无人机混合无线通信技术综述

来源：通信技术

作者：张宇翔 , 李育 , 崔德龙

 

 

 

摘要：由于无人机的控制系统和任务系统的集成度高且地面维护环境更为恶劣，单一的无线通信方式难以满足无人机通信扩展性和鲁棒性要求，研究了无人机单一通信方式的特点及缺陷，以及多种通信方式混合使用的关键技术，并以此提出了面向具体使用需求的无人机混合通信方案，为无人机间、无人机与地面站间、无人机与移动终端间的通信方案设计提供了参考。

 

随着无人机技术的发展，单一通信技术越来越难以满足无人机高机动、远距离、高可靠性和抗毁伤的需求。

 

为了达到以上要求，提升通信的鲁棒性至关重要，即通信网络在遭受参数扰动和外部扰动时，能够识别并使用多种不同物理传输通道自动重组，从而保证网络中任意两点间路由传输的可达性。通过带宽、频段资源的合理分配及多类型、多功能传输的融合，形成统一、综合的信息传输体系，实现安全可靠协同通信系统的目标 。

 

本文第 1 节分析了单一通信方式的特点及不足，第 2 节针对混合通信方式的关键技术及其应用进行了研究。

1　无人机通信技术

1.1　无线传感技术

1.1.1　Wi-Fi 技术

无线局域网（Wireless Fidelity，Wi-Fi）是一种短距离高速无线网络，支持 2.4&5.8 GHz 双频段工作，其中以 2.4 GHz 频段居多。基于 Wi-Fi 通信的无人机具有价格低廉的优势，但其有效控制距离较近，在无遮挡环境下一般为 1 km 左右，在市区复杂电磁环境中飞行距离在 300 m 左右。基于 Wi-Fi通信的无人机信号在时域上表现为非周期性，没有固定的脉冲重复间隔和脉冲宽度；在频域上带宽约为 16.5 MHz，存在固定的通信信道可供选择。以2.4 GHz 频段和 5.8 GHz 频段为例，2.4 GHz 频段上有 13 个信道，各个信道的中心频点分布在 2 412~2 472 MHz， 相 邻 信 道 间 隔 为 5 MHz；5.8 GHz 频段 上 有 5 个 信 道， 各 个 信 道 的 中 心 频 点 分 布 在5 745~5 825 MHz，相邻信道间隔为 20 MHz。基于Wi-Fi 的无人飞行器在物理层大多使用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术和 IEEE 802.11a/g 协议。

 

目前 Wi-Fi 通信技术运用在无人机通信领域还存在传输距离过短、实时监控能力差、信号抗干扰性差的问题。

1.1.2　LoRa 技术

远距离无线电（Long Range Radio，LoRa） 通信技术是一种低功耗广域网技术 ，同蓝牙技术、Wi-Fi 技术和紫蜂协议（ZigBee）技术等现有成熟的无线技术相比，LoRa 具有远距离、低功耗、组网灵活、联网成本低和对建筑物的穿透力强的优点，非常适合有低功耗要求、使用电池供电、需要远距离通信的联网终端设备。不仅如此，LoRa 技术可以有效地抗击干扰和实现加密，而且还可以实现空空通信。

 

LoRa 通信基于扩频技术，实现了在远距离无线传输中的高可靠性。例如，LoRa 在传输一个数据包时，通过扩频因子增加冗余数据包，从而降低误码率，达到了提高稳定性的目的，有效支持远距离传输。此外，它使用的基于 LoRa 技术的低功耗广域物联网通信协议（Long Range Wide AreaNetwork，LoRaWAN），拥有低功耗特性，具体来说，当 LoRa 设备在某个信道上发送了 0.5 s 长的数据后，由于通信协议 1% 占空比的限制，该设备需等待 49.5 s 之后才能再次在同一个信道上发送数据。因此，LoRa 技术实现了低功耗和远距离的统一，很好地实现了远距离通信、大系统容量、低硬件成本、长电池寿命等功能。

