緩存輔助無人機中繼通信技術研究

摘要：隨著無人機技術和無線通信技術的迅猛發(fā)展，無人機作為移動中繼輔助地面通信成為可能。文章將緩存輔助中繼技術與無人機技術相結合，不僅可以充分利用無人機移動性帶來的優(yōu)勢，還可以解決時變信道的不利影響，從而在軌跡規(guī)劃或者資源分配中進一步提高無人機中繼系統(tǒng)的通信性能。通過對相關文獻的梳理，文章概述了無人機中繼系統(tǒng)和緩存輔助無人機中繼系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，總結了當前研究中存在的主要問題并展望了緩存輔助無人機中繼通信技術未來的研究趨勢。

關鍵詞：無人機技術；緩存輔助中繼技術；通信性能

中圖分類號：TP311 "文獻標志碼：A

0 引言

隨著科學技術的快速發(fā)展，易操作和靈活移動的無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）逐漸被廣泛應用于公共和民用領域，無人機的部分應用場景如圖1所示。當發(fā)生洪水、海嘯或恐怖襲擊等自然或人為災害時，水電、交通以及通信系統(tǒng)等關鍵基礎設施通常會受到災害的影響，此時須要快速地重建通信網(wǎng)絡來輔助救援行動。在日本大地震、印尼自然災害、尼泊爾地震等災后重建時都采用了無人機技術。普華永道的報告指出，目前無人機潛在市場價值超過了1270億美元［1］；Tractica公司預計，2025年商用無人機出貨量預計將達到270萬架，且無人機在未來10年將提供超87億美元的服務。另外，無人機還可被應用于蜂窩通信，以提供低延遲和超可靠的無線通信服務［2］。

相較于單無人機系統(tǒng)而言，多無人機協(xié)同工作的無線通信系統(tǒng)通常成本更低、擴展性更好、生存能力更強，可以更為經(jīng)濟有效地完成任務［3］。多無人機系統(tǒng)模型如圖2所示。盡管前景廣闊，但是將無人機廣泛應用于無線通信系統(tǒng)仍有很多困難亟待解決。首先，與傳統(tǒng)的地面通信系統(tǒng)相比，無人機系統(tǒng)具有更嚴格的附加控制以滿足更高的時延和安全要求，因此應為無人機系統(tǒng)設計特有的資源分配和安全機制，如實時控制、碰撞避免等。其次，無人機系統(tǒng)高動態(tài)的通信環(huán)境會導致節(jié)點間通信鏈路的稀疏性和間歇性［4］，動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲將導致節(jié)點間的通信質(zhì)量無法得到保障，因此應設計有效的多無人機協(xié)同系統(tǒng)來保證網(wǎng)絡連接的可靠性，設計專門的通信協(xié)議以解決無人機通信鏈路的稀疏性和間歇性［5］。另外，由于無人機通信、計算和續(xù)航能力都受其自身大小、重量和機載能量的限制，因此應設計具有節(jié)能和能源感知的無人機系統(tǒng)來保證無人機的續(xù)航時間和通信質(zhì)量。最后，與空到空（Air-to-Air，AA）通信信道相比，空到地（Air-to-Ground，AG）通信信道的模型構建更為復雜，這是由于AG通信信道極易受到地面散射體的影響，若僅將AG信道簡單地建模為視距（Light-of-Sight，LoS）鏈路，則將忽略小尺度估量中的非平穩(wěn)性，從而可能導致錯誤的結論［6］。綜上所述，提升無人機系統(tǒng)的通信能力對無人機系統(tǒng)的廣泛應用至關重要。

圖1 無人機應用場景

隨著緩存技術的發(fā)展，將緩存應用到無線通信領域的技術引起了學者的廣泛關注。將緩存技術和傳統(tǒng)的半雙工中繼技術相結合形成的緩存輔助中繼可以有效解決時變信道帶來的負面影響。緩存賦予了中繼臨時存儲數(shù)據(jù)的能力，中繼無須遵循預先設定的時刻表來收發(fā)數(shù)據(jù)，而是可以根據(jù)信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）和緩存狀態(tài)，靈活地選擇合適的收發(fā)時隙和信道，從而提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。因此，緩存為中繼技術開辟了新的領域。

