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面向6G的无人机通信综述.docx
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面向6G的无人机通信综述.docx
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1. 引言
2014 年 5 月,5G 白皮书提出“信息随心至,万物触手及”的愿景并预测随之而来的 5G
之花的盛放
[1]
。然而,处于 4G 中的人们还无法想象 1 Gbps 的高传输速率、毫秒级别的低
时延、平方公里百万连接的广覆盖以及 500 km/h 的高移动性将要如何实现。直至 2020 年
5G 在全国范围内成功商用,人们体验到了 5G 网络中数据传输的高带宽、低时延、广覆盖
和大连接等优势,这也极大促进了车联网
[2]
、自动驾驶
[3]
等技术的快速发展。5G 的蓬勃发
展使人类生活更为便捷与多姿多彩,但同时也使数据传输呈指数级增长。相关研究报告预
计,到 2022 年移动数据流量将会达到 2.57EB/d
[4]
,加之日渐兴起的物联网相关产业对超高
速率无线数据传输超低时延的要求,如自动驾驶、远程医疗等,目前广泛开展的 5G 相关
技术已无法满足新兴服务对现有通信性能的需求。因此,互联网业、工业界和学术界均开
展了对下一代移动互联网的研究。目前广泛认可的 6G 愿景可以用“一念天地,万物随心”
来概括
[5]
,具体可以分为智慧连接、深度连接、全息连接和泛在连接
[6]
。智慧连接是基础骨
架,以此为基础可以实现深度、全息与泛在连接。6G 愿景固然美好,但现有 5G 技术仍无
法支撑。因此,学术界与工业界又以 5G 技术为基础点,以 6G 愿景的 4 大连接为导向,对
如何实现 6G“一念”之超低延时、“天地”之深度覆盖、“万物”之泛在连接以及“随心”之智慧
互联的美好需求进行了技术探索与革新。经过前期研究,目前被广泛认可的潜在 6G 关键
技术主要有太赫兹频段的应用
[7]
、分布式超维度天线技术
[8]
、智能反射面
[9]
以及网络内生的
嵌入式智能
[10]
等。因此,6G 的商用需要在前期对目前地面基站等基础设施做出相应改变,
如天线阵列的增加、网络内层处理系统的优化配置等。
尽管基础通信设施可以基本满足日常的通信负荷,然而当出现突发情况时或在非常规
的临时场景中,仅依靠地面无线通信设施便显得力不从心,比如:重大自然灾害的网络重
建、偏远地区的临时通信部署、重大节假日聚集活动现场的无线资源分配等
[11]
。为了有效
提升这些场景中无线通信的质量,可以通过部署无人机(Unmanned Aerial Vehicles, UAVs)
来辅助通信
[12]
。无人机作为小型飞行设备,其本身具有的诸多优点可使 6G 移动通信变得
更为便捷。因此,无人机辅助通信是 6G 移动网络中不可或缺的潜在技术
[13]
。
无人机作为小型飞行器在实现 6G“空天地海”全球立体深度覆盖中的空域覆盖起到重
要作用
[14]
。基于其自身的多功能、高移动、易部署和低成本等优势,无人机可以被用作空
域辅助通信平台,如:在高密度通信用户场景下,可以部署无人机作为临时基站或者中继
来辅助无线通信,增加用户容量。此外,无人机也可以作为具有高移动性的终端用户,在
环境监测等场景中负责数据采集。具体而言,无人机辅助通信具有如下优势:
(1) 视距信道
[15]
:无人机可以悬停或盘旋在空中,因而与地面用户间的信道主要为直
射链路。由于可以通过直射链路而无需折射或散射,无人机与地面通信设备间的信道条件
质量高、衰减小。因此,通过无人机辅助,可以有效提升接收端的信噪比,进而实现高质
