無人機通信網絡中的資源優化技術研究

李建克

（中華通信系統有限責任公司 河北分公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

目前，我國無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）應用市場得到了進一步拓展，特別是環境監測、測繪測量以及搶險救災等領域已與無人機技術進行了深度融合。從實際應用角度來看，無人機通信網絡體系構建加大了對蜂窩網絡資源的需求，同時如何強化接入網絡后的干擾要素控制也成為亟待解決的技術難題，由此無人機通信網絡中資源優化工作也受到了專業人士的廣泛關注。

1 無人機系統

無人機系統主要由3個主要功能板塊組成，即無人機設備、地面控制系統以及信息傳輸系統。從專業角度來看，無人機設備主要承擔了飛行功能，并且接收地面控制系統發出的操作指令，進而完成無人機飛行的主要目標。地面控制系統是人工操作的主體部分，主要向無人機發出飛行以及相關航拍監測指令[1]。信息傳輸系統是介于地面控制系統與無人機設備之間的板塊，負責地面操作命令的發出以及接收無人機返回的監測數據信息，以便于地面操作人員進一步發出飛行指令。在無人機飛行作業中，3個功能板塊共同組成了一個無人機系統，并確保了無人機飛行任務目標的達成。

值得注意的是，無人機系統中還包含著一些輔助性質的系統功能，如動力系統負責為無人機提供電能，并完成飛行任務，衛星定位系統負責無人機設備的實時定位，此外還有主控制單位負責對無人機飛行狀態進行實時監控，從而對無人機的飛行作業提出建議和指導，如此才能確保無人機更加高質、高效地完成飛行目標。

2 無人機通信系統的構建形式

2.1 Wi-Fi鏈路

在過往的無人機通信系統構建中，Wi-Fi是最為主要的通信鏈路方式，并由此實現無人機與地面控制器之間的通信。具體而言，地面控制器通過Wi-Fi鏈路實現對無人機飛行作業的操作，同時無人機也通過Wi-Fi通信鏈路將拍攝的視頻傳送到控制器，并在移動設備中加以顯示。從專業角度來看，Wi-Fi鏈路方式具有通信速度快、帶寬高的應用優勢，因此具備極高的應用價值[2]。然而由于Wi-Fi鏈路又受到路由器覆蓋范圍的制約，一般只能應用于短距離的通信需求，而在長距離的無人機監測任務中則不夠適用。

2.2 中繼鏈路

近年來，隨著無人機技術的不斷創新以及無人機使用需求的不斷增長，為滿足長距離通信需求，蜂窩網絡成為無人機通信領域的重要發展趨勢。目前，一些無人機監測項目中，往往需要無人機飛行數百米甚至更高的距離，因此對于無人機通信網絡的穩定性也提出了更高的要求。而蜂窩基站能夠作為一個中繼節點來實現無人機與地面控制器傳輸距離的延伸，從而滿足超長距離的無人機飛行需求[3]。除此之外，隨著現代通信技術的發展與進步，衛星網絡也能夠作為無人機與地面控制器信息傳輸的中繼站，而這也是未來通信網絡研究的重要內容。

2.3 云端鏈路

隨著無人機技術應用的日漸廣泛，無人機飛行任務也愈加復雜和多樣，甚至在某一任務中可能涉及短距離直接傳輸以及中長距離的中繼傳輸，因此相關領域技術人員也提出了基于云端虛擬服務的通信方式，從而滿足復雜環境下的通信需求。具體而言，云端鏈路的優勢在于能夠基于不同環境選擇最為科學合理的鏈路方案，從而使整個通信系統更加穩定和高效。與此同時，云服務功能還能將計算任務轉移到云平臺加以進行，從而減少了無人機在數據計算方面的能源浪費，并大幅提升無人機的續航能力[4]?？偠灾谠贫随溌返臒o人機通信系統不僅提高了通信網絡的適用性和穩定性，同時也大大提高了無人機飛行作業的質量和效率，因此關于此方面的研究工作也受到了專業人士的廣泛關注。

3 無人機通信網絡

無人機通信網絡是基于Wi-Fi鏈路、中繼鏈路以及云端鏈路等通信系統構建的通信網絡形式，是當今電子通信領域的一項重要發展趨勢。目前，得益于無人機技術的發展與創新，無人機也由過往軍用開始向當下的民用、商用發展，而無人機數量也呈現出爆炸式增長。在此背景下，無人機通信網絡的構建與完善也成為無人機通信領域的一個重要研究方向，系統示意如圖1所示。

圖1 無人機通信網絡系統

目前，在無人機技術應用中，往往需要應用多架無人機進行共同作業，這不僅要強化地面與無人機之間的通信聯系，同時也要建立一個高效完善的通信網絡，從而使無人機之間進行有效的信息交流，提高無人機群作業的質量和效率。與一般的通信網絡不同，無人機通信網絡在固有的特點外還具備一些較為獨特的性質，這也是無人機通信網絡備受關注以及應用愈加廣泛的基礎[5]。具體而言，無人機通信網絡可以建立信道模型，同時還可以通過頻譜共享方式提高頻譜效率，并利用機動性可控和飛行靈活等方面的優勢提升用戶信息的傳輸速率。

