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摘要：利用无线通信技术能够实现仪器间数据的传输，快速地进行数据的处理和计算，从而促进自动控制系统更加完善，提供生产的效率。与地面物联网通信平台相比，低空无人机无线通信系统具有部署速度快、成本低、可按需部署、配置灵活以及短范围视距连接带来的通信信道质量更好等优点。另一方面，无人机的高移动性、能量受限等特点给无人机物联网无线通信带来新的挑战。研究了物联网场景下的无人机无线通信技术，描述了无人机空—地信道特性和功率消耗模型，重点介绍了无人机在物联网数据分发/收集、数据中继等方面的应用、机会和方法。
关键词：无人机；物联网；无线通信
引言：随着物联网技术的快速发展，无线通信技术以其多样化的技术，以及低能耗和成本低，并且能够适应复杂的环境等方面的优点，将会在物联网中具有十分重要的应用。无人机无线通信具有响应快速、机动灵活、成本低、可按需部署、信道好并且一定程度可控等优点，在国防安全、应急响应以及防灾减灾等方面具有广阔的应用场景。在无人机物联网无线通信中，充分挖掘无人机特性，通过优化无人机轨迹、资源分配以及多天线设计等实现通信服务质量、可达速率、能量效率和任务完成时间等性能的提升，具有重要的理论价值和实际意义。
1无人机空—地信道特性及技术优点
1.1无人机空—地信道特性
无人机空地无线通信中的空—地信道，一般包含较强的视距链路，但该视距链路偶尔会被地形、周围建筑物甚至机身阻挡，存在一定的随机性，而其随机概率在理论上取决于俯仰角的大小。空—地信道也会受周围环境如山脉、地面、树木等的有限散射或反射影响，大多数空—地信道测量主要集中在诸如路径损耗指数和阴影衰落等大尺度特性方面。在实际情况中，需要根据应用场景、周围环境以及无人机飞行高度等选择合适的无人机空—地信道模型。然而，在现有的空—地信道建模中，无人机通信过程中由于移动性带来的多普勒效应影响还没有得到很好的研究，无人机的移动性使得空—地信道的信道估计更具挑战性。在频带日趋紧张的今天，毫米波通信频段的使用对空—地信道特性的影响亟待进一步研究。
1.2无人机无线通信优点
由于无人机无线通信系统的成本优势和快速部署能力，使得其适合于突发事件或者持续时间有限的任务，如自然灾害造成的通信基础设施破坏时的应急通信恢复、体育比赛场馆等热点区域蜂窝基站超负荷时的数据卸载、大规模物联网网络的周期性数据分发/收集等。2)无人机的可控制移动性带来新的设计自由度，如根据环境变化动态调整无人机位置及状态实现无人机通信的性能提升。3)为通信基础设施缺失区域提供覆盖连接，如山区电力巡检、边境巡查和海洋数据收集等。另外，与地面车载通信相比，无人机无线通信具有通信信道好、移动性不易受地面建筑物影响等优点。
2无人机的功率消耗探讨
制约无人机物联网通信性能的瓶颈之一是无人机有限的尺寸和携重能力，有限的在板能量必须得到有效利用以增强通信性能，延长无人机续航时间，因此研究无人机飞行过程中的能量消耗具有重要意义[1]。与陆地物联网通信系统相比，无人机物联网通信过程中需要额外消耗推进能量以维持飞行姿态和空中移动。在实际情况中，无人机的推进功率消耗一般远高于通信相关能量。因此，能量有效的无人机物联网无线通信系统与传统地面物联网通信系统有很大区别。无人机水平直线飞行的功率消耗模型和无人机水平圆周飞行的功率消耗模型主要针对二维平面飞行，三维空间飞行要求无人机可进行爬升和下降，其功率消耗模型更复杂，目前尚未有文献研究三维空间飞行的无人机功率消耗模型。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为解决无人机能量有限问题，一方面可研发能量密度更高的电池或者更轻的高强度复合材料以降低无人机重量；另一方面可采用太阳能或其他新型供电方式，但尚未有文献研究太阳能供电的无人机功率消耗模型。
