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摘要：随着人们的生活水平日益提高，网络通信在人类生活中所占的比例越来越大。物联网是一个庞大的词汇，并且随着实际生活的需求，在概念上也发生着改变，并根据其工作环境需要，也出现了很多变种。本文就无人机的物联网无线通信的潜力与方法展开探讨。
关键词：无人机;物联网;无线通信
引言
无人机空地通信是我国推进天地一体化信息网络重大工程的重要组成部分，拥有广阔的应用前景，同时也面临着重要的技术挑战。针对未来移动通信业务量的指数级增长及多样化需求所带来的挑战，充分挖掘无人机通信系统的优势和潜力，对国家开发利用邻近空间资源具有重要的战略意义，可促进国民经济快速发展，并带动我国新兴产业发展。历史上，无人机主要应用于军事领域，部署于敌方区域，进行情报侦察等以减少士兵伤亡。近年来，随着设备的小型化、制造成本的不断降低和性能的持续提升，小型无人机在民用和商用领域应用增长迅速，实体场景包括实时监测、无线覆盖、远程感知、物流、应急搜救、通信中继、精准农业、安全监管以及民用设施检查等。
1物联网概念
“物联网”概念在1999年美国麻省理工学院首次被提出，随着物联网技术的不断发展，物联网的概念也随之更新，当前主要是指信息和物理设备的融合，把物体和事件通过信息表达，在物与物之间实现信息交互，实现物体的识别、实时定位与管理。从功能的角度分析，物联网是一个具有感知、互联、计算和控制能力的信息系统。从功能角度抽取的物联网体系结构一般包含物联网从感知、传输、处理和执行等部件。
2物联网的特有业务模型
当前，物联网业务的开展形式具体包含多种服务类别，分别有描述、数据包的频次与规模、配备范围与移动水平、终端密度信息等，物联网的数据模型一般是小规模的，频次高的种类，这种类型的业务大多是在线的，与QQ聊天软件有很多相似之处，可以消耗大量的网络资源，影响网络的效率。现实生活中最主流的数据服务模型可以保证这些数据的来源是真实有效的。会话频率的含义是服务在一天内触发的会话数，会话大小的含义是服务中数据分组的数据量。配置范围表示配置服务时的覆盖场景。移动性表示服务是否可以移动。通过对数据包的分析，可以看出物联网是非常小的数据包和高频数据服务。如今，物联网技术的进程仍然存在很多波折，因为当今的物联网正向着更小型的包、更高的信息频次与数量更多的网络事件发展，这种发展趋势必定会让互联网的负荷增重。传统优化方法的使用效果不佳，造成严重的信号风暴问题，假如该问题得不到妥当解决，必定会变成妨碍信息技术有效提升的关键因素。
3物联网无线通信技术应用探讨
（一）无线通信技术在车联网当中的应用。当前，车联网技术还处于初步发展阶段，其功能并不完备，仍然需要技术革新才能满足车辆的管理需要，提高交通安全。在所使用的无线技术中主要包括：DSRC专用短程通信技术，利用该技术可以对车辆的进行识别;全球卫星定位技术，也就是众所周知的GPS技术，能够获得车辆的实时位置信息;无线传输技术，车辆利用该技术和外界共享自身的数据，实现和外部的通信;数字广播，该技术主要用于发布实时的交通信息，帮助车主做出正确的形成方向选择。（二）农业物联网的应用现状（1）检测环境信息。当前农业当中已经大量使用了各种传感器在大棚和养殖池当中，通过传感器来获取当前的温度、湿度、pH值、二氧化碳浓度等情况，利用通信技术将数据发送至农业生产的管理中心，管理中心在处理数据后做出反应，根据参数的变化，及时对当前的情况进行调控，比如改变温度、灌溉等等。依靠农业物联网，即时地对植物的生长环境进行调整，让农作物始终处在最为合适的生长环境当中，保证农业的产量。（2）远程调度和指挥。当前，很多大兴农场都是用到了远程视频监控系统，对农场的情况进行实时监控，如果发生巨大的灾害时，首先可以具有很快的反应速度，同时，专家和技术人员也能够在远程对农场进行指挥，做出正确的决策，以最快的速度减少损失。（3）监管农产品的质量。在监管农产品的质量时，会使用到条码技术和电子标签等，并使用到传感器网络和移动网络，对一个农产品的质量进行监控和跟踪，并且能够迅速发现农产品的产地。比如，在监管某个农产品时，可以利用IC监控，对农产品的产地环境、声场过程、市场准入等信息进行收集，监管不能可以充分利用这些信息对农产品进行同步监管。
4基于无人机的物联网无线通信
（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。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。（2）无人机物联网数据分发/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/收集如图1所示，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。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。
结语
物联网是一个多样化的网络，方案的设计要综合考虑带宽、覆盖范围、网络容量、可靠性、电池寿命、成本、交互频率和扩展性等因素，才能最终形成设计方案。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。
參考文献：
[1] 陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法比较研究[J].计算机学报，2016（1）：171.
[2] 许杰.物联网无线通信技术应用探讨[J].无线互联科技，2018，12（14）：19-20.
[3] 张孝林，张翰博.LTE技术与物联网技术融合分析[J].移动通信，2015（07）.
