李 靜

（陜西省建筑職工大學(xué) 陜西 西安 710068）

1 引言

近幾年無人機技術(shù)的成熟與發(fā)展，蜂窩移動通信技術(shù)和無人機通信鏈路緊密結(jié)合且快速發(fā)展，“聯(lián)網(wǎng)無人機”迅速崛起。參考文獻(xiàn)《低空聯(lián)網(wǎng)無人機安全飛行測試報告》指出，無人機安全飛行的一些要求剛好能滿足空蜂窩網(wǎng)絡(luò)需要。所以，無人機的低空飛行通信環(huán)境由移動基站的信號數(shù)據(jù)建立以及覆蓋全面，假設(shè)信號覆蓋良好，就可以移動通信基站覆蓋數(shù)據(jù)和人口分布格網(wǎng)數(shù)據(jù)來分析無人區(qū)移動信號覆蓋情況。

2 蟻群算法及在無人機中的應(yīng)用

2.1 蟻群算法的最基礎(chǔ)算法

螞蟻在自己的路徑中搜索，尋找最優(yōu)的路徑，尋找過程中能夠搜索最短路徑的集合網(wǎng)格，并且根據(jù)自己的步長尋找空間阻礙物的比例及步長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)縮短了尋優(yōu)路徑的時長；因此，蟻群算法研究最終引入了方向信息以及終點目標(biāo)的路徑信息目標(biāo)，來提高最終路徑尋優(yōu)的方向性目標(biāo)。與前面的蟻群算法相比較，現(xiàn)在改進(jìn)后的更能快速進(jìn)行搜索及收斂，這樣就將路徑的最優(yōu)時間大大減少了；該精算法能將最短路徑、最優(yōu)路徑迅速找出。

根據(jù)無人機的一些與人相似的飛行以及空間域的相關(guān)政策，進(jìn)行了航空路線的無人機實驗，結(jié)合現(xiàn)在研究的蟻群算法，可以利用搜索路徑，尋找航行路徑過程中的最優(yōu)路徑。

2.2 對于飛行環(huán)境中的低空環(huán)境的影響因素

最首要的是對于飛行環(huán)境中的低空環(huán)境的一些基本要素的選擇，譬如對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)在低空環(huán)境中的影響、氣候條件的影響、空間域的一些條件限制環(huán)境的影響，這些影響條件還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，還有一些電磁波的干擾、人口條件的多少都是影響因素。

3 無線光通信中的激光通信的特點和優(yōu)勢

3.1 抗干擾性能較好，頻率比較高，容量比較大

在1013～1015赫茲之間的激光基頻，比實際一般頻率高3到5個數(shù)量級，帶寬也特別寬。在通信系統(tǒng)中，所傳輸?shù)男畔⒖偭颗c已調(diào)載頻的帶寬有關(guān)，帶寬是被限制于載頻本身的部分，因此，載頻頻率的提高，理論上增加了有效傳輸帶寬和整個系統(tǒng)的信道容量[1]。由于大氣激光通信系統(tǒng)的工作頻率極高，在這個頻譜段上沒有微波通信等其他通信業(yè)務(wù)的傳輸，設(shè)備之間也不會受到其他頻譜的干擾，不需要頻率許可證，抗外界干擾性能好。

3.2 以光為傳輸媒介：設(shè)備尺寸小，成本相對低廉，協(xié)議透明

大氣激光通信是以大氣信道作為信息的傳輸媒質(zhì)，避免了復(fù)雜繁重的光纖鋪設(shè)工程，只需在通信節(jié)點上進(jìn)行設(shè)備安裝即可，又由于光波的波長短，通信設(shè)備要輕便許多。所以大氣激光通信系統(tǒng)搭建方便，安裝靈活，非常適合用于地形異常復(fù)雜或者光纖很難鋪設(shè)的地方。有資料表明，無線大氣激光通信系統(tǒng)的造價僅為光纖通信系統(tǒng)的20%左右[2]。在通信協(xié)議方面，因為大氣激光通信是以光作為信息的載體，屬于物理層的傳輸設(shè)備，對任何的通信協(xié)議都不設(shè)屏障，如光纖分布式數(shù)據(jù)接口、異步傳輸模式、同步光纖網(wǎng)絡(luò)、SONET/SDH、快速以太網(wǎng)、以太網(wǎng)等，并可支持2.5 Gbit/s的傳輸速率，對傳輸數(shù)據(jù)、語音、圖像和視頻等各種信息可以做到透明傳送。

3.3 激光方向性強，傳輸安全保密性好

激光高的方向性使得它的發(fā)射激光束很窄，所以形成光通信鏈路后很難被發(fā)現(xiàn)。而且，由于這些波束的方向性很強，不易受外界干擾，具有數(shù)據(jù)傳輸保密性，要想截獲它，就必須知道如何捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)和接收信號，整個過程是很復(fù)雜的，而且即使光波束被截獲，也會很快被發(fā)現(xiàn)。因此，大氣激光通信傳輸安全保密性好，這是一般微波通信無法比擬的，特別是對于需要嚴(yán)格保密的軍事通信系統(tǒng)來說，安全保密是至關(guān)重要的。