1.1.3　ZigBee 技术

ZigBee 技术是基于 IEEE 802.15.4 标准研制的有关安全、组网和应用软件的技术标准。IEEE802.15.4 仅 处 理 链 路 层 和 物 理 层 协 议，ZigBee 联盟在此基础上对网络层协议和应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）进行了标准化。一个 ZigBee 协调器拥有 255 个连接节点，基于此形成的 ZigBee 网络对路由传输的目的地数量没有上限，同时在发射端通过调整输出功率可使点对点通信距离由十米量级扩展到千米量级，使得网络覆盖区域更加宽广。

 

ZigBee 通信技术性能稳定、安全可靠，使用高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）加密算法，具有数据完整性检查和鉴权功能，且各应用的安全属性可以独立配置，从而使网络安全能够得到灵活、有效的保障。除此之外，ZigBee 通信技术网络容量大，每个 ZigBee 网络最多可以容纳 254 个从设备和 1 个主设备，一个区域最多可以同时部署 100 个 ZigBee 网络 。ZigBee 建立通信连接延时短，典型的搜索设备建立通信连接时延为30 ms，相较于蓝牙（时延 3~10 s）时间大幅缩短。

 

ZigBee 技术协议栈非常简单，且 ZigBee 协议是免费专利，从而大大降低了其研发设计和生产成本，例如，网络节点硬件仅需 8 位的 CPU 和 4~32 KB 的只读存储器。随着 ZigBee 产品的产业化发展，其通信模块价格预计能降到 10 元。ZigBee 通信除成本优势外，还具有低功耗的优点，仅靠 2 节 5 号电池就可以维持 6 ～ 24 个月的使用时间。

 

最后，ZigBee 通信技术支持树形、星形、网状等多种网络拓扑结构，能够满足无人机编队飞行通信应用场景。

1.2　卫星通信技术

卫星通信网络具有全球覆盖、抗毁性强和传输时延低等特性，是未来全球移动通信系统的重要组成部分。按运行轨道高度分类，通信卫星分为低轨卫星、中轨卫星和高轨卫星；按轨道类型分类，可分为赤道卫星、地球静止卫星、地球同步卫星和极轨道卫星等；按通信频率分类，可分为 Ku、Ka、C、L 和 S 频段卫星。

 

卫星通信已被国际民航视为无人机超视距飞行时信息传输的重要手段。在没有辅助设备的非隔离空域飞行时，无人机和空管站之间的通信与有人机相同，为二次监视雷达（Secondary Surveillance Radar，SSR）模式数据通信和甚高频通信系统（Very High Frequency，VHF）频段话音通信；在无线视距范围外，无人机和操控站采取卫星中继的方式进行通信，具体传输信息包括通信、指挥和控制信息；通过防碰撞系统，无人机和其他有人 / 无人机之间可避免空中碰撞。

 

卫星通信中无人机也可以作为通信中继使用。当卫星与地面进行通信的过程中，遇到建筑物或者障碍物的遮挡时，会出现通信盲区、传输时延变大的问题，从而导致卫星通信的传输质量难以保证，此时信号在无人机处被放大后再传输到接收端，可以有效解决通信的传输遮挡问题。

 

无人机载荷受限，因此相比于地面卫星通信系统，无人机载卫星通信系统的容量和功耗均受到制约，具体表现为：传输带宽更窄、接收信噪比更低。随着传输距离的增大，信号在自由空间中的损耗也随之增加。并且普通的传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）难以适应卫星通信的高抖动场景，国际电联在无线电通信部分的 ITU-R S.1711-1建议书中，提出要使用分割技术、高速缓冲、大TCP 窗口、TCP 源业务控制机制和大 TCP 缓冲尺寸等技术，对传统 TCP 协议进行增强处理。