[4] 彭丽，张纯波.LTE与物联网融合技术研究分析[J].物联网技术，2015（02）.
（作者单位：中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司）
关键词：无人机;物联网;无线通信
引言
无人机空地通信是我国推进天地一体化信息网络重大工程的重要组成部分，拥有广阔的应用前景，同时也面临着重要的技术挑战。针对未来移动通信业务量的指数级增长及多样化需求所带来的挑战，充分挖掘无人机通信系统的优势和潜力，对国家开发利用邻近空间资源具有重要的战略意义，可促进国民经济快速发展，并带动我国新兴产业发展。历史上，无人机主要应用于军事领域，部署于敌方区域，进行情报侦察等以减少士兵伤亡。近年来，随着设备的小型化、制造成本的不断降低和性能的持续提升，小型无人机在民用和商用领域应用增长迅速，实体场景包括实时监测、无线覆盖、远程感知、物流、应急搜救、通信中继、精准农业、安全监管以及民用设施检查等。
1物联网概念
“物联网”概念在1999年美国麻省理工学院首次被提出，随着物联网技术的不断发展，物联网的概念也随之更新，当前主要是指信息和物理设备的融合，把物体和事件通过信息表达，在物与物之间实现信息交互，实现物体的识别、实时定位与管理。从功能的角度分析，物联网是一个具有感知、互联、计算和控制能力的信息系统。从功能角度抽取的物联网体系结构一般包含物联网从感知、传输、处理和执行等部件。
2物联网的特有业务模型
当前，物联网业务的开展形式具体包含多种服务类别，分别有描述、数据包的频次与规模、配备范围与移动水平、终端密度信息等，物联网的数据模型一般是小规模的，频次高的种类，这种类型的业务大多是在线的，与QQ聊天软件有很多相似之处，可以消耗大量的网络资源，影响网络的效率。现实生活中最主流的数据服务模型可以保证这些数据的来源是真实有效的。会话频率的含义是服务在一天内触发的会话数，会话大小的含义是服务中数据分组的数据量。配置范围表示配置服务时的覆盖场景。移动性表示服务是否可以移动。通过对数据包的分析，可以看出物联网是非常小的数据包和高频数据服务。如今，物联网技术的进程仍然存在很多波折，因为当今的物联网正向着更小型的包、更高的信息频次与数量更多的网络事件发展，这种发展趋势必定会让互联网的负荷增重。传统优化方法的使用效果不佳，造成严重的信号风暴问题，假如该问题得不到妥当解决，必定会变成妨碍信息技术有效提升的关键因素。
3物联网无线通信技术应用探讨
（一）无线通信技术在车联网当中的应用。当前，车联网技术还处于初步发展阶段，其功能并不完备，仍然需要技术革新才能满足车辆的管理需要，提高交通安全。在所使用的无线技术中主要包括：DSRC专用短程通信技术，利用该技术可以对车辆的进行识别;全球卫星定位技术，也就是众所周知的GPS技术，能够获得车辆的实时位置信息;无线传输技术，车辆利用该技术和外界共享自身的数据，实现和外部的通信;数字广播，该技术主要用于发布实时的交通信息，帮助车主做出正确的形成方向选择。（二）农业物联网的应用现状（1）检测环境信息。当前农业当中已经大量使用了各种传感器在大棚和养殖池当中，通过传感器来获取当前的温度、湿度、pH值、二氧化碳浓度等情况，利用通信技术将数据发送至农业生产的管理中心，管理中心在处理数据后做出反应，根据参数的变化，及时对当前的情况进行调控，比如改变温度、灌溉等等。依靠农业物联网，即时地对植物的生长环境进行调整，让农作物始终处在最为合适的生长环境当中，保证农业的产量。（2）远程调度和指挥。当前，很多大兴农场都是用到了远程视频监控系统，对农场的情况进行实时监控，如果发生巨大的灾害时，首先可以具有很快的反应速度，同时，专家和技术人员也能够在远程对农场进行指挥，做出正确的决策，以最快的速度减少损失。（3）监管农产品的质量。在监管农产品的质量时，会使用到条码技术和电子标签等，并使用到传感器网络和移动网络，对一个农产品的质量进行监控和跟踪，并且能够迅速发现农产品的产地。比如，在监管某个农产品时，可以利用IC监控，对农产品的产地环境、声场过程、市场准入等信息进行收集，监管不能可以充分利用这些信息对农产品进行同步监管。
4基于无人机的物联网无线通信
（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。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。（2）无人机物联网数据分发/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/收集如图1所示，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。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。
结语
物联网是一个多样化的网络，方案的设计要综合考虑带宽、覆盖范围、网络容量、可靠性、电池寿命、成本、交互频率和扩展性等因素，才能最终形成设计方案。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。
參考文献：
[1] 陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法比较研究[J].计算机学报，2016（1）：171.
[2] 许杰.物联网无线通信技术应用探讨[J].无线互联科技，2018，12（14）：19-20.
[3] 张孝林，张翰博.LTE技术与物联网技术融合分析[J].移动通信，2015（07）.
[4] 彭丽，张纯波.LTE与物联网融合技术研究分析[J].物联网技术，2015（02）.
（作者单位：中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司）