3基于无人机的物联网无线通信
无人机的高移动性为增强无人机物联网无线通信性能提供了机会。
3.1基于无人机的物联网数据中继
陆地中继系统已经得到广泛的研究，主要有解码—转发和放大—转发两种中继策略，中继传输方式有半双工中继和全双工中继。半双工中继频谱利用率较低，全双工中继可以在相同的时频资源下同时接收和发射，频谱利用率较高，但也带来了自干扰[2]。目前，主要研究自干扰的消除和抑制、系统性能的优化等。相对于陆地中继系统，无人机因其快速部署能力、环境适应能力以及无人机和地面用户之间的高视距连接概率，被广泛应用于灾后应急响应和热点区域过载基站的数据卸载等场景，如利用无人机中继建立临时连接，帮助完成无可靠直接连接的两个或多个远距离用户间的数据传输。
3.2无人机物联网数据分发与收集
由于成本较低、高度可控和移动性，无人机被广泛应用于大规模分布式物联网传感器网络的数据分发/收集中，这类应用一般对时延不敏感。基于无人机的物联网数据分发/收集，采用周期性分发/收集方式，如精准农业、城市气象监测、PM2.5测量以及水质、水位监测等。在地面节点位置已知的情况下，无人机轨迹优化可以为无线通信性能增强提供新的设计自由度[3]。但是新的限制也为无人机轨迹优化增加了难度，如初始/最终状态（位置、速度及加速度）、无人机的最大/最小飞行速度、最大加速度或最大转弯角、碰撞避免以及禁飞区等。在无人机轨迹优化中，通常考虑三大性能折中，即吞吐量—时延折中、吞吐量—能量消耗折中和时延—能量消耗折中。常用的无人机轨迹优化技术有动态规划、强化学习、图论、最短路径求解、混合整数线性规划、块梯度下降法和连续凸优化等。但是，现有的无人机通信轨迹优化方案主要针对户外平原地区，信道模型一般采用自由空间传播路径损耗模型，若将应用范围扩展到一般的环境有待进一步研究（如城市地形、城郊地形等）。此外，还需要研究多天线无人机轨迹优化对通信性能的影响[4]。在无人机通信中，可通过优化无人机轨迹或三维空间位置实现任务完成时间的最小化、传感器发射能量的最小化等。在无人机数据分发/收集中，受无人机的尺寸、重量和功率限制，可用能量和滞空时间有限，因此，最小化无人机数据分发/收集任务完成时间或最小化能量消耗是提升无人机通信系统性能的关键。考虑单无人机能量限制，研究多无人机协同实现不同形状区域数据的有效分发/收集具有实际意义。进一步考虑无人机的能量限制，还可研究多无人机协同完成不同形状多边形区域的物联网传感器数据的有效分发/收集，通过优化无人机轨迹、无人机任务分配、传感器节点分解、干扰抑制以及资源分配等方案实现通信能量效率和任务完成时间等性能的提升。
结束语：
在无人机物联网无线通信中，充分挖掘无人机的特性，选择合适的信道模型和无人机功率消耗模型，通过优化无人机轨迹、资源分配和多天线设计等实现通信服务质量、能量效率和任务完成时间等性能的提升，具有重要的理论价值和实际意义。
参考文献：
[1]杨鼎成,刘伟东,肖霖,陈浩乐,李胤锋.基于无人机的区域环境监测物联网系统[J].现代电子技术,2019,42(01):19-23.
[2]胡续俊,陈小敏,朱秋明,祝梦卿,陈兵.无人机中继链路传播损耗及性能分析[J].数据采集与处理,2018,33(04):732-739.
[3]史静,姜明,姚巍,庄庭,陈涛.基于微型多旋翼无人机的气象及环境监测系统设计[J].气象水文海洋仪器,2018,35(01):47-51.
[4]闫朝星,付林罡,郑雪峰,谌明.基于无人机自组网的空海一体化组网观测技术[J].海洋科学,2018,42(01):21-27.
论文作者:乔晓明,
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第03期
论文发表时间:2019/6/17
标签：无人机论文; 信道论文; 能量论文; 无线通信论文; 通信论文; 数据论文; 消耗论文; 《当代电力文化》2019年第03期论文;