基于无人机平台的中继通信系统设计

新疆科技学院信息科学与工程学院 方圆 邹杰

基于无人机平台的无线中继通信网络是解决复杂环境下可靠通信的有效手段，它能够快速、机动地构建局部区域的宽带通信网络，具有不受环境限制、部署灵活、覆盖范围大、生存能力强、支持宽带多媒体业务、能与现有通信指挥调度系统远程互通等特征，同时具有很好的伸缩性，能够满足不同种类、不同规模民用应急通信需求[1]。随着通信技术的迅速发展，各行各业对通信的需求也越来越高，特别是无线通信，中国在通信普及上走在世界的前列。但实际上考虑到经济效益与使用实际，在高原、沙漠、戈壁等人烟稀少甚至是无人区中，依靠固定基站建立通信网络，用户少、维护成本高、回报和收益小。本文以西北戈壁环境为背景，讨论基于无人机平台的中继通信系统的构建与分析，针对其网络拓扑结构、信道模型及无人机路径进行研究。

1 系统特点

目前，人们接触最庞大的无线通信网络当属无线电话与电信基站互联而成的第四代移动通信网络[2]。这种网络依靠大量的电信基站相连，可靠性高、维护方便。但同时，信号覆盖面积根据其高度也有差别，其收益与范围内用户相关，由于东西部发展不均衡，西北大部分地区，特别是无人区还未覆盖2G 信号。而现行使用的无线宽带设备，其有效通信覆盖范围也仅能达到30km，一方面是信号衰减；另一方面是其配套塔车架设最高为40m，极大限制了其通信能力。

近年来，随着集成芯片、无线通信、新材料等各项技术的发展，无人机越来越轻盈、灵活，功能越来越强大，成本越来越低，在警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等多个领域都有大量应用。和现存的地面基础通信设施相比，微小型无人机中继通信系统的优势包括部署方便、机动灵活、不受复杂地形地物限制、成本低廉、可靠性高、适用性强、信息传输质量高。本文以保障在40km×60km 的长方形区域中，地面集群通信网络为背景，环境设定为高差在20m以内的戈壁。

2 设计方案

2.1 无人机与载荷

无人驾驶飞机，简称“无人机”（UAV），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置进行操控的不载人飞行器。与载人飞机相比，具有体积小、造价低、使用方便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点。利用无人机受控飞行、悬停等精准飞行控制，能较好地解决进入空中、位置固定、稳定飞行、变化多样等要素构建问题。先进的电子系统和网络链接功能、定位能力等，为实时和事后提供精确位置信息和轨迹数据，进行精度校正提供了数据支持。一些专业级的无人机，在运行时间、定位精度、风抗等方面都达到了较高的水平。

无人机大致可以分为固定翼的无人机和旋转翼的无人机两大类，这两类无人机各有优缺点。固定翼的无人机具有速度快、高负载的特点，同时，它也需要保持较高的速度。相比之下，旋转翼的无人机，虽然拥有有限的机动性和有效载荷能力，但是它可以在任何方向移动，并很容易地在空中保持静止。固定翼无人机起降不便，速度快，无法悬空，搭载功能设备不可靠。本研究只考虑旋转翼无人机，如图1 所示。

图1 无人机Fig.1 Unmanned aerial vehicle

本文以目前常用的旋转翼无人机为平台。目前市场上民用的多型，包括六旋翼、八旋翼、十二旋翼以及无人直升机，均具备高载荷长时续航的能力，故不指定具体某一型号的无人机。载荷方面，无人机需荷载BBU(Building Base band Unit 基带处理单元)、RRU(Remote Radio Unit 射频遥控单元)、天线以及电源模块。

2.2 拓扑结构

在传统的无线通信系统中，PMP（Point to Multi-Point，PMP）通信网络结构是一种常用的接入网应用形式。它以中心节点为核心，构建星型拓扑结构的接入网，中心节点负责控制各用户节点的信道接入并提供到骨干网的网络接口，具有网络结构简洁、技术成熟的特点[3]。本文中网络构建主要以各终端相互通信及无人机控制平台与无人机通信为主，故采用经典的星型拓扑结构。以无人机机载设备为接入网的中心节点，在100km范围内，不需考虑终端间的双跳通信。考虑到无人机的姿态控制与地面控制系统，在控制端结构为无人机遥控平台—无人机驱动地面车载平台—无人机机载基站—地面用户终端。

