无人机通信中继和通信网性能的仿真研究

应志江+杨先进+余向森+黄中华+高昱峰+徐塑+刘承林+刘雅彬

（1国网浙江省电力公司杭州供电公司；2浙江南瑞飞翼航空技术有限公司）

摘 要：随着技术的发展，多无人机的通信应用越来越受到人们的重视。由于巡检无人机通信距离短，通信信号可能会因环境而中断，导致无人机无法继续作业。为解决上述问题，设计实现了应用于电力巡检的无人机通信中继系统，解决了电力巡检无人机在山区、森林等复杂区域巡检作业时的通信问题。

本文系统阐述了无人机中继通信中的关键技术，在研究现有协作中继选择技术的基础上，针对无人机中继通信，建立了无人机中继通信模型，提出了协作中继节点选择算法以及自适应中继传输方案，并进行了仿真。

关键词：无人机；协作通信；中继节点选择

引言

随着科技的发展，无人机在飞行高度、续航时间等方面有很大的提高。在无人机组网通信中，无人机作为中继进行通信有很大的优势。无人机中继通信实现了无人机与地面站的数据链路畅通，促进了无人机在输电线路巡检工作中的深化应用。

1、中继基站通信概述

1.1地面站及其功能

地面站作为无人机系统的指挥控制中心，主要控制任务是监测飞行器飞行状态和机载有效载荷的工作状态，保证无人机能顺利安全的执行任务，与地面站的可靠性有着莫大的关系。无人机上的机载传感器会实时监测飞行数据，根据协议数据格式将这些数据包进行解析，并转换成实际控制指令传递给蛇机电调等实际的无人机部件上，按照正确的轨迹飞行并能到达正确的预定目标点。

1.2中继基站通信方式

在制高点建设通信中继基站，通过通信中继基站实现无人机信息的双向传输。实现无人机组之间以及无人机组与地面基站之间的通信连接、数据传输和信息同步，该方案更适合在广阔的在高山和建筑物阻挡的环境下野外环境中使用。为了满足这些通信的要求，该中继系统搭载到具备高度机动性的平台-无人机，见图1实现超视距传输，可满足指挥、控制和信息交流等多种需求。

图1、无人机中继通信网络

1.3无人机通信网络的通信业务

地面控制中心和无人机之间的通信信道，需要中继终端再转发给地面测控车载终端，地面测控车的控制指令也通过塔架中继终端转发给任务机终端，控制任务机的工作状态。从无人机发送到地面控制中心，主要传输无人机自身工作状态和位置等一些基本信息，必须对无人机通信网络进行有效的移动性管理，需要用专用的高速数据链路与控制站相连接，采用超視距通信中继可以包括语音、数据等的中继。

2、中继过程中的路径规划

2.1中继建模

2.1.1搜索状态的路径决策

中继信道的存在使得该通信系统在节省功耗同时，还可以对抗信道的深衰落。作为无人机中继任务的信息发送端或接收端，地面人员可以看作是一个可移动的地面通信节点。无人机的通信中继和提供个人通信功能可能成为其重要应用之一，无人机获取的侦察信息实时地分发给人员，实施信息搜集和精确打击等多项任务， 每个子数据流分别进行独立的数字调制，然后通过组网来实现地面节点之间的信息交换并将信息传回给后方指挥站。

2.1.2中继状态

由于无人机的机动性，可以将通信网看作是一个拓扑结构不断变化的通信网络，首先源指挥中心内部需要共享待传输的信息，从而来构成虚拟的分布式天线阵列，中继节点和目的节点同时接收源节点的发送信息，经过解调、解码等得到源数据。在中继状态中，整个网络的拓扑结构是不断变化的，信息交互网络中所有的信息传输的跳数需要满足一定的约束条件，通过优化信息传输路由，使得网络信息的平均延时最小，这种移动趋势，能够尽快地减少信息传输跳数，同时将信息通过空中无人机通信网络传输给每一架无人机，减小网络深度，增加宽度，使得通信网络有更多的路由选择。

2.2协作通信的中继选择

2.2.1位置信息的中继选择技术

这种中继选择方案适用在无线传感器网络中，将已知自己和目的节点的物理位置信息。在通信初始发起阶段，建立了协作关系后，通过选择合适的中继节点进行通信，分享已知自己的物理位置信息。

2.2.2移动终端的中继选择技术

基于物理位置信息的中继选择方法，选中继节点通过接收到的RTS分组和CTS分组估计源节点到自身节点，需要所有中继节点之间的信息交互，等待自己的定时器耗尽而处于侦听状态。不同的中继终端的选择方式，在每个数据包的发送过程中首先进行信道估计，减低了由于进行信道估计带来的算法的复杂度，并且信道容量随着放大因子的增加而增加。

2.2.3无人机组和基站数据仿真

仿真程序采用模块化设计并使用C++语言实现，使用标准的A-star寻路算法进行导航，整个无人机组把数据同步传输给中继所花时间减少为184s。中继无人机传输数据到基站并与其完成数据交换，随着查找覆盖范围的增大，中继无人机组数据采集效率增长更快，并超过了全部采用搜救无人机组成的系统。

3、无人机中继通信的发展前景

无人机中继通信作为无人机的重要技术之一，在未来将有以下三方面的发展特点。多中继通信，实现战场网络化、模式通用，增强战场兼容性、传输可靠，提高战场安全性。中继可以更及时地与基站交换数据，从而提高整个信息交换系统的效率，以满足不同接入设备所要求的吞吐量和整个系统的性能。在通信网覆盖的边缘区域信号不稳定或者出现突然中断的情况下，提出的优化算法可以提高数据传输的效率和减少无人机组用于通信的时间。

结论

本文主要研究以中继无人机为载体，分析其通信中继基站的通信性能。无人机完成通信中继任务过程中的搜索路径规划和通信性能优化问题，地面计算机控制中心集成了数据传输设备和图像接收设备。本文系统阐述了无人机中继通信中的关键技术，改变无人机路径选择来提高通信网络性能，进而解决通信网络失真及滞后等问题。最后，展望了无人机中继通信技术的发展趋势。

参考文献

[1]吴飞龙，林韩，汤明文，郑小莉.多种中继方式在大型无人机输电线路巡检中的应用[J].中国电力.2015（02）.

[2]徐晓晗，唐小贝，赵健.基于全球星实现无人机远程通信[J].现代电子技术.2015（09）.

[3]王德.美国无人机路线图中无人机通信技术与通用性的标准[J].飞航导弹.2016（07）.

[4]王顶，王永生，孙榕.无人机通信网络的研究[J].无线通信技术.2016（01）.

作者简介：

1.应志江，1968.7，汉，浙江，本科，工程师，研究方向：经济管理；

2.杨先进，1982.5，汉，浙江，本科，高级工程师，研究方向：输电线路；

3.余向森，1980.10，汉，浙江，本科，工程师，研究方向：输电线路；

4.黄中华，1983.10，汉，浙江，本科，高级工程师，研究方向：输电线路；

5.高昱峰，1982.10，汉，浙江，本科，工程师，研究方向：电气工程及自动化；

6.徐塑，1986.7，汉，浙江，本科，工程师，研究方向：电气工程及自动化；

7.刘承林，1956.5，汉，江苏，本科，高级工程师，研究方向：电气工程及自动化；

8.刘雅彬，1981.8，汉，江苏，本科，工程师，研究方向：电子技术。