無人機系統(tǒng)多跳自組的特點使得中繼技術與其非常契合。本文將無人機技術與中繼技術相結合，可以獲得分集增益、擴大系統(tǒng)覆蓋范圍、改善服務質(zhì)量等優(yōu)點。與此同時，隨著存儲技術的發(fā)展，將緩存技術應用于無線通信系統(tǒng)受到了越來越多的關注。將中繼技術與存儲技術相結合的緩存輔助中繼技術通過先將數(shù)據(jù)臨時存儲在中繼系統(tǒng)中，再在有利的通信環(huán)境中轉發(fā)出去，以提高無線通信系統(tǒng)的吞吐量、分集度以及靈活性等性能。事實上，緩存中繼技術的特點使其非常適用于提高無人機系統(tǒng)的性能。一方面，無人機工作環(huán)境的高動態(tài)性極易導致AG信道受到地面散射物的影響，無人機高度的變化也會導致AG信道存在多徑效應，此時可以采用“存儲—攜帶—轉發(fā)”（Store-Carry-Forward，SCF）的中繼模式。無人機將接收到的數(shù)據(jù)先緩存下來并攜帶數(shù)據(jù)飛行一段時間，待通信鏈路恢復之后再轉發(fā)出去。另一方面，由于無人機系統(tǒng)能量受限的特性，須要通過使節(jié)點休眠的方式來延長網(wǎng)絡壽命。將緩存引入無人機系統(tǒng)，無人機節(jié)點就可以先將數(shù)據(jù)緩存下來，待休眠結束之后再發(fā)送出去。因此，將緩存中繼技術引入無人機系統(tǒng)有望提升其通信性能。

本文綜述了緩存輔助無人機中繼通信技術的相關研究：首先，介紹了無人機中繼系統(tǒng)關于中繼系統(tǒng)服務質(zhì)量、無人機飛行軌跡和位置優(yōu)化、無人機中繼系統(tǒng)能耗這3個方面的研究；然后，介紹了緩存輔助無人機中繼通信研究現(xiàn)狀；最后，對當前研究中存在的問題進行分析，展望緩存輔助無人機中繼通信未來的研究方向。

1 無人機中繼系統(tǒng)

1979年，Cover等［7］在有關中繼信道理論特性的文獻中首次提出了協(xié)同通信的概念。協(xié)同通信中繼技術可以有效提高系統(tǒng)性能，擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍。隨著無人機技術和無線通信技術的迅猛發(fā)展，無人機作為移動中繼來輔助地面通信成為可能。與傳統(tǒng)的靜態(tài)中繼相比，動態(tài)的無人機可以根據(jù)具體環(huán)境實現(xiàn)按需部署，尤其是在臨時突發(fā)的情況，如應急響應和軍事行動等；無人機中繼的移動性使其能夠動態(tài)地調(diào)整自身的位置和軌跡，從而更好地適應通信環(huán)境以提高系統(tǒng)的整體性能。無人機中繼非常適用于時延容忍的環(huán)境，如定期傳輸、大數(shù)據(jù)上傳/下載等。目前關于無人機作為移動中繼的研究主要集中在服務質(zhì)量研究分析、無人機軌跡和位置優(yōu)化、無人機系統(tǒng)的能耗等方面。

