張主杰 李志 葛明 王璟瑞

摘要：隨著人們的生活水平日益提高，網(wǎng)絡(luò)通信在人類生活中所占的比例越來越大。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)龐大的詞匯，并且隨著實(shí)際生活的需求，在概念上也發(fā)生著改變，并根據(jù)其工作環(huán)境需要，也出現(xiàn)了很多變種。本文就無人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)無線通信的潛力與方法展開探討。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);物聯(lián)網(wǎng);無線通信

引言

無人機(jī)空地通信是我國推進(jìn)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大工程的重要組成部分，擁有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也面臨著重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。針對(duì)未來移動(dòng)通信業(yè)務(wù)量的指數(shù)級(jí)增長及多樣化需求所帶來的挑戰(zhàn)，充分挖掘無人機(jī)通信系統(tǒng)的優(yōu)勢和潛力，對(duì)國家開發(fā)利用鄰近空間資源具有重要的戰(zhàn)略意義，可促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，并帶動(dòng)我國新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。歷史上，無人機(jī)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，部署于敵方區(qū)域，進(jìn)行情報(bào)偵察等以減少士兵傷亡。近年來，隨著設(shè)備的小型化、制造成本的不斷降低和性能的持續(xù)提升，小型無人機(jī)在民用和商用領(lǐng)域應(yīng)用增長迅速，實(shí)體場景包括實(shí)時(shí)監(jiān)測、無線覆蓋、遠(yuǎn)程感知、物流、應(yīng)急搜救、通信中繼、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)管以及民用設(shè)施檢查等。

1物聯(lián)網(wǎng)概念

“物聯(lián)網(wǎng)”概念在1999年美國麻省理工學(xué)院首次被提出，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的概念也隨之更新，當(dāng)前主要是指信息和物理設(shè)備的融合，把物體和事件通過信息表達(dá)，在物與物之間實(shí)現(xiàn)信息交互，實(shí)現(xiàn)物體的識(shí)別、實(shí)時(shí)定位與管理。從功能的角度分析，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)具有感知、互聯(lián)、計(jì)算和控制能力的信息系統(tǒng)。從功能角度抽取的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)一般包含物聯(lián)網(wǎng)從感知、傳輸、處理和執(zhí)行等部件。

2物聯(lián)網(wǎng)的特有業(yè)務(wù)模型

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的開展形式具體包含多種服務(wù)類別，分別有描述、數(shù)據(jù)包的頻次與規(guī)模、配備范圍與移動(dòng)水平、終端密度信息等，物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)模型一般是小規(guī)模的，頻次高的種類，這種類型的業(yè)務(wù)大多是在線的，與QQ聊天軟件有很多相似之處，可以消耗大量的網(wǎng)絡(luò)資源，影響網(wǎng)絡(luò)的效率?，F(xiàn)實(shí)生活中最主流的數(shù)據(jù)服務(wù)模型可以保證這些數(shù)據(jù)的來源是真實(shí)有效的。會(huì)話頻率的含義是服務(wù)在一天內(nèi)觸發(fā)的會(huì)話數(shù)，會(huì)話大小的含義是服務(wù)中數(shù)據(jù)分組的數(shù)據(jù)量。配置范圍表示配置服務(wù)時(shí)的覆蓋場景。移動(dòng)性表示服務(wù)是否可以移動(dòng)。通過對(duì)數(shù)據(jù)包的分析，可以看出物聯(lián)網(wǎng)是非常小的數(shù)據(jù)包和高頻數(shù)據(jù)服務(wù)。如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)程仍然存在很多波折，因?yàn)楫?dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)正向著更小型的包、更高的信息頻次與數(shù)量更多的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)展，這種發(fā)展趨勢必定會(huì)讓互聯(lián)網(wǎng)的負(fù)荷增重。傳統(tǒng)優(yōu)化方法的使用效果不佳，造成嚴(yán)重的信號(hào)風(fēng)暴問題，假如該問題得不到妥當(dāng)解決，必定會(huì)變成妨礙信息技術(shù)有效提升的關(guān)鍵因素。