量通信。
(2) 高移动性
[16]
:无人机作为小型飞行器,可以通过遥控终端进行控制。由于空中并
无遮挡且其自身的位置不固定,可以实时调整部署以实现应急通信。此外,对于一些非突
发但临时的应用场景,无人机通信也可以方便快捷地部署。
(3) 低成本组网
[17]
:无人机可以灵活部署,应用于复杂多变的场景及环境。由多架无
人机组成的蜂群可以在不同的应用场景下构建稳定的通信网络,并且可以多次再部署。因
而,可以利用无人机进行低成本临时组网,以应对不同类型的需求。
在本文中,首先针对 6G 移动通信中无人机的应用场景进行深入讨论与分析;然后,
针对无人机辅助 6G 移动通信的潜在关键技术及面临的挑战进行了探究。
2. 6G 中无人机应用场景与功能
我国在 5G 中开展了卫星互联网的建设
[18]
,这也为 6G 的演进带来便捷。目前商用的
5G 移动通信致力于实现人、物和车之间的互联,并解决高信息并发的超低时延、超大用户
带宽和超广域覆盖的问题。然而,随着物联网应用的深入,5G 所提供的传输时延、覆盖范
围、传输速率以及运算能力仍无法满足未来的需求。因而,6G 移动通信将具备更低的传输
时延以保障信息传送的实时性,更广域的覆盖范围以实现“空天地海”全维度的泛在互联,
更快的传输速率以实现流畅的用户体验,并从外挂式的人工智能进化为嵌入式的内生智
能。本节首先介绍了无人机在星地融合网络架构中的部署方案,然后对无人机在 6G 移动
网络中所承担的角色进行具体论述。
2.1 星地融合网络架构中无人机的应用
6G 移动通信的根本需求不仅包括以通信功能为主的集智能、感知、安全于一体的移
动通信网络建设,还要实现以人为中心的、多种网络相互融合的空天地海无缝覆盖
[19]
。其
中,无人机可应用于空基网络,联合卫星、地面设施和海上通信用户,实现复杂场景中的
多维度覆盖、随时接入与安全连接,具体框架如图 1 所示。该网络由天基网、空基网、海
基网和地基网组成。其中,地基网主要指地面的通信设备,包括地面的互联网和无线设
备。天基网由与地面相对静止的绕地卫星组成。空基网由临时部署的无人机、飞艇等组
成,这些设备可以为地面或海面的海基用户提供中继服务,将信息转发至天基卫星。海基
网是指海上平台或在海上运行的舰艇、渔船等设备。由于远离陆地,海上平台在现有的地
面基站通信范畴内大多处于失联状态,而通过无人机的部署,便可实现海基与陆地控制中
心间的通信。
图 1 空天地海一体化网络架构
下载: 全尺寸图片 幻灯片
无人机在 6G 移动通信中主要起到空基网层面的通信功能。通过在不同场景中部署无
人机,可以实现在无线通信网络层面的拓展,由地基网的基础通信拓展至空基网,进而可
以与天基网的卫星或海基网络进行互联,实现 6G 全域覆盖、场景互联的宏观需求。在空
基网络中,无人机较于飞艇、气球等设备具有更灵活的操控性。同时,空基网中的无人机
也可以通过配置多天线阵列、智能反射面
[20]
等收发装置实现对信息传输更有效的控制。此
外,由于空地链路大概率为视距通信链路,因而收发两端的功率衰减会更小,接收端的信
噪比也更高,这将显著提升用户的传输速率。另外,由于无人机具有实时、便捷部署的优
势,可以利用无人机实现基站的临时部署,以满足在突发或临时情况下密集用户的无线通
信需求。表 1 给出了 6G 移动通信不同场景中无人机通信的关键技术以及所起到的功能。
表 1 6G 移动网络各种场景中无人机通信的关键技术及功能
参考文献
关键技术
无人机功能
无人机数目(个)
文献[21]
空天地海一体化通信
通信基站
1
文献[22]
动态频谱共享
采集传感器信息并发送至基站
多
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