基于動態(tài)調(diào)度的無人機多元通信技術(shù)研究

在面對信號干擾、障礙物或極端天氣條件時，無人機容易出現(xiàn)信號衰減或丟失，導(dǎo)致無法及時傳輸關(guān)鍵信息，影響任務(wù)的執(zhí)行效率。本文研究了無人機單一的無線傳輸方式的缺陷，提出動態(tài)調(diào)度算法，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行資源分配，實現(xiàn)更高效的無人機操作和數(shù)據(jù)管理，推動無人機技術(shù)在未來各個領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

一、引言

低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不僅為各個行業(yè)帶來了變革，也為社會提供了更高效的服務(wù)和解決方案。例如在通信行業(yè)，它不僅推動了通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與升級，提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和帶寬，還促進(jìn)了數(shù)據(jù)傳輸與處理能力的提升。無人機作為低空經(jīng)濟(jì)的一種新興的空中載具，憑其機動性強、成本低和靈活性高的特點，已廣泛應(yīng)用于商業(yè)和民用領(lǐng)域。然而，無人機的廣泛應(yīng)用也帶來了通信技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，尤其是在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率上。這些挑戰(zhàn)不僅影響了無人機的操作效率和可靠性，還限制了其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。為了解決這些問題，尋求更靈活且可靠的通信解決方案已成為無人機制造商和研究機構(gòu)的重點關(guān)注領(lǐng)域。相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和突破將對無人機的廣泛應(yīng)用及市場擴展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

二、無人機無線通信多元化綜述

（一）無人機通信的主要技術(shù)

目前市面上存在幾種常見的無人機無線通信技術(shù)，如無線電頻率（RF）、Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)（LTE/5G）、衛(wèi)星通信、LoRaWAN和ZigbeeMesh網(wǎng)絡(luò)等，這些技術(shù)在通信方式、帶寬、延遲、覆蓋范圍和可靠性等方面各具特色，如表1所示。

然而，無人機依賴單一無線傳輸方式可能會在多個方面存在顯著缺陷，首先是覆蓋范圍的局限性，例如Wi-Fi和藍(lán)牙等傳輸技術(shù)通常在遠(yuǎn)距離操作時信號衰減明顯，限制了無人機的飛行距離和應(yīng)用場景。其次，單一的傳輸方式抗干擾能力差，容易受到電磁干擾和其他無線信號的影響，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。此外，不同無線傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率也存在差異，單一技術(shù)往往無法滿足高清視頻流或?qū)崟r數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀邘捫枨?。最后，單一傳輸方式在?fù)雜環(huán)境中適應(yīng)性較差，可能在惡劣天氣或特定地形下失去有效的通信能力，導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此，為了提升無人機的性能和可靠性，多種無線傳輸方式的組合使用顯得尤為重要。

（二）多元化無線通信技術(shù)

1.多元化無線通信的定義

無人機多元化無線通信是指通過結(jié)合多種無線通信技術(shù)，使無人機能夠在不同環(huán)境和任務(wù)中靈活、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。其目的是實現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，尤其是在多個無人機與地面控制站（GCS）之間的通信。由于通信需求因任務(wù)類型、環(huán)境因素和實時性要求而異，動態(tài)調(diào)度算法成為優(yōu)化資源分配的關(guān)鍵。

2.動態(tài)調(diào)度算法

動態(tài)調(diào)度算法能夠根據(jù)實時的網(wǎng)絡(luò)狀況、任務(wù)需求和環(huán)境變化靈活調(diào)整資源分配策略。該算法通過監(jiān)測信道的負(fù)載情況和信號質(zhì)量，智能選擇最合適的通信方式和頻率，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?。此外，動態(tài)調(diào)度還能夠平衡多個無人機之間的通信負(fù)載，避免單一通道的過度擁塞，提升整體系統(tǒng)的性能和響應(yīng)速度。在面對復(fù)雜的操作環(huán)境時，這種靈活性使得無人機能夠更有效地完成任務(wù)，保證任務(wù)執(zhí)行的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