3物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)應(yīng)用探討

（一）無線通信技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中的應(yīng)用。當(dāng)前，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還處于初步發(fā)展階段，其功能并不完備，仍然需要技術(shù)革新才能滿足車輛的管理需要，提高交通安全。在所使用的無線技術(shù)中主要包括：DSRC專用短程通信技術(shù)，利用該技術(shù)可以對(duì)車輛的進(jìn)行識(shí)別;全球衛(wèi)星定位技術(shù)，也就是眾所周知的GPS技術(shù)，能夠獲得車輛的實(shí)時(shí)位置信息;無線傳輸技術(shù)，車輛利用該技術(shù)和外界共享自身的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)和外部的通信;數(shù)字廣播，該技術(shù)主要用于發(fā)布實(shí)時(shí)的交通信息，幫助車主做出正確的形成方向選擇。（二）農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀（1）檢測環(huán)境信息。當(dāng)前農(nóng)業(yè)當(dāng)中已經(jīng)大量使用了各種傳感器在大棚和養(yǎng)殖池當(dāng)中，通過傳感器來獲取當(dāng)前的溫度、濕度、pH值、二氧化碳濃度等情況，利用通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理中心，管理中心在處理數(shù)據(jù)后做出反應(yīng)，根據(jù)參數(shù)的變化，及時(shí)對(duì)當(dāng)前的情況進(jìn)行調(diào)控，比如改變溫度、灌溉等等。依靠農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，即時(shí)地對(duì)植物的生長環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，讓農(nóng)作物始終處在最為合適的生長環(huán)境當(dāng)中，保證農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量。（2）遠(yuǎn)程調(diào)度和指揮。當(dāng)前，很多大興農(nóng)場都是用到了遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)場的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如果發(fā)生巨大的災(zāi)害時(shí)，首先可以具有很快的反應(yīng)速度，同時(shí)，專家和技術(shù)人員也能夠在遠(yuǎn)程對(duì)農(nóng)場進(jìn)行指揮，做出正確的決策，以最快的速度減少損失。（3）監(jiān)管農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。在監(jiān)管農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量時(shí)，會(huì)使用到條碼技術(shù)和電子標(biāo)簽等，并使用到傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)一個(gè)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控和跟蹤，并且能夠迅速發(fā)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地。比如，在監(jiān)管某個(gè)農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，可以利用IC監(jiān)控，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地環(huán)境、聲場過程、市場準(zhǔn)入等信息進(jìn)行收集，監(jiān)管不能可以充分利用這些信息對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行同步監(jiān)管。

4基于無人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)無線通信

（1）基于無人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中繼。陸地中繼系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的研究，主要有解碼—轉(zhuǎn)發(fā)和放大—轉(zhuǎn)發(fā)兩種中繼策略，中繼傳輸方式有半雙工中繼和全雙工中繼。半雙工中繼頻譜利用率較低，全雙工中繼可以在相同的時(shí)頻資源下同時(shí)接收和發(fā)射，頻譜利用率較高，但也帶來了自干擾。目前，主要研究自干擾的消除和抑制、系統(tǒng)性能的優(yōu)化等。相對(duì)于陸地中繼系統(tǒng)，無人機(jī)因其快速部署能力、環(huán)境適應(yīng)能力以及無人機(jī)和地面用戶之間的高視距連接概率，被廣泛應(yīng)用于災(zāi)后應(yīng)急響應(yīng)和熱點(diǎn)區(qū)域過載基站的數(shù)據(jù)卸載等場景，如利用無人機(jī)中繼建立臨時(shí)連接，幫助完成無可靠直接連接的兩個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)距離用戶間的數(shù)據(jù)傳輸。（2）無人機(jī)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)/收集。由于成本較低、高度可控和移動(dòng)性，無人機(jī)被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模分布式物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分發(fā)/收集中，這類應(yīng)用一般對(duì)時(shí)延不敏感?；跓o人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)/收集如圖1所示，采用周期性分發(fā)/收集方式，如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、城市氣象監(jiān)測、PM2.5測量以及水質(zhì)、水位監(jiān)測等。在地面節(jié)點(diǎn)位置已知的情況下，無人機(jī)軌跡優(yōu)化可以為無線通信性能增強(qiáng)提供新的設(shè)計(jì)自由度。但是新的限制也為無人機(jī)軌跡優(yōu)化增加了難度，如初始/最終狀態(tài)（位置、速度及加速度）、無人機(jī)的最大/最小飛行速度、最大加速度或最大轉(zhuǎn)彎角、碰撞避免以及禁飛區(qū)等。在無人機(jī)軌跡優(yōu)化中，通?？紤]三大性能折中，即吞吐量—時(shí)延折中、吞吐量—能量消耗折中和時(shí)延—能量消耗折中。常用的無人機(jī)軌跡優(yōu)化技術(shù)有動(dòng)態(tài)規(guī)劃、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、圖論、最短路徑求解、混合整數(shù)線性規(guī)劃、塊梯度下降法和連續(xù)凸優(yōu)化等。但是，現(xiàn)有的無人機(jī)通信軌跡優(yōu)化方案主要針對(duì)戶外平原地區(qū)，信道模型一般采用自由空間傳播路徑損耗模型，若將應(yīng)用范圍擴(kuò)展到一般的環(huán)境有待進(jìn)一步研究（如城市地形、城郊地形等）。此外，還需要研究多天線無人機(jī)軌跡優(yōu)化對(duì)通信性能的影響。

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)多樣化的網(wǎng)絡(luò)，方案的設(shè)計(jì)要綜合考慮帶寬、覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)容量、可靠性、電池壽命、成本、交互頻率和擴(kuò)展性等因素，才能最終形成設(shè)計(jì)方案。在無人機(jī)物聯(lián)網(wǎng)無線通信中，充分挖掘無人機(jī)的特性，選擇合適的信道模型和無人機(jī)功率消耗模型，通過優(yōu)化無人機(jī)軌跡、資源分配和多天線設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)質(zhì)量、能量效率和任務(wù)完成時(shí)間等性能的提升，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

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（作者單位：中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司黑龍江分公司）