无人机通信网络中的资源优化技术研究

李建克

（中华通信系统有限责任公司 河北分公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

目前，我国无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）应用市场得到了进一步拓展，特别是环境监测、测绘测量以及抢险救灾等领域已与无人机技术进行了深度融合。从实际应用角度来看，无人机通信网络体系构建加大了对蜂窝网络资源的需求，同时如何强化接入网络后的干扰要素控制也成为亟待解决的技术难题，由此无人机通信网络中资源优化工作也受到了专业人士的广泛关注。

1 无人机系统

无人机系统主要由3个主要功能板块组成，即无人机设备、地面控制系统以及信息传输系统。从专业角度来看，无人机设备主要承担了飞行功能，并且接收地面控制系统发出的操作指令，进而完成无人机飞行的主要目标。地面控制系统是人工操作的主体部分，主要向无人机发出飞行以及相关航拍监测指令[1]。信息传输系统是介于地面控制系统与无人机设备之间的板块，负责地面操作命令的发出以及接收无人机返回的监测数据信息，以便于地面操作人员进一步发出飞行指令。在无人机飞行作业中，3个功能板块共同组成了一个无人机系统，并确保了无人机飞行任务目标的达成。

值得注意的是，无人机系统中还包含着一些辅助性质的系统功能，如动力系统负责为无人机提供电能，并完成飞行任务，卫星定位系统负责无人机设备的实时定位，此外还有主控制单位负责对无人机飞行状态进行实时监控，从而对无人机的飞行作业提出建议和指导，如此才能确保无人机更加高质、高效地完成飞行目标。

2 无人机通信系统的构建形式

2.1 Wi-Fi链路

在过往的无人机通信系统构建中，Wi-Fi是最为主要的通信链路方式，并由此实现无人机与地面控制器之间的通信。具体而言，地面控制器通过Wi-Fi链路实现对无人机飞行作业的操作，同时无人机也通过Wi-Fi通信链路将拍摄的视频传送到控制器，并在移动设备中加以显示。从专业角度来看，Wi-Fi链路方式具有通信速度快、带宽高的应用优势，因此具备极高的应用价值[2]。然而由于Wi-Fi链路又受到路由器覆盖范围的制约，一般只能应用于短距离的通信需求，而在长距离的无人机监测任务中则不够适用。

2.2 中继链路

近年来，随着无人机技术的不断创新以及无人机使用需求的不断增长，为满足长距离通信需求，蜂窝网络成为无人机通信领域的重要发展趋势。目前，一些无人机监测项目中，往往需要无人机飞行数百米甚至更高的距离，因此对于无人机通信网络的稳定性也提出了更高的要求。而蜂窝基站能够作为一个中继节点来实现无人机与地面控制器传输距离的延伸，从而满足超长距离的无人机飞行需求[3]。除此之外，随着现代通信技术的发展与进步，卫星网络也能够作为无人机与地面控制器信息传输的中继站，而这也是未来通信网络研究的重要内容。

2.3 云端链路

随着无人机技术应用的日渐广泛，无人机飞行任务也愈加复杂和多样，甚至在某一任务中可能涉及短距离直接传输以及中长距离的中继传输，因此相关领域技术人员也提出了基于云端虚拟服务的通信方式，从而满足复杂环境下的通信需求。具体而言，云端链路的优势在于能够基于不同环境选择最为科学合理的链路方案，从而使整个通信系统更加稳定和高效。与此同时，云服务功能还能将计算任务转移到云平台加以进行，从而减少了无人机在数据计算方面的能源浪费，并大幅提升无人机的续航能力[4]。总而言之，基于云端链路的无人机通信系统不仅提高了通信网络的适用性和稳定性，同时也大大提高了无人机飞行作业的质量和效率，因此关于此方面的研究工作也受到了专业人士的广泛关注。

3 无人机通信网络

无人机通信网络是基于Wi-Fi链路、中继链路以及云端链路等通信系统构建的通信网络形式，是当今电子通信领域的一项重要发展趋势。目前，得益于无人机技术的发展与创新，无人机也由过往军用开始向当下的民用、商用发展，而无人机数量也呈现出爆炸式增长。在此背景下，无人机通信网络的构建与完善也成为无人机通信领域的一个重要研究方向，系统示意如图1所示。

图1 无人机通信网络系统

目前，在无人机技术应用中，往往需要应用多架无人机进行共同作业，这不仅要强化地面与无人机之间的通信联系，同时也要建立一个高效完善的通信网络，从而使无人机之间进行有效的信息交流，提高无人机群作业的质量和效率。与一般的通信网络不同，无人机通信网络在固有的特点外还具备一些较为独特的性质，这也是无人机通信网络备受关注以及应用愈加广泛的基础[5]。具体而言，无人机通信网络可以建立信道模型，同时还可以通过频谱共享方式提高频谱效率，并利用机动性可控和飞行灵活等方面的优势提升用户信息的传输速率。