1.1 無人機中繼系統(tǒng)服務質(zhì)量研究

對于無人機中繼系統(tǒng)服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）指標的分析，如覆蓋概率、吞吐量、時延或可靠性等，在設計無人機通信系統(tǒng)時至關重要。評估設計參數(shù)對無人機系統(tǒng)的影響，有利于在設計系統(tǒng)時，根據(jù)具體的應用場景進行相應的權衡。由于無人機飛行在空中，其具有嚴格的能量限制，這使得無人機系統(tǒng)的性能分析有別于傳統(tǒng)的地面通信系統(tǒng)。Li等［8］在過時信道狀態(tài)信息下，分別推導了系統(tǒng)在有緩存和無緩存時的安全中斷概率，在給定高信噪比和主竊聽比的漸進條件下，說明有緩存和無緩存時系統(tǒng)安全性能的差異。Farrag等［9］考慮了無人機以全雙工模式作為中繼輔助地面基站，擴展其覆蓋太赫茲信道，分析了基站與移動設備之間的中斷概率。Ma等［10］利用三維天線增益模型和隨機幾何模型，提出了基于AG信道特性的機會中繼選擇方案，推導出毫米波通信下無人機中繼系統(tǒng)的安全中斷概率。Mao等［11］提出了一種基于幾何的三維隨機信道模型，歸納分析了無人機信道的時空相關函數(shù)、多普勒功率譜密度、時延擴展均方根和平穩(wěn)區(qū)間等基本特性。Mozaffari等［12-13］分別研究了單無人機和多無人機場景下，無人機服務地面節(jié)點的下行鏈路覆蓋率的精確表達式。無人機系統(tǒng)的性能分析為接下來進一步優(yōu)化無人機系統(tǒng)的基本參數(shù)設置提供了重要的基礎。

1.2 無人機飛行軌跡和位置優(yōu)化研究

優(yōu)化無人機的部署和飛行軌跡是無人機系統(tǒng)研究的重要組成部分。無人機的移動性為其尋找最佳的部署位置和最優(yōu)的飛行軌跡提供了額外的自由度。通常無人機的飛行軌跡和部署位置受到飛行周期、機載能量、地面用戶需求以及碰撞避免等各種因素的影響。與地面通信節(jié)點不同，無人機工作在一個連續(xù)的三維空間，須要考慮飛行高度對AG信道的影響，因此無人機的部署更具挑戰(zhàn)性。當搜索無人機的最優(yōu)軌跡和部署位置時，研究人員通常須要考慮無人機移動性、飛行動力學以及能量消耗等各種因素對信道變化的影響。另外，一個連續(xù)的無人機軌跡優(yōu)化問題通常須要搜索無限個變量的最優(yōu)值，當進行軌跡優(yōu)化和位置部署時，無人機的移動性與各種QoS指標之間相耦合。因此，無人機最優(yōu)路徑規(guī)劃和最佳位置部署問題極具挑戰(zhàn)性。

Zeng等［14］研究了一個單無人機中繼系統(tǒng)的軌跡優(yōu)化和功率分配問題。研究表明，相較于靜態(tài)中繼和無優(yōu)化中繼方案，所提中繼方案能夠獲得極好的吞吐量增益。Zhang等［15］研究了無人機中繼系統(tǒng)中采用信息時代來衡量狀態(tài)更新性能的短包通信問題，通過優(yōu)化短包塊長度和預測長度來提高可靠性和減少傳輸延遲，從而使平均信息時代最小。由于無人機系統(tǒng)處于開放的通信環(huán)境，節(jié)點的高移動性和通信鏈路的間歇性連接使無人機系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒏妆桓`聽和干擾。研究表明，物理層安全是實現(xiàn)無線廣播信道安全通信的一種很有前景的方式。Dong等［16］研究了在有竊聽者存在的情況下，通過協(xié)調(diào)多點將多個無人機中繼組成無人機群，以增強系統(tǒng)的物理層安全性；為了最大化下行鏈路的可實現(xiàn)保密率，聯(lián)合優(yōu)化了無人機群形成的虛擬陣列波束形成矢量并在其上進行接收和轉發(fā)帶寬分配。Wu等［17］考慮通過優(yōu)化無人機軌跡和傳輸功率來最大化無人機中繼系統(tǒng)的安全速率，從而提高無人機系統(tǒng)通信的安全性。研究表明，當無人機高度較低時，所產(chǎn)生的陰影效應會導致發(fā)射機和接收機之間視距連接的概率降低，無人機覆蓋半徑減小；當無人機的高度較高時，LoS連接的概率提高，但發(fā)射機與接收機之間較遠的通信距離會導致路徑損耗增大，無人機覆蓋性能下降。因此，當搜索無人機的最優(yōu)高度時，研究人員須要同時考慮節(jié)點間的距離和LoS連接概率的影響［18］。