在無人機通信網絡構建以及運行過程中，需要高度重視以下兩方面核心要素的嚴格把控。（1）無人機定位系統的控制。無人機定位系統對于監測數據的準確性有著重要影響，只有強化全球定位系統（Global Positioning System，GPS）定位的精確度才能保障通信網絡的穩定性。（2）規避信號干擾問題。無人機通信網絡由于存在多種頻次的信號，因此通信環境十分復雜，如果存在信號干擾則將嚴重影響無人機通信網絡的服務質量，并出現信號傳遞間斷或接收不及時等情況。

4 無人機通信網絡中資源優化技術

4.1 無線自組網技術

無線自組網技術是無線通信網絡技術的核心內容，而該技術應用時應做好以下兩方面技術要點的管控。（1）無線路由協議。無人機通信網絡拓撲結構高度動態變化的特征使得傳統路由協議無法滿足通信網絡運行的需求，因此需要采取更加科學合理的無線路由協議來保障無人機通信網絡鏈路的穩定性。（2）系統服務。采用Mesh組網技術能夠實現寬帶遠距離的無線通信傳輸，不僅具備自檢功能以及良好的電磁兼容性，同時還能通過無線自組網通信系統軟件平臺實現對通信鏈路狀態以及相關參數的監視，從而滿足無線自組網日益增長的系統服務需求[6]。

4.2 仿真技術

無人機的運行和操作均是由信號完成指令的傳遞，因此無人機通信網絡的資源優化必將以信號的傳遞質量和效率為核心目標。目前，在無人機通信網絡資源優化工作中，技術人員普遍采用技術輔助以及設備調整方式來減少信號傳遞過程中的損耗。而在實際應用中，隨著無人機與地面控制器距離的增加，信號傳遞過程中面臨的損耗也愈加嚴峻，因此還需要技術人員對信道條件進行進一步的改善[7]。采用仿真技術能夠對特定環境中無人機通信網絡中的信息傳遞距離及損耗進行驗證，從而為網絡資源優化提供科學的參考依據，并最終確定信號的強度以及無人機的飛行距離。

4.3 安全技術

無人機安全是通信網絡安全的基礎與前提，而保障無人機安全則需要從以下幾個方面入手。（1）軟件安全。無人機的操作一般由廠商提供的軟件進行實現，而要想實現理想的通信網絡安全則需要無人機操作軟件具備極強的安全能力，消除系統漏洞等。（2）通信安全。無人機的運行過程必然會受到外界因素的干擾，而不同通信鏈路所面臨的干擾也存在顯著差異，因此需要采用加密通信協議的設計方式降低無人機通信中的威脅與干擾。（3）自我防護。當無人機運行中出現意外情況時，需要采取科學合理的方式方法進行返回操作，這時一般采取一鍵返航功能進行返回[8]。然而當一鍵返回功能失效時，則需要采用視覺系統定位的方式驅動無人機返回。

4.4 智能天線技術

智能天線的優點在于能夠對到達無線列陣的信號進行分析，并靈活優化使用波束，從而達到規避干擾以及提高頻率利用效率的作用。由于無人機通信網絡環境十分復雜和煩瑣，因此經常存在因信道重疊而導致數據信息傳輸質量受到影響的現象。智能天線技術在無人機通信網絡領域中的應用有效規避了通信信號干擾問題，同時通過更加科學合理的信道選擇確保了通信的穩定與安全。

4.5 OFDM技術

正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術是多載波調制的一種，而其應用優勢則在于通過頻分復用來實現高速串行數據的并列傳輸，同時由于該技術具備理想的抗多徑衰落能力，因此能夠支持多用戶的接入。在無人機通信網絡構建中，OFDM技術的應用很好地解決了信號之間的干擾問題，從而使得通信信號傳輸更加穩定和高效[9]。目前，OFDM技術已與蜂窩網絡技術進行了深度融合與創新，并進一步強化了信號的抗干擾能力，從而促進了我國無人機通信網絡領域的發展。

4.6 構建無人機安全網絡

對于無人機通信網絡而言，在信息傳遞和接收過程中往往面臨著許多干擾要素，甚至還存在故意竊聽或截取的現象，因此構建無人機安全防護網絡十分重要。為提高無人機通信網絡的安全性，需要采取驗證方式來進行通信網絡的連接，即使用者與無人機進行雙向認證，從而確保使用者處于安全的通信網絡環境。除此之外，采用云端通信方式來實現無人機通信網絡資源優化也是一種十分理想的方法，能夠利用安全協議的協同性進行通信方式的有效切換，從而保障了通信網絡的安全性[10]。最后，還要從信號抗干擾能力升級方面給予強化和提升，如此既能夠有效規避外界因素帶來的信號干擾問題，同時也保障了通信信號傳輸的安全性。

5 結 論

無人機通信網絡技術的成熟與完善不僅能夠滿足無人機業務的發展需求，同時也是實現通信服務質量提升的重要舉措。針對當前日益嚴峻的無人機通信網絡需求壓力，必須加強該領域的研究與創新工作，進而通過更加科學合理的資源優化方法來推動無人機通信網絡領域的發展與進步。