4 大氣激光通信存在的劣勢

4.1 受環(huán)境因素影響明顯，通信距離受限制

激光的方向性很好，且激光束發(fā)散角很小，在短距離的情況下通信很有優(yōu)勢，但由于大氣環(huán)境的影響，傳輸距離越遠(yuǎn)，激光束就會逐漸擴(kuò)散，超過了一定的距離后就聚焦困難不易接收了。特別是在大霧或沙塵暴天氣，光的色散和漫反射將極大地影響光通信的質(zhì)量，所以通信距離受到限制。

4.2 瞄準(zhǔn)和跟蹤困難

瞄準(zhǔn)困難是大氣激光通信應(yīng)用中最為明顯的不足。由于激光發(fā)射的傳輸距離較遠(yuǎn)、光束較窄等原因，會給天線的瞄準(zhǔn)帶來困難。一般的大氣激光通信系統(tǒng)的發(fā)射天線和接受天線都是架設(shè)在高空，自然環(huán)境的干擾或者輕微的地震都會使天線產(chǎn)生晃動，導(dǎo)致發(fā)射和接收端之間的光通信鏈路產(chǎn)生偏移，光斑脫靶。一旦瞄準(zhǔn)后建立了光通信鏈路，這些外界因素的影響也會使得通信鏈路中斷，所以為了保持通信不會中斷，還要求光通信鏈路有自動跟蹤的能力。

4.3 不能直接進(jìn)行非視距傳播，通信容易發(fā)生中斷

大氣激光通信靠的是激光在大氣中的傳輸來傳遞信息，由于光直線傳播的特性，因此只能在視距范圍內(nèi)建立通信鏈路，若是兩個通信節(jié)點內(nèi)有障礙物阻擋，則會造成通信質(zhì)量下降甚至無法通信。不過，對于這種情況可通過建立一個中繼站進(jìn)行連接。

4.4 激光對人眼的安全問題限制

在大氣激光通信中，激光的功率越高傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，受外界影響越小，越容易接收且準(zhǔn)確度也越高，但是功率過高的激光可能會對人眼產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害，因此在使用激光進(jìn)行通信時，要嚴(yán)格控制激光的發(fā)射功率，必須要符合激光安全標(biāo)準(zhǔn)。雖然大氣激光通信在實際應(yīng)用中還存在著外界環(huán)境因素的干擾影響和技術(shù)上的不成熟，但這種技術(shù)誘人的優(yōu)勢還是引起了人們的關(guān)注，對它的研究也是越來越深入，并取得了一系列的成果，包括民用和軍用。

4.5 影響道路擁堵的因素

道路擁堵是指選擇信號最優(yōu)路徑的可能是多樣化的，有時堵塞的路徑可能是更好的，有時堵塞網(wǎng)絡(luò)的長短代表著堵塞道路的情況及質(zhì)量因素。

大氣激光通信的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面。

（1）安全的激光光源及高速率光調(diào)制技術(shù)。激光光源的選擇要求輸出光功率小，對人畜等不造成傷害，光束方向性好，工作頻率高。在大氣激光通信系統(tǒng)中大多采用半導(dǎo)體激光器作為信號光源，常用的激光的波長是850nm的近紅外波段，因為在這個頻率上有足夠的能量將電流信號高效地轉(zhuǎn)換為光信號，另外，1550 nm的波長可以支持更大的系統(tǒng)功率，與850 nm的激光相比較，只有在通信距離超過1000 m的時候才能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢。高效、可靠的調(diào)制解調(diào)技術(shù)能提高系統(tǒng)的傳輸速率，降低系統(tǒng)的誤碼率。在信息傳輸?shù)臅r候選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式也會對通信系統(tǒng)性能的提高起到一定的作用。

（2）高增益收發(fā)天線。為了保證光束的有效傳輸和準(zhǔn)確接收，激光器發(fā)出的光束在進(jìn)入大氣信道前和進(jìn)入到光電探測器之前需要進(jìn)行準(zhǔn)直，縮小它的發(fā)散角，這需要通過收發(fā)天線來完成。收發(fā)天線的增益越高，激光傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，信號的接收越準(zhǔn)確。在實際應(yīng)用中通常選擇收、發(fā)合一的天線。

（3）微弱光信號的接收技術(shù)。高靈敏度的光信號接收技術(shù)是通信可靠性的保證。大氣激光通信中，大氣環(huán)境及背景噪聲的影響都會削弱光信號，使得到達(dá)接收端的光信號變得十分微弱，這樣不利于信號的探測接收。為了能夠準(zhǔn)確地探測到光信號，可通過提高探測器的靈敏度或?qū)邮盏降男盘栠M(jìn)行預(yù)處理這兩種方法來實現(xiàn)，這樣即使是在光信號變得十分微弱的情況下也能被探測到。

（4）快速、精準(zhǔn)的APT技術(shù)。這是光通信成功的關(guān)鍵。攜帶信息的激光束從發(fā)射天線發(fā)出去后，接收端需要對光束進(jìn)行捕獲，然后瞄準(zhǔn)、跟蹤直到信號接收。整個APT系統(tǒng)可分為兩部分：捕獲和跟蹤、瞄準(zhǔn)。捕獲系統(tǒng)通常采用CCD（Charge-coupled Device，電荷耦合元件）結(jié)合光濾波器和信號實時處理伺服執(zhí)行系統(tǒng)一起來完成目標(biāo)的捕獲，然后，跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)就對目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和實時跟蹤。

移動通信技術(shù)在蟻群算法中的移動機器人最優(yōu)路徑的實際應(yīng)用，可以更好地將兩者結(jié)合在一起，發(fā)揮出最大效益。