在无人机通信网络构建以及运行过程中，需要高度重视以下两方面核心要素的严格把控。（1）无人机定位系统的控制。无人机定位系统对于监测数据的准确性有着重要影响，只有强化全球定位系统（Global Positioning System，GPS）定位的精确度才能保障通信网络的稳定性。（2）规避信号干扰问题。无人机通信网络由于存在多种频次的信号，因此通信环境十分复杂，如果存在信号干扰则将严重影响无人机通信网络的服务质量，并出现信号传递间断或接收不及时等情况。

4 无人机通信网络中资源优化技术

4.1 无线自组网技术

无线自组网技术是无线通信网络技术的核心内容，而该技术应用时应做好以下两方面技术要点的管控。（1）无线路由协议。无人机通信网络拓扑结构高度动态变化的特征使得传统路由协议无法满足通信网络运行的需求，因此需要采取更加科学合理的无线路由协议来保障无人机通信网络链路的稳定性。（2）系统服务。采用Mesh组网技术能够实现宽带远距离的无线通信传输，不仅具备自检功能以及良好的电磁兼容性，同时还能通过无线自组网通信系统软件平台实现对通信链路状态以及相关参数的监视，从而满足无线自组网日益增长的系统服务需求[6]。

4.2 仿真技术

无人机的运行和操作均是由信号完成指令的传递，因此无人机通信网络的资源优化必将以信号的传递质量和效率为核心目标。目前，在无人机通信网络资源优化工作中，技术人员普遍采用技术辅助以及设备调整方式来减少信号传递过程中的损耗。而在实际应用中，随着无人机与地面控制器距离的增加，信号传递过程中面临的损耗也愈加严峻，因此还需要技术人员对信道条件进行进一步的改善[7]。采用仿真技术能够对特定环境中无人机通信网络中的信息传递距离及损耗进行验证，从而为网络资源优化提供科学的参考依据，并最终确定信号的强度以及无人机的飞行距离。

4.3 安全技术

无人机安全是通信网络安全的基础与前提，而保障无人机安全则需要从以下几个方面入手。（1）软件安全。无人机的操作一般由厂商提供的软件进行实现，而要想实现理想的通信网络安全则需要无人机操作软件具备极强的安全能力，消除系统漏洞等。（2）通信安全。无人机的运行过程必然会受到外界因素的干扰，而不同通信链路所面临的干扰也存在显著差异，因此需要采用加密通信协议的设计方式降低无人机通信中的威胁与干扰。（3）自我防护。当无人机运行中出现意外情况时，需要采取科学合理的方式方法进行返回操作，这时一般采取一键返航功能进行返回[8]。然而当一键返回功能失效时，则需要采用视觉系统定位的方式驱动无人机返回。

4.4 智能天线技术

智能天线的优点在于能够对到达无线列阵的信号进行分析，并灵活优化使用波束，从而达到规避干扰以及提高频率利用效率的作用。由于无人机通信网络环境十分复杂和烦琐，因此经常存在因信道重叠而导致数据信息传输质量受到影响的现象。智能天线技术在无人机通信网络领域中的应用有效规避了通信信号干扰问题，同时通过更加科学合理的信道选择确保了通信的稳定与安全。

4.5 OFDM技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术是多载波调制的一种，而其应用优势则在于通过频分复用来实现高速串行数据的并列传输，同时由于该技术具备理想的抗多径衰落能力，因此能够支持多用户的接入。在无人机通信网络构建中，OFDM技术的应用很好地解决了信号之间的干扰问题，从而使得通信信号传输更加稳定和高效[9]。目前，OFDM技术已与蜂窝网络技术进行了深度融合与创新，并进一步强化了信号的抗干扰能力，从而促进了我国无人机通信网络领域的发展。

4.6 构建无人机安全网络

对于无人机通信网络而言，在信息传递和接收过程中往往面临着许多干扰要素，甚至还存在故意窃听或截取的现象，因此构建无人机安全防护网络十分重要。为提高无人机通信网络的安全性，需要采取验证方式来进行通信网络的连接，即使用者与无人机进行双向认证，从而确保使用者处于安全的通信网络环境。除此之外，采用云端通信方式来实现无人机通信网络资源优化也是一种十分理想的方法，能够利用安全协议的协同性进行通信方式的有效切换，从而保障了通信网络的安全性[10]。最后，还要从信号抗干扰能力升级方面给予强化和提升，如此既能够有效规避外界因素带来的信号干扰问题，同时也保障了通信信号传输的安全性。

5 结 论

无人机通信网络技术的成熟与完善不仅能够满足无人机业务的发展需求，同时也是实现通信服务质量提升的重要举措。针对当前日益严峻的无人机通信网络需求压力，必须加强该领域的研究与创新工作，进而通过更加科学合理的资源优化方法来推动无人机通信网络领域的发展与进步。