng)模塊分析

此模塊的基本結構包括組網(wǎng)射頻電路和組網(wǎng)處理器兩部分。其中，射頻電路與電線直接相連，主要承擔信息收發(fā)功能。組網(wǎng)處理器則負責組網(wǎng)和飛控信息的有效處理以及非控協(xié)議的正常運行維持。這一模塊在5G 通信系統(tǒng)的支撐下，能夠對網(wǎng)間中繼信息進行基于協(xié)議的有效轉換，隨后，再完成不同組網(wǎng)模塊之間的信息交互。無人機將搭載著經(jīng)過轉換處理的信息，到達通信匯聚節(jié)點，完成獲取的信息，向地面的直接傳輸。傳輸?shù)倪^程，也意味著用戶終端與通信系統(tǒng)之間形成了有效的連接。除此之外，組網(wǎng)模塊還能夠實現(xiàn)飛控系統(tǒng)的飛行指令傳輸協(xié)議的轉換。隨后建立空地控制通路，對無人機與地面控制臺之間的聯(lián)系狀態(tài)進行有效的調整控制。在組網(wǎng)模塊實踐應用的過程中，信號傳輸頻率設置為5.8GHz，在信息傳輸連接時，選用全向天線技術做支持。

4 5G 與無人機聯(lián)動應用背景下的智能組網(wǎng)應急通信系統(tǒng)關鍵技術分析

4.1 5G 通信技術

此技術在實踐應用中，通過無人機與5G 基站的搭載聯(lián)動應用（如圖1 所示），實現(xiàn)基站的深空組網(wǎng)操作，構建具有應用適宜性的5G 應急通信網(wǎng)絡。5G 信號可實現(xiàn)對整個通信網(wǎng)絡的全面覆蓋，解決了其他頻率可能出現(xiàn)的干擾問題。在整個5G 通信網(wǎng)絡中，無人機主要發(fā)揮通信節(jié)點作用。針對一部分應急問題發(fā)揮治愈與抗毀功能，實現(xiàn)對全網(wǎng)節(jié)點信息的穩(wěn)定和共享。這對于提升應急救援信息系統(tǒng)的效能有非常重要的促進作用。

圖1 5G 時代大數(shù)據(jù)無人機高空基站Fig.1 5G era big data UAV high altitude base station

4.2 無人機智能部署與控制技術

在無人機應用的過程中，任務的完成需要無人機協(xié)同發(fā)揮作用。因此，多個無人機的編隊部署以及飛行控制，是充分發(fā)揮好其應急事件處理作用的重要前提條件。現(xiàn)階段無人機的編隊飛行要點在于，多架無人機需按照既定的隊形排列要求進行相關任務的分配。并精準控制和定位任務執(zhí)行的具體模式，在編隊飛行的過程中，應當針對性地解決飛行中的數(shù)據(jù)信息融合問題，以及編隊整個飛行過程的控制問題。而解決上述問題的具體技術要點包括以下幾部分:（1）協(xié)議數(shù)據(jù)融合技術支持下的改進優(yōu)化。本文探討的具體協(xié)議為MAVLink 協(xié)議。此協(xié)議現(xiàn)階段應用廣泛性相對更強。另外，數(shù)據(jù)融合時，多架無人機的飛行控制指令，都需要按照協(xié)議數(shù)據(jù)的統(tǒng)一格式進行重新打包和傳輸。因此，協(xié)議數(shù)據(jù)要通過統(tǒng)一的融合處理，為更進一步的數(shù)據(jù)傳輸做好準備。（2）無人機編隊控制技術分析。無人機的編隊控制技術主要是指，在編隊部署和編隊控制的過程中，結合目標任務的整體區(qū)域范圍對通信任務的距離、任務要求以及具體的約束條件進行系統(tǒng)性的部署。而編隊控制，則強調通過合理地進行隊形保持控制起落點位，控制防撞避障控制進行無人機飛行安全的保障。在編隊部署的過程中，應用的具體技術和方法為相關群體的智能部署算法。通過數(shù)據(jù)計算，能夠獲得無人機運行路徑的有效規(guī)劃，規(guī)避一些風險和問題[8]。而在編隊控制的具體執(zhí)行落實環(huán)節(jié)，主要需要借助虛擬力的部署算法和虛擬力的感知算法，對設備的完整性以及可能出現(xiàn)的風險問題進行感知和捕捉。在具體實踐中，預編程技術可進一步實現(xiàn)人工控制與無人機控制相結合的控制方式的應用，實現(xiàn)在5G網(wǎng)絡支持下完成網(wǎng)絡拓撲通信部署。同時，通過協(xié)議的優(yōu)化改進，保證飛行指令按照協(xié)議數(shù)據(jù)完成二次打包。

4.3 動態(tài)分簇與自適應路由技術分析

從基本特征上分析可知，無人機的5G 空中通信網(wǎng)絡在拓撲結構方面，處在動態(tài)變化的狀態(tài)下。因此，無人機的地面控制站需要采用全智能節(jié)點部署算法，對無人機的編隊飛行軌跡進行預期設計。在預期設計的多條軌跡中，選取能夠實現(xiàn)信號精準覆蓋且距離最短的路線設置為無人機在應急事件處理中的最佳飛行路線。以此為基礎，應用自組網(wǎng)分組算法，對未能充分考慮的無人機編隊網(wǎng)絡拓撲結構進行進一步的細節(jié)性考慮。為了確保數(shù)據(jù)計算的可靠性和有效性，可通過引入加權分簇算法達到預期的目標。

完成了基礎的分簇操作后，需要進一步針對無人機的自組網(wǎng)絡進行分析。以解決現(xiàn)階段網(wǎng)絡協(xié)議與無人機空中通信動態(tài)無法完全適應，以及通信延時要求高的實際問題為目標，提出強化學習自適應路由協(xié)議。通過自適應路由協(xié)議的自主學習過程，提升點位信息與鏈路質量的整體水平。另外，距離最短的鏈路和信息傳輸質量最好的鏈路也能夠在學習的過程中逐步發(fā)現(xiàn)并確認。

5 結語

結合實踐分析可知，在具體的5G 通信技術應用的過程中，需要結合無人機應用的基本要求，以及具體的應急通信覆蓋面積進行全面的分析。在此基礎上，了解5G信號覆蓋背景下無人機通信技術的應用要點，分別結合技術要點環(huán)節(jié)進行應用質量和應用效果的保障，優(yōu)化5G通信技術的應用效果。充分發(fā)揮出應急事件處理的過程中，5G 信號覆蓋對于無人機應急救援工作的指導和促進作用。

引用

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