1.3 無人機中繼系統(tǒng)能耗研究

與可充電的地面收發(fā)機不同，有限的機載能量對由電池供電的無人機的工作能力和續(xù)航時間具有根本性的影響。另外，無人機的能量消耗與工作任務、天氣條件以及飛行路徑等因素相關。同時，在須要保證通信可靠性的系統(tǒng)中，使能量耗盡的無人機頻繁回程充電的方案通常不可行。無人機系統(tǒng)的能耗主要由以下2個部分組成：用于信號接收、處理和轉發(fā)的通信相關能耗；用于保證無人機在飛行周期內(nèi)機動性（飛行和懸停）的推進能耗。其中，無人機的推進能耗遠高于其通信相關能耗。目前，研究人員主要通過節(jié)能技術和能量收集技術來解決無人機能量受限的問題。

Zeng等［19］推導出與無人機飛行速度、方向和加速度相關的固定翼無人機推進能耗理論模型；在此模型的基礎上，將無人機系統(tǒng)的能量效率定義為有限時間內(nèi)歸一化的無人機推進能量消耗與通信總信息量之比。研究證明，在無約束的軌跡優(yōu)化下，速度最大化和能量最小化的設計都會導致極低的能效。Zeng等［20］研究了旋翼無人機的閉式推進能量消耗模型，通過聯(lián)合優(yōu)化無人機的軌跡和地面節(jié)點通信時間分配以及總任務完成時間來最小化系統(tǒng)能耗。針對無人機能量受限的固有問題，Cao等［21］提出了一種基于塊坐標下降法和連續(xù)凸逼近以及Dinkelbach算法的優(yōu)化算法來降低無人機系統(tǒng)的能耗。研究表明，能量收集技術可以在不增加無人機重量和電池大小的前提下延長無人機的飛行時間。從環(huán)境中獲取能量為無人機充電的網(wǎng)絡通常被稱為無線充能網(wǎng)。目前，從太陽能中獲取能量，通過光伏效應將其轉換為電能以延長無人機續(xù)航時間的研究引起了學者的廣泛關注。Sun等［22］研究了一種多載波太陽能收集的無人機節(jié)能系統(tǒng)，通過綜合考慮太陽能采集、空氣動力消耗、機載能量存儲和地面用戶的QoS要求，最大限度地提高了給定時間內(nèi)的系統(tǒng)吞吐量。

2 緩存輔助無人機中繼系統(tǒng)

雖然AG信道具有較高的LoS連接可能性，但是無人機工作環(huán)境的高動態(tài)性極易導致AG信道受到地面散射物的影響，且無人機高度的變化也會導致AG信道存在多徑效應。若將緩存輔助中繼技術與無人機技術相結合，則無人機可以在發(fā)送端盡可能多地將數(shù)據(jù)收集于緩存中，然后再飛到接收端附近并將數(shù)據(jù)進行轉發(fā)［23］。緩存輔助的無人機中繼系統(tǒng)不僅可以充分利用無人機移動性帶來的優(yōu)勢，還可以解決時變信道帶來的不利影響。

Cheng等［24］提出通過“加載-攜帶-轉發(fā)”（Load-Carry-and-Deliver，LCAD）的傳輸模式來提高無人機中繼系統(tǒng)的性能，這是首次提出將緩存應用到無人機系統(tǒng)。研究表明，LCAD的中繼模式可以顯著提高系統(tǒng)吞吐量，適用于延遲容忍的環(huán)境。Tsuru等［25］闡述了SCF的應用實例并通過無人機進行實際測試和驗證。Cao等［26-27］分別研究了在雙跳、多跳無人機中繼場景下，通過軌跡規(guī)劃和資源分配提高中繼系統(tǒng)的吞吐量。Zou等［28］分析了過時的天線選擇對緩存輔助無人機中繼網(wǎng)絡的影響，采用解碼轉發(fā)的無人機可以為源和目的節(jié)點提供超可靠的中繼服務。研究表明，相較于無緩存的無人機中繼網(wǎng)絡，有緩存的無人機中繼網(wǎng)絡能夠提供更好的超可靠通信服務。Li等［29］考慮了緩存輔助多跳無人機網(wǎng)絡，推導了系統(tǒng)中斷概率和誤碼率并證明緩存可以為無人機網(wǎng)絡提供超可靠的通信服務。Li等［30］提出了2種用戶選擇準則以最大化主鏈路的信道增益和最小化竊聽鏈路的信道增益，推導了過時信道狀態(tài)信息下系統(tǒng)的安全中斷概率。研究表明，有緩存輔助的中繼網(wǎng)絡比無緩存輔助的中繼網(wǎng)絡具有更高的安全性能，且過時的信道狀態(tài)信息會降低系統(tǒng)的分集增益。Cao等［31］通過優(yōu)化無人機的3D軌跡和資源分配來最大限度地提高系統(tǒng)的安全速率。緩存輔助的無人機中繼系統(tǒng)可以自適應地調(diào)整飛行軌跡和資源分配策略，使目的節(jié)點能夠安全地接收消息。