1.3 　可见光通信技术

可 见 光 通 信（Visible Light Communications，VLC）技术以自由空间作为传输媒介，具有传输容量大、传播定向性高、抗干扰能力突出 [18]、保密性强、频谱带宽资源巨大且无须授权、无须建设基站[19]等特点。可见光通信频率在 400~800 THz 范围内，与经典的射频频段相比，可见光通信提供了超高带宽（太赫兹）、零电磁干扰、自由丰富的无执照频谱和极高的频率复用 ，可以有效地缓解当前射频通信频带紧张的问题，为短距离无线通信提供了一种新的选择方式。

 

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）可以很快地进行光强度调制（MHz 量级）[21]，当 LED用于通信时，使用驱动电路将输入数据与调光控制信号相结合，并将其叠加以驱动 LED 发射光信号。例如，在简单的开关键控调制中，数据位 0 和 1 可以通过选择 2 个不同的光强度级别来传输。在接收端，首先使用特定波长的光滤波器对接收信号进行滤波并放大；然后，使用光电传感器，依据接收到的光强不同转换成强弱不同的电流；最后，接收通信模块将接收到的模拟信号转换为数字信号并对其进行解调。目前，光电传感器可以采用 MHz 量级的速率对可见光进行采样 。

 

可见光通信可以应用在无人机与地面终端间的通信中。针对灾后搜索场景，可见光通信可以在无线信号微弱的场景下进行网络覆盖，同时在没有全球定位系统的地方提供定位服务 。可见光通信还可用于在无人机与卫星间建立高可靠的通信链路。如何构建空、天、地一体的光无线网络 [25] 成为目前研究的重点，包括如何有效抑制可见光被散射、吸收，以及相前畸变和各类环境及天气现象对链路性能的不利影响。

 

目前可见光通信在无人机领域的大规模应用，仍存在覆盖范围、上下行光路之间的干扰协调、资源管理、无法纳入现存网络体系，易形成信息孤岛等问题，例如，在无人机可见光通信中，无人机的位置会影响可见光通信中信号源与接收点之间的通信角度和距离，从而影响信道增益。为了解决这些问题，需要在基础层面解决无人机之间的光无线通信链路问题，业界通常简称为空对空（Air-to-Air，A2A）问题。

1.4　移动通信

第 5 代 移 动 通 信 技 术（5th-Generation MobileCommunication Technology，5G）作为新一代通信技术，其发展为地空通信带来了新的机遇，5G 通信的特点是超高带宽、超高用户密度，超高速移动和低延时高可靠连接 [28]。5G 下行速率在 100 MB/s，上行速率在 50 MB/s，而 4G 网络延迟为 100 ms，5G 网络延迟为 50 ms。5G 峰值数据传输速率可达到 20 Gbit/s，是 4G 技术的 100 倍以上。5G 可以满足每小时 500 km 高速移动物体的网络需求，例如无人机，通过 5G 通信在军事领域的应用之后，军用无人机领域有所拓展，进而又拓宽了 5G 技术的发展，促进了二者进行融合。此外，无人机既可以作为 5G 中继基站，又可以作为参与通信的节点。无人机部署的速度快、灵活性高，相较于高空平台、卫星系统和地面基站等其他方案，无人机在提供无线连接方面表现更佳。

 

目前，5G 仍存在覆盖能力弱、传播范围不足和低渗透的难题，为了保证覆盖率，大量布置基础设施将造成大量浪费，同时也会造成网络规划难度以及运维难度的大幅提升。

1.5　单一通信技术总结

从无人机通信的覆盖范围和网络性能 2 个维度对比分析通信技术如图 1 所示，通信方式对比如表 1 所示。

 

 

图 1　通信方式性能对比

2　通信技术的混合应用

随着无人机对通信要求的日益增高，最基本的单一通信服务由于各自都存在一定的局限性，已经无法满足无人机发展的需求。由于可见光、Wi-Fi、LoRa 和卫星等多样化通信方式在通信距离、穿透能力、抗干扰能力、功耗、带宽资源、成本和数据传输速率等方面有巨大差别，可以通过混合搭配弥补各自缺陷。未来机载通信网络将逐渐发展为空、天、地融合的无线异构混合网络，形成多种无线通信技术多网异构、长期并存和相互协同的局面。

