浅谈无人机集群组网通信技术

2019年第7期信息通信2019
(总第199期)INFORMATION&COMMUNICATIONS(Sum.No199)
浅谈无人机集群组网通信技术
吴超宇'，王明珠张旭东S尹航'
(1移动通信国家工程研究中心，广东广州510310；2北京航空工程技术研究中心,北京,100076)摘要：无人机集群通信技术是无人机集群组网的关键技术之一。

本文首先介绍无人机技术发展是从军事需求逐步应用到各行各业。

随着对无人机作业自主性、智能化、多任务等方面要求的提高，无人机从单机作业发展到机群组网，组网通信也遇到了数据传输量剧增、静态的频谱分配效率不高、机群系统性能下降等问题。

根据无人机集群作业需求，提出星型组网、网状自组网和分层混合组网等通信组网模式，并根据无人机集群组网的特点提出认知无人机通信技术、大规模高动态无人机组网路由技术、物理层安全传输技术、能量有效通信技术等关键技术，对无人机集群通信的频谱资源分配、供能受限、物理层通信安全等关键问题给出了可行的解决方法，并对无人机集群通信未来发展趋势做了介绍。

关键词:组网模式;认知通信;能量有效;发展趋势
中图分类号:TN924+.2 文献标识码:A文章编号：1673-1131(2019)07-0128-03
0引言
无人机技术的发展是以军事应用为主要驱动力，最初是作为靶机进行军事训练和试验验证使用，随着无人机技术的发展，逐步应用于情报侦察、通信中继、目标搜索与跟踪和对地攻击等各种作战任务中，并发挥重大作用叫民用无人机得益于军事应用技术发展，广泛应用于抗震救灾、岛礁测绘、极地科考、精准农田管理叭快递物流、城市规划与市政管理等,在国民生产生活中发挥越来越重要的作用。

1无人机集群国内外发展情况
无人机最初主要作为靶机应用，随着无人机应用对自主性、智能化、多任务等方面的要求越来越高，无人机单机作业效能和智能水平已逐渐无法满足任务应用需求叫单机飞行,有限的能量供给限制了飞行距离、作业范围，同时容易遭受各种网络攻击，通信可靠性不高。

在此背景下，将多架无人机组成无人机集群通信网络可有效提高无人机通信的可靠性，是未来无人机通信的发展方向。

无人机集群主要是依赖于先进开放的通信网络5,无人机之间具备协同交互能力，整个系统呈现群体智能性，单节点具备可替代性叫采用无人机集群技术，可以快速有效的完成任务，同时整个系统具备较强的抗毁性、功能分布化等优势。

尽管无人机集群组网通信具有很大的发展潜力，但也存在着一些关键的具有挑战性的问题。

无人机集群组网通信有效解决传统的蜂窝无线网络覆盖不足的问题，但是组网模式需要根据具体环境和作业条件进行选择；无人机集群组网通信作业时，数据传输量剧增，静态的频谱分配效率不高，导致机群系统性能下降;在为了保证通信安全的条件下，一味增加发射功率可获得一定的通信可靠性，但是窃听者也会获得高质量的窃听信号，会降低通信的安全性；此外，机型多样化小型化的趋势下，本身能量受限的无人机将会受到更严峻的供能续航的挑战，对多样化任务长时间作业产生重要影响。

以上存在的组网、频谱分配、通信安全及能量供给等，都是值得深入研究的问题。

2无人机集群组网通信技术
无人机集群组网通信是实现无人机集群间实时信息传输的通信手段，特殊的应用环境要求通信网络必须保证稳定可
靠的信息交互，减少通信的延迟，保证信息交互的实时性［6］。

无人机集群在执行任务时，单机节点受到破坏，退出机群，使得无人机集群自组网网络架构和拓扑发生变化，无人机集群自组网在满足机群间正常通信需求的同时，还要完成无人机集群网络的动态重构。

在某些关键操作上，无人机集群通信网络还必须保证地面操作员能够对无人机任务进行授权和确认。

2.1无人机集群通信需求分析
无人机集群在执行任务时，需要满足无人机实时跟踪定位、遥控遥测、实时任务规划与协调和任务信息传输等功能,所有这些功能都需要稳定、可靠的通信网络。

(1)实时跟踪定位:对无人机实时连续的位置测量。

(2)遥控遥测:对无人机飞行状态和设备状态参数的控制及测量。

(3)实时任务规划与协调:无人机需要根据任务规划和变动，实时进行任务规划信息传输,以及进行无人机间实时任务协同通信。

(4)任务信息传输:无人机任务载荷传感器信息的传输。

2.2无人机集群通信组网模式
无人机的通信方案，由单机控制的点对点地空通信方案,发展到一站多机的点对多点的地空通信组网方案，再到满足无人机集群节点间各种任务信息协同协调自组网宽带通信组网方案。

