无人机在移动通信中的应用

01、无人机辅助蜂窝网络通信

随着全球蜂窝网络覆盖需求的增加,无人机结合蜂窝网络能够以低成本、高移动性的方式支持无人机通信,同时也为建立新的专用地面网络提供了可能性。在城市中流量热点密集的地区,传统蜂窝基站的覆盖范围不能满足需求时,无人机可依据其高灵活性与部署方便的特点快速对热点区域进行覆盖和业务分流,具有广阔的应用场景。

宏基站(Macro Base Station,MBS)用于提供地面区域的基本覆盖,无人机作为空中基站(Aerial Base Station,ABS),当热点区域存在多样或大量的服务需求时,帮助地面宏基站提供高速率的数据覆盖。对于因UE导致的流量密集以及过载的区域,使用无人机蜂窝基站来缓解下行流量拥塞。

对于有无人机蜂窝基站和宏基站重叠覆盖的区域,该区域用户可以基于用户优先级、信号强度信息或者与基站的距离信息选择宏基站服务或无人机机载基站部署的服务。对于ABS的部署,可以基于地面用户的时空间分布特性确定无人机的部署位置。

无人机在移动通信中的应用

02、无人机基站

无人机基站

与地面基站相比,无人机基站(ABS)对环境变化的适应能力更强,因此也可以将无人机部署在没有基础设施覆盖的区域提供紧急通信连接。在地震、海啸、山洪等自然灾害发生的时候,地面基站常常会被毁坏,灾害地区的通信基础设施损坏不能提供通信服务,这使得救援行动的开展受到较大的阻碍。

无人机基站不受灾害地区基础通信设施的限制,可以以主从无人机方式快速为灾害地区提供大范围的可靠通信,其中主无人机是固定的空中基站可以为应急通信控制中心提供可靠通信覆盖,从无人机则是以主无人机为中心用圆形轨迹飞行的空中基站,为边缘用户提供通信覆盖。

无人机可以分为固定翼和旋转翼无人机,固定翼无人机能够保持在空中的持续飞行,旋转翼无人机可以在空中悬停。因此,主无人机选择转翼无人机,悬停于灾区中心位置,从无人机选择固定翼无人机,以主无人机为中心,匀速飞行在灾区边缘,为边缘用户提供服务。

03、无人机中继

在长距离通信数据传输的场景下,由于无人机机载能力不足,载荷有限不易携带高射频天线,因此,需要多个无人机协作才能够较好的进行长距离的通信数据传输。无人机中继通信中,任务无人机和中继无人机之间的信道以及中继无人机和地面控制终端间的信道存在差异。

无人机之前的数据链路分为上行链路和下行链路。上行链路为遥控链路,即将地面控制终端的指令信息发送给无人机;下行链路为遥测链路,即将无人机上的遥测信息传递给地面控制站。例如,在受灾区的无人机基站距离地面控制站距离较远,无法实现数据的可靠传输,此时可将无人机作为中继转接设备,设置于地面控制站和无人机基站之间,将灾区的数据信息中继转发到地面控制站,实现长距离通信数据的传输。无人机作为移动中继可以根据任务部署,成本效益高,移动性好,并且比起传统的固定中继具有灵活的 3D 位置,飞行轨迹等更多的可优化维度,可以提高通信性能。

无人机中继

无人机中继通信模型

04、无人机终端

无人机终端

无人机可以作为新的空中用户,从空中接入蜂窝网络进行通信,这种方式下无人机作为通信终端。由于蜂窝网络在全球范围内的可访问性,使得地面飞行员能够远程指挥和控制无人机,其操作范围宽广,这为无人机在未来的应用开辟了新的领域。

在网络规划设计中,基站部署的选址规划人员需到现场收集基站规划数据,耗费人力及时间较多,同时还可能受各种客观因素影响而不能全面收集到基站数据,对于部分难点,站点天线挂高和方向角等数据没法根据实际情况确定 ( 受客观环境因素影响 )。通过无人机进行数据采集,解除了地域环境的限制,避免了人员登高登塔作业的危险性和失误率,全面提升了工作效率。

05、无人机在替代目前网优测试和基站巡检

无人机在替代目前网优测试和基站巡检

(1)利用无人机实现对基站天线的日常巡检

基站信号天线正常情况下有向下6°的倾斜角以保证信号的覆盖面积和强度,由于各种原因元器件的松动会造成角度的变化,拟利用无人机进行日常巡检,减少登高作业带来的危险。同时在监测的过程中,可以同步检查馈线的情况,并对各天线120°视野中的遮挡情况进行数据更新。

(2)利用无人机实现对基站管线的日常巡检

拟利用无人机定时对需巡检的管线进行监控巡逻,以取代现有的人力巡检。

(3)利用无人机对现网无线性能测试

拟采用无人机搭载网络信号测试仪器对现网的无线性能进行测试,改变以往只能在地面进行路测的局面,为网络优化提供全面的测试数据。

(4)利用无人机对现网拟建站点的预查勘和仿真测试

无人机可以通过人工控制进入查勘人员不便进入的区域或高度,可以有效提高查勘的效率。在查勘的过程中可以搭载测试仪器,在不同角度、高度进行仿真测试为最终的建设决策提供全面的数据。

(5)利用无人机对基站进行日常安全状况巡逻

基站由于日常无人值守,因此存在一定的财产隐患,可以通过无人机自动驾驶系统进行基站的安全状况巡检并进行影像资料的留存,定时、定点巡逻可以有效降低公司财产损失。

06、问题与挑战

无人机在移动通信中有着广泛的应用和诸多优点,但是还存在能耗的问题需要改进。无人机由于其体积小、载重量和能量存储有一定的限制,不能进行长时间的远程工作,因此,对于能源补给和低功耗的研究仍是主要问题

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