2.1　关键技术

2.1.1　网络选择技术

网络选择是异构网络融合的关键技术之一 。不同类型的异构网络能够完美融合是发挥混合异构网络特性的基础，其特点在于网络切换时延对用户透明。

 

不同的场景下用户可能会相互竞争网络资源。博弈论可以解决这个问题，其通过数学方法计算，推导出资源分配的最优解，也就是网络切换时刻的平衡点，使切换时延最短、消耗资源最少。同时，利用博弈论进行后续的无线电通信研究，还可以为改进和构建下一代异构网络提供新的方向。

 

表 1　通信方式对比

 

在异构网络链路选择算法方面，传统算法在选择时多以用户自身或者目标网络单方面为中心，以用户侧的属性动态变化为依据，欠缺对网络侧属性和偏好的考虑。针对机载异构网络选择方法，应当在关注移动用户端的需求同时兼顾网络端属性，保证用户体验，以提升服务质量。

2.1.2　波束成形与波束跟踪技术

由于阵列产生的方向性增益能够有效抵消空气对电磁波的损耗，波束成形技术被认为是解决电磁波通信空气损耗问题的关键，其提供的方向性增益能够有效提高通信信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR），并抑制系统间的干扰。

 

设计通信系统波束跟踪方案，需要明确性能指标，考虑在信道状态快速变化的情况下对通信功能和感知功能的影响，包括最大感知范围、最高感知精度等。合理的波束跟踪方案可以基于当前时刻状态信息，精准预测下一时刻的状态信息。波束跟踪算法通过提供测角及定位服务，提升无人机感知精度，从而协助无人机预测信道状态信息，并推算出感知目标的角度及位置信息。此外，无人机低空飞行时会受到多个小区的干扰信号，容易导致无人机在空中需要频繁切换小区 。为避免这一问题，基站可以采用小区合并技术，将多个小区合并为一个逻辑小区，降低无人机空中的切换概率，从而有利于信号跟踪。

2.1.3　干扰控制技术

信号干扰问题可分为 3 种，第 1 种是上下行干扰问题；第 2 种为信号间的干扰问题。为了进一步提升异构混合通信系统的感知性能，针对上下行干扰问题，可以考虑利用干扰协调技术来解决；针对信号间的干扰问题，可以从波束设计的角度来解决。第 3 种为军事应用中来自敌方的干扰，应用较为广泛的传统抗干扰技术有扩频抗干扰技术、自适应干扰抑制技术、猝发通信技术、纠错编码技术等。近年来，认知无线电和无线频谱利用技术的结合，成为研究热点，例如，文献 [45] 设计了具有认知抗干扰能力的战术数据链系统（Tactical Data Link，TDL），并在试验环境中验证了其良好的认知抗干扰性能，TDL 的主要创新点在于利用干扰信号感知技术规避干扰频谱。

2.1.4　AI 赋能技术

无人机使用 AI 技术，可以增强通信能力，预测其与目标之间的信道状态和可能存在的杂波干扰，提升无人机通信的感知精度和感知范围，极大提高机群系统协同作战能力、复杂环境认知能力、自适应能力以及抗毁能力。

 

AI 算法可以赋能波束成形技术。陈梦浴基于前馈神经网络设计了一种可以动态自适应优化波形参数，同时有效避免非确定性杂波干扰的波束成形技术。罗梦焓基于深度神经网络（Deep Neural Networks，DNN） 和 卷 积 神 经 网 络（Convolutional Neural Network，CNN）设计的波束成形技术，在大大降低计算复杂度的同时，获得了接近最佳全数字波束成形的性能。人工智能还可以辅助系统波束跟踪技术设计，如文献 [44] 提出了一种基于贝叶斯预测模型的可以降低导频开销并提高角度估计精度的波束跟踪方案。