无人机集群组网通信主要有以下三种组网模式。

(1)星型组网
星型组网是以地面中心站为中心基站，空中无人机通信终端为节点，所有节点直接链接到地面中心站，实现地面中心站与所有网络节点间直通；无人机间以地面站为中心进行交互通信。

当无人机集群组网节点数目相对较少、无人机执行任务作业的覆盖区域较小，且无人机任务作业相对简单时，星型组网模式比较合适。

星型网络结构比较稳定，釆用较简单的路由算法，且规模较小，信息传输的时延小，能够节省网络信道资源，降低能源消耗。

(2)网状自组网
无人机集群网状自组网以地面控制站和空中无人机节点组成，所有节点设备功能相同，都具备终端节点和路由功能。

空中无人机节点不能一跳连接到地面中心站时，通过多跳路由到中心站，实现全网所有节点的互联互通。

当作战任务较为复杂，无人机集群规模比较大,网络拓扑多变，任务复杂，机间协调通信频繁、作业半径大，自主协同完成任务为主时，适合釆用网状自组网。

由于无人机集群网络较复杂，节点间相互通信较为频繁,路由时延要求很小,在远距离节点间进行通
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信息通信吴超宇等:浅谈无人机集群组网通信技术
信时采用按需路由技术，能有效降低路由维护开销，提高网络鲁棒性。

(3)分层混合组网
分层组网采用地面站为星型网络中心站，无人机机载通信终端具备与地面中心站直通和无人机间自组网功能。

当无人机集群作业任务非常复杂时，执行任务的无人机数量庞大,网络拓扑多变，无人机节点之间通信频繁、信息量大,此时比较适合釆用分层网络结构。

当执行作业任务的无人机数量发生变化时，分层结构的网络拓扑结构快速完成无人机节点的退出或增加，快速实现网络重构,无人机节点维护的路由表相对简单，提高网络的稳定性。

3无人机集群通信组网关键技术
(1)认知无人机通信技术
无人机集群组网作业时，高速的移动性和任务实时的变化，无人机集群内部和外部之间通信链路和质量会发生剧烈变化,需要解决隐藏、暴露终端和协调多节点有限频谱共享的问题。

认知无线电就是频谱共享的关键技术之一，无人机集群可自我学习周围无线电环境，感知并利用周围空闲的频谱资源,节点间认知信息的共享可以有效解决隐藏、暴露终端的问题。

同时，认知无线电本身具有可重构性的功能，在组网环境发生变化的条件下，可进行系统重构,动态的频谱共享为功率受限的无人机集群网络提供更高的系统容量，更宽的覆盖范围。

(2)大规模高动态无人机组网路由技术
在大规模无人机集群应用中，由于无人机节点的高速移动造成了网络拓扑高动态变化、链路质量频繁波动，这都对组网路由技术提出了更高的要求和挑战叫传统针对固定和机动通信网络设计的组网路由技术难以满足大规模、高动态无人机组网需求，在组网路由的设计方面需要克服网络节点多、移动速度快、多跳远距离传输等造成的不利影响，能适应拓扑剧烈变化、链路寿命短暂等问题叫建立具有快速组网、抗摧毁、自愈合、安全可靠等特点的路由机制，这对有效支撑无人机多样化任务起到了关键作用。

⑶物理层安全传般术
无线信道的开放性及衰落特性,容易受到不利的影响，无人机通信安全受到威胁。

目前用于改善物理层安全的常见方法主要包括多输入多输出技术、人工噪声技术及中继协同技术叫这些方法比较成熟,可以有效运用到无人机集群组网通信中去°
(4)能量有效通信技术
无人机的能量主要供给是依靠自身携带的电池，尽管在过去一段时间内电池技术有了明显的增长，但无法解决能量受限的问题。

为此，采用能量有效通信技术提高能量使用效率,其主要包括两种方法:优化功率分配及能量采集技术。

在系统硬件组成大部分采用轻量化、低功耗设计的条件下，在无人机间节点间选择最佳的数据传输轨迹进行合理地功率分配,文献给出了在节点设备功率一定和高信噪比情况下皿,通过协调源节点和中继路由节点的发射功率，使得系统性能提升的方案。

另外能量采集可以缓解无人机能量供给紧张的问题,能量的来源可以是太阳能、风能或周围无线电信号中的能量。

4无人机集群通信网络未来发展趋势
无人机通信技术，主要是单机飞行的点对点通信已经有了多年的研究积累，但是无人机集群通信网络的研究还处于起步阶段，无人机集群通信网络将成为无人机和无线通信领域的研究热点。

本章节总结无人机集群通信技术和通信系统架构的未来发展趋势。

4.1无人痕
(1)安全化趋势
无人机集群组网规模越来越大、业务数据越来越重要，通过利用物理信道的物理特征，有望从根本上解决无人机通信过程中遭受非法攻击的问题。

⑵小型化低功耗趋势
无人机因其作业需要,会采用外形尺寸较小的机体,限制了自身携带能量，采用能量有效的通信方式可以有效缓解功耗问题，为机群续航和功能多样化提供保障。