如图2 所示为设计的无人机-车载平台、无人机-通信终端网络拓扑结构示意图。

图2 网络拓扑结构示意图Fig.2 Schematic diagram of network topology structure

2.3 信道模型

无线通信的发展离不开微波，本文拟建立以TDLTE 4G 网络标准的UHF 频段微波通信。本文仅考虑100km 范围内的微波中继通信，故选取L 频段的微波信号，微波通信最显著的一个特征就是视距通信。本文在这里分析通信信道也仅考虑统计衰落模型[4]。对于视距传输（Line of Sight，LOS），其衰落特性为莱斯（Rice）分布。对于一般环境下的信道分析，国内外相关研究已经较为成熟，此处就不再赘述。

2.4 无人机路径

无人机作为空中的中继平台，需保持与各用户相连。网络使用的波段为L 波段的微波信号，可以看做是视距通信。在实际使用过程中，地面设备人员点号附近100m距离内基本平坦无较大起伏，本文简化地面参数，区域做一般光滑球面处理，区域为规则的球面矩形，尺寸为40km×60km。弧AC，lAC=100km，某一时刻无人机位置点为P(Q(t),H(t))。几何关系如图3、图4 所示。

图3 区域简化示意图Fig.3 Simplified schematic diagram of the area

图4 纵剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of longitudinal section

Q(t)为t时刻，点P 在球面上的投影点；H(t)为t时刻，点P 在球面上高度；定义lPmax为Q 点与四个顶角产生的最大弧，则有如式（1）所示：

α为lPmax对应的圆心角，则有如式（2）、式（3）所示的关系：

此时可得出当某一时刻t时，无人机高度h≥H(t)。

根据微波信号衰减规律，信道距离越长，衰减越强，故无人机应当保持在一个合适的高度，不能一味升高。由式（1）、式（2）可得，无人机路径应在一漏斗状空间内。当Q 点落在区域中心时，lPmax达到最小为50km，对应无人机高度为197m。

2.5 下一步研究方向

尽管本文所讨论的基于无人机平台的中继通信网络有实际构建的可行性，但研究过程中仍有部分问题还需要更深一步的研究，主要体现在以下几点：

（1）在拓扑结构构建中，地面车载平台与基站间的通信和无人机姿态遥控信号两者是区分开来的，下一步研究中可将两个信号用一条信道传输，提高频率资源利用率，同时，节省机上载荷能量。

（2）由于基站位于近地高空，因而其天线模型与地面通信的天线模型是有很大差别的，良好的天线模型设计能够极大提高传输的信干燥比，本文在讨论机上载荷时并未进行深入分析，这对与实际系统性能还是有一定影响，因而天线模型设计有待进一步研究。

（3）目前提到的无人机，影响其能力的一个重要因素就是续航能力。要构建空中基站，要考虑的不仅仅是无人机续航，还有机上荷载部分各设备续航能力。较为成熟的是高能锂离子电池能源技术，但续航仍然是硬伤，目前在无人机领域前沿的技术有无人机光能充电和无线磁共振能量传输技术。针对无人机平台的能量支持问题可作为下一步深入研究的方向。

3 结语

以微小型无人机作为中继平台的中继通信网络相比较传统的通信网络有很大优势，尤其在应急救灾及其他特别的应用场景中，其拥有不受地形限制、机动能力强、部署灵活的特点，已经让基于无人机平台的通信网络成为当下的一个研究热点。本文设计讨论了一种基于无人机平台的中继通信系统构建模式，另外，通过对地图简化处理，分析了一般情况下的无人机路径。为今后对以高空平台为基础的通信网络深入验证及构建提供一个雏形。

引用

[1] 张鹏,陈金鹰,黄岩.突发自然灾害与应急通信[C]//四川省通信学会.四川省通信学会2008年学术年会论文集,2008:4.

[2] 常思维.计算机网络通信技术及发展趋势研究[J].科技致富向导,2013(24):128.

[3] 方旭明,林楷,张雪竹,等.无线与移动网络结构[M].北京:人民邮电出版社,2002.

[4] 禤嘉亮.无线中继系统信息与能量同传资源分配优化算法研究[D].广州:广州大学,2016.