2.1.5　安全通信技术

无线信道的开放性和衰落特性，容易被非法利用并产生不良影响。无人机通信面临着被窃听、截获等严重安全威胁。传统依赖于计算复杂度的加密算法随着计算机算力的大幅提升，其对无人机通信数据的保护能力越来越弱 。

 

近年来利用无线物理层安全技术提升通信安全性成为一个新的研究方向，其利用目标接收者和窃听者的无线信道物理特性的不同，设计有利于目标用户的传输策略，使得窃听者接收到信号的检测门限低于香农限，从而无法正确检测出发送信号 。

 

针对无人机群组网通信，可用于改善物理层安全的成熟方法主要包括中继协同技术、多输入多输出技术和人工噪声技术等 。

2.2　混合方案

如表 2 所示，对比总结了多种混合通信方案的特点。

表 2 混合通信方案对比

 

5G 与 Wi-Fi 混合通信。5G 是广域网适合室外通信，Wi-Fi 是局域网适合室内通信，二者利用各自优势形成天然互补。Wi-Fi 通信可以弥补 5G 通信成本高，终端设备需要 SIM 卡的不足。5G 通信弥补了 Wi-Fi 通信范围小，不适合高移动性物体的不足。Wi-Fi 和 5G 的结合能兼具二者优势，并降低通信成本。

 

5G 与 LoRa 混合通信。5G 是运营商网络，因此数据需先上传到运营商的核心网，其安全性完全依靠运营商。随着无人机向智能化、信息化发展，信息安全日益变得重要。针对安全性需求的关键数据，企业需要自己的私有网络部署，而 LoRa 不需要建设基站，频段不需要授权，企业可以在需要的地方，自行进行网络部署，信息传播更加可控。

 

Wi-Fi 与 ZigBee 混合通信。ZigBee 技术传输速率低，但具有组网简单、安全可靠、网络容量大等优势。Wi-Fi 技术传输速率高，应用广泛，大量的手机客户端支持 Wi-Fi 通信，而 ZigBee 通信的手机目前尚未普及，大量 ZigBee 通信使用电脑端作为载体，便携性有待增强。借助于 Wi-Fi 技术对ZigBee 技术的补足可以满足高速传输的需求同时减轻工作设备的重量。

 

Wi-Fi 与 VLC 混合通信。仅由可见光构成的单一无线通信系统存在光链路脆弱、覆盖范围小、单个 LED 调制带宽有限、上行信号传输实现困难等问题，且覆盖边缘和盲区等都会造成 VLC 通信光线信道差。使用 Wi-Fi 覆盖可以有效解决以上问题，同时保留 VLC 功耗低、安全性高、不占用无线电频谱、无须频谱认证等优势，并解决单独使用可见光通信产生的信息孤岛问题。

 

卫星与 5G 混合通信。卫星移动通信具有全球全时工作等优点，而 5G 地面移动通信具有资费相对低，技术相对成熟等优点，这 2 种通信方式可以结合互补。具体来说，卫星移动通信可以解决地面 5G 通信在偏远地区未覆盖以及高空无覆盖的问题，而在地面使用 5G 通信技术可以弥补在低空使用卫星通信成本高昂的缺陷。通过 2 种通信方式的融合，使得无人机与地面的通信将突破以往受高度和距离局限的影响，从而在全球范围内实现飞行器超视距飞行控制和任务下达功能。

3　结 语

本文首先分析了现有的主流无人机通信方式原理、特点和不足。其次，为了弥补无人机单一通信技术的不足，适应无人机通信技术的发展趋势，更好地发挥无人机的通信效能，本文阐述了无人机混合通信的关键技术。最后，给出 5 种混合通信方案及其特点，为无人机通信方案选择提供参考。

 

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