⑶通用化和标准化趋势
无人机集群需要统一协调控制和作业载荷多样化,需要无人机具备统一的标准化接口和兼容的系统体制，降低系统复杂度，提高通用性|叭
(4)智能化趋势
无人机集群引入认知通信技术，在机群系统协同作战的能力大大增强，认知周围复杂环境能力的构建,增强了系统的自适应、及抗毁性能力。

在测控通信一体化上，通信组网能融合多种类型、多种功能的传输手段,合理分配网络资源，形成一体化、综合性的信息处理体系,实现一体化协同作业系统的目标叫
4-2无人机集群通信系卿构发展趋势
无人机集群通信系统架构发展趋势如图所示：
未来，无人机集群通信网络系统架构会形成以地面基站、空中无人机节点、卫星链路等立体宽带通信体系，兼容公共网络、无线通信专网和卫星通信网络，实现空天一体化,满足未来无人机集群组网通信需求。

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信息通信
INFORMATION & COMMUNICATIONS
2019年第7期(总第199期)
2019
(Sum. No 199)
通信电源故障分析及维护措施研究
江波
(湖北省专用通信局，湖北武汉430000)
摘要:通信电源是通信系统的心脏，电源维护部门是整个通信企业的核心部门，保证任何情况下的正常供电，有稳定的电
源输出可以保证整个通信系统安全可靠，为此，电信企业均配备了较先进的电源供电系统，安排有专业维护人员持证上 岗维护，同时确定了分工明确的组织结构，制定了详细的维护规程，划分了清晰的维护界面，执行了严格的交接班制度，
完成了细致的日常维护作业计划。

此文章只针对日常维护中容易碰见的常见故障进行分析，从而帮助维护人员更好地 完成电源设备的EJ 常维护，使得通信电源系统安全稳定地运行。

关键词:通信电源；安全可靠;故障分析
中图分类号:TM73
文献标识码:A 文章编号：1673-1131(2019)07-0130-02
1通信电源系统故障的分类及其处理原则
通信电源系统设备不能有效地为通信设备提供所需的正
常供电称为通信电源系统故障。

依据故障影响范围和时间可
分为特别重大故障，严重故障和一般故障。

1.1有下列情况之一的都属于特别重大故障
⑴核心局主要业务用不间断交流和直流供电系统均无法
有效输出时；
(2) 机房内空调发生故障，引起温升失控，导致设备不能 正常工作，造成50%以上业务系统阻断；
(3) 造成通信阻断，时间超过120分钟未修复的；(4) 造成严重火灾，人员伤亡的。

1.2有下列情况之一的都属于严葩障
⑴核心局主要业务用不间断交流或直流供电系统无法有 效输出时；
(2) 机房内空调发生故障,引起温升失控，导致设备不能正 常工作，造成20%以上业务系统阻断；
(3) 造成通信阻断，时间超过90分钟未修复的；
(4) 由于通信电源故障造成远端模块局通信阻断的，且持 续时间超过90分钟未修复的。

1.3除飆■大故障册重故障夕囲他!删R 为TS 娠
我们处理通信电源故障的总原则是“先抢通,后修复;先局
端，后远端;先重要用户,后一般用户;分故障等级进行处理”。

故障处理应遵循发现故障，确认故障，派查故障，处理故障，确 认修复故障和消障等流程,形成闭环管理，确保及时处理。

2通信电源常见故障分析
2.1高取配电引起的故障及;
高压配电柜日常维护时容易碰到缺相故障，此故障可观
察高压配电柜顶端指示灯，多数情况是由于供电局输送的高 压配电出现问题，三相电压中缺少一相或者两相导致。

由于 变压器正常是三相运行方式，缺相运行时，零序磁通不通过变
压器的铁心，而直接传到外壳上，产生涡流引起变压器发热，
此情况非常危险，必须立即联系供电部门及时上门处置。

高压维护人员必须持有高压操作证，无证者不准进行操
作。

严格遵守一人操作，一人监护的原则,实行操作唱票制度。

不准单人进行高压操作。

2.2低压配电引起的故障及注意事项
低压配电线路中最常见的故障就是线路中所接设备的负
荷超过了线路允许的安全电流值，过载引发的故障，此时断路 器会自动断开，需要维护人员仔细检查,找出造成线路过载的
原因，排除线缆老化和损坏的可能性，防止线缆的绝缘材料在
高温环境下自燃的发生。

停电检修时，应严格按照停电顺序执行：先停低压，后停 高压;先断负荷开关，后断隔离开关。

送电顺序则相反。

切断
电源后，三相线上均应接地线,并做好安全防护。

2.3高频开关电源引起的故障及注意事项
高频开关电源一般是由交流配电柜，整流柜和直流配电柜
组成。

交流配电柜的故障一般是单相或者三相空开故障引起,
也可能是设备短路导致空开跳闸保护。

整流柜由整流模块构
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作者简介:吴超宇(1978-)，男，大学本科,工程师，主要研究方 向:移动通信。

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