具體來說，首先通過傳感器實時監(jiān)測無人機的信號強度（RSSI）和帶寬使用情況，以便為后續(xù)的資源分配提供依據(jù)。同時，為每個任務(wù)分配優(yōu)先級，采用動態(tài)信道分配算法（如最小延遲優(yōu)先調(diào)度、輪詢等），根據(jù)每個無人機的優(yōu)先級和當(dāng)前信道的使用情況進(jìn)行信道分配。此外，系統(tǒng)還會通過傳感器和反饋機制，實時監(jiān)控每個無人機的信號質(zhì)量和帶寬使用情況，以便進(jìn)行及時的調(diào)整。

3.優(yōu)先級調(diào)度策略

優(yōu)先級調(diào)度策略包括多種方法，例如最小化延遲優(yōu)先、輪詢調(diào)度和貪婪算法，旨在確保高優(yōu)先級任務(wù)的資源分配。

最小化延遲優(yōu)先調(diào)度策略旨在減少數(shù)據(jù)包從源節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點的傳輸延遲，通常適用于對延遲敏感的應(yīng)用，如實時視頻傳輸、無人機控制信號以及無人機進(jìn)行的即時視頻監(jiān)控等。通過優(yōu)先處理那些預(yù)計會導(dǎo)致較高延遲的數(shù)據(jù)包，該策略可以顯著提升系統(tǒng)的實時性。在這種調(diào)度策略中，每個數(shù)據(jù)包在被調(diào)度時都會計算其預(yù)計延遲。預(yù)計延遲通常由數(shù)據(jù)包的大小、當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸路徑的復(fù)雜性及其他網(wǎng)絡(luò)流量等因素共同決定。系統(tǒng)會根據(jù)計算出的延遲值對數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序，優(yōu)先處理延遲值最小的數(shù)據(jù)包。

輪詢調(diào)度是一種簡單且公平的調(diào)度策略，能夠通過循環(huán)訪問每個待處理的數(shù)據(jù)包，確保所有數(shù)據(jù)包都能在相對固定的時間間隔內(nèi)獲得服務(wù)。該策略主要適合于對延遲要求不高且需要公平處理的場景，如無人機之間的任務(wù)分配和數(shù)據(jù)采集任務(wù)。它常見于環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)灌溉等需要定期收集數(shù)據(jù)的應(yīng)用。其優(yōu)勢在于實現(xiàn)簡單，且能有效避免長時間的饑餓現(xiàn)象（即某些數(shù)據(jù)包長期得不到處理的情況）。然而，它的缺點在于在高負(fù)載情況下，輪詢調(diào)度可能導(dǎo)致不必要的延遲，尤其是在某些數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級顯著高于其他數(shù)據(jù)包時。

貪婪算法是一種策略性決策方法，它在每個調(diào)度步驟中選擇當(dāng)前看起來最優(yōu)的方案，以期在全局范圍內(nèi)實現(xiàn)最優(yōu)解。在無人機通信調(diào)度中，貪婪算法會在每個時刻選擇能夠帶來最大即時效益的任務(wù)或數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。這種方法強調(diào)局部最優(yōu)解，不一定能得到全局最優(yōu)解，但在很多情況下能夠提供較好的近似解。主要適合在任務(wù)優(yōu)先級不均衡且需要快速響應(yīng)的場景中使用，如無人機在執(zhí)行緊急救援任務(wù)時，可能需要優(yōu)先處理緊急數(shù)據(jù)包，而不顧其他低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包。在貪婪算法中，調(diào)度器會根據(jù)某種效益函數(shù)（例如數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級、延遲、大小等）進(jìn)行選擇。通過不斷選擇最佳選項，貪婪算法能夠快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)情況的變化，從而實現(xiàn)動態(tài)調(diào)度。

在無人機多元化通信技術(shù)中，選擇合適的調(diào)度策略對于確保通信效率、提高任務(wù)完成率至關(guān)重要。最小化延遲優(yōu)先適用于對實時性要求高的應(yīng)用，而輪詢調(diào)度則更適合于公平性要求較高的場合。貪婪算法則在處理復(fù)雜和動態(tài)的任務(wù)時表現(xiàn)出其靈活性和快速響應(yīng)能力。在實際應(yīng)用中，結(jié)合多種調(diào)度策略以應(yīng)對不同的場景和需求，將有助于進(jìn)一步優(yōu)化無人機的通信資源分配和任務(wù)執(zhí)行效率。