3 研究挑戰(zhàn)和未來研究方向

雖然目前針對緩存輔助無人機中繼系統(tǒng)的研究已取得了一些研究成果，但這些成果尚不足以有效解決復雜環(huán)境下無人機系統(tǒng)所面臨的問題與挑戰(zhàn)，還須要開展大量深入細致的研究，以提升無人機系統(tǒng)的通信性能。

3.1 AG信道與AA信道建模

在多跳無人機中繼系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸一般發(fā)生在一個連續(xù)的三維空間，由于AG鏈路與AA鏈路不對稱，通常不能將二者建模為相同的信道模型。AG通信信道與AA通信信道相比，模型更為復雜。這是因為AG信道極易受到地面散射體的影響，若只是將AG信道簡單地建模為LoS鏈路，則將忽略小尺度估量中的非平穩(wěn)性，從而可能導致錯誤的結論。

3.2 能量受限背景下的無人機系統(tǒng)能效度量及中繼選擇

由于無人機系統(tǒng)的特殊性，研究不能一味地追求節(jié)能，還要考慮系統(tǒng)中其他性能以確保網(wǎng)絡能夠更加有效地完成任務。同時，由于無人機系統(tǒng)能量受限的特點以及緩存長度有限的實際情況，研究人員應綜合考慮信道質(zhì)量、剩余能量和空閑緩存等因素來選擇合適的無人機節(jié)點作為數(shù)據(jù)轉發(fā)的中繼系統(tǒng)。

3.3 多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化

為了保證緩存輔助中繼系統(tǒng)的可靠性和安全性并兼顧系統(tǒng)傳輸效率等指標，解決多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的問題也變得至關重要。該項目涉及竊聽節(jié)點、緩存長度、無人機能耗等多個系統(tǒng)參數(shù)，無論是在理論分析還是在仿真實現(xiàn)上均具有一定難度。

4 結語

緩存輔助的無人機中繼技術在未來的無線通信系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景，可以為無基礎設施覆蓋的地區(qū)提供高性價比的無線服務。然而，高移動性和機載能量有限等因素能夠為無人機的應用帶來更多挑戰(zhàn)。本文分別簡述了目前無人機中繼系統(tǒng)和緩存輔助無人機中繼下的研究現(xiàn)狀，提出了研究的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向。

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（編輯 沈 強編輯）

Research on buffer-assisted UAV relay communication technology

CAO" Dongju， QU" Guoqing

（Jiangsu Vocational College of Business， Nantong 226000， China）

Abstract： With the rapid development of unmanned aerial vehicle（UAV） technology and wireless communication technology， it has become possible to use UAV as mobile relays to assist in ground communication. Combining the buffer-assisted relay technology with UAV technology can not only fully utilize the advantages brought by UAV mobility， but also solve the adverse effects of time-varying channels， so as to further improve the communication performance of the UAV relay system during trajectory planning or resource allocation. By combing through the relevant literature，the current status of research on UAV relay systems and buffer-assisted UAV relay systems is summarized. The main problems in the current research are summarized，and the future research trends of buffer-assisted UAV communication are prospected.

Key words： UAV technology; buffer-assisted relay technology; communication performance