三、無人機多元化無線通信具體使用場景

（一）蜂窩網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信結(jié)合

在廣泛區(qū)域（如偏遠(yuǎn)地區(qū)或海上）運行的無人機可以結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)（4G/5G）與衛(wèi)星通信技術(shù)。

1.災(zāi)后救援

在自然災(zāi)害后，地面通信設(shè)施可能受損，衛(wèi)星通信確保無人機可以在任何地方保持連接。同時，蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。二者結(jié)合，實現(xiàn)實時監(jiān)控與信息共享，提高救援響應(yīng)速度與效果。無人機在自然災(zāi)害現(xiàn)場的應(yīng)急救援中表現(xiàn)突出。它使用衛(wèi)星通信和蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，在現(xiàn)場利用Wi-Fi與救援人員的移動設(shè)備進(jìn)行連接，確保重要信息能夠迅速傳遞。

2.物流配送

在城市及偏遠(yuǎn)地區(qū)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供快速數(shù)據(jù)傳輸，衛(wèi)星通信覆蓋廣泛區(qū)域，增強了無人機的導(dǎo)航與調(diào)度能力，提升了配送效率與準(zhǔn)確性。結(jié)合兩者的優(yōu)勢，確保包裹安全、快速地送達(dá)。

（二）Wi-Fi與LoRa結(jié)合

無人機使用Wi-Fi進(jìn)行短距離高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，同時利用LoRa技術(shù)進(jìn)行長距離低功耗的控制和數(shù)據(jù)監(jiān)測。

1.農(nóng)業(yè)監(jiān)測

無人機在農(nóng)田上空飛行，利用Wi-Fi實時傳輸高清圖像和傳感器數(shù)據(jù)到農(nóng)場管理系統(tǒng)，LoRa實現(xiàn)遠(yuǎn)程低功耗通信，用于控制無人機的飛行和接收簡單的傳感器數(shù)據(jù)，該組合提高了數(shù)據(jù)采集效率和覆蓋范圍，支持精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)決策與實時監(jiān)控。

2.環(huán)境監(jiān)測

對大面積的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測時，Wi-Fi與LoRa結(jié)合后，通過Wi-Fi實現(xiàn)高速度數(shù)據(jù)傳輸，LoRa提供遠(yuǎn)距離低功耗通信。此組合有效增強了環(huán)境數(shù)據(jù)采集能力，實現(xiàn)實時監(jiān)測與遠(yuǎn)程管理，提升環(huán)境保護(hù)效率。

（三）智能天線與動態(tài)頻譜接入

采用智能天線技術(shù)，通過動態(tài)頻譜接入技術(shù)來提高通信的靈活性和適應(yīng)性。

1.無人機航拍

在無人機航拍過程中，智能天線與動態(tài)頻譜接入技術(shù)增強了信號穩(wěn)定性和抗干擾能力，在多變的環(huán)境中，還能以智能選擇最佳頻段進(jìn)行視頻傳輸，實現(xiàn)實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，提升航拍效果和工作效率。

2.多無人機協(xié)作任務(wù)

多無人機協(xié)作任務(wù)技術(shù)在航拍中實現(xiàn)多機協(xié)同，提高了覆蓋范圍和拍攝效率。通過分工合作，各無人機可同時捕捉不同角度和視圖，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集與處理，增強航拍效果和應(yīng)用場景的靈活性。

四、結(jié)語

無人機多元化無線通信技術(shù)結(jié)合了多種通信方式，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi和低功耗廣域網(wǎng)，通過動態(tài)調(diào)度算法和優(yōu)先級調(diào)度策略，提高無人機在復(fù)雜環(huán)境中的通信能力和可靠性。目前，該技術(shù)在應(yīng)急救援、智慧城市和大型活動監(jiān)控等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大潛力。然而，現(xiàn)有技術(shù)仍面臨帶寬有限、延遲高和抗干擾能力不足等挑戰(zhàn)。因此，未來的無人機應(yīng)用將依賴更高效的多元化通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)更智能和自主的操作。為此，呼吁學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界加強合作，推動研究和創(chuàng)新，以解決當(dāng)前的問題，促進(jìn)無人機技術(shù)的廣泛應(yīng)用和更進(jìn)一步的發(fā)展。

作者單位：廣東省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司