无人机智能组网的应急通信技术研究

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摘要:在成立国家应急管理部后，国家越来越重视灾害事故后应急通信保障能力。为了使灾后地面通信设备被损害，从而无法对正常通信进行保证的问题得到解决，根据无人机机载基站快速创建天地一体化网络应急通信方案也备受重视。以此，本文就将5G技术作为基础，开发无人机智能组网的应急通信方案。

关键词:无人机；5G网络；智能组网；应急通信技术

1应急通信系统的架构

1.1总体结构。图1为高空平台应急通信系统结构，主要包括非系留式和系留式。非系留式应急通信系统主要包括机载基站、高空平台、核心网、大王宏站和回传终端等。在高空平台中创建回传终端和机载基站，通过机载基站广覆盖应急通信网络，回传终端能够使用户数据和信息及时在大网宏站回传。核心网能够实现会话管理、接入管理与用户数据管理和转发等功能，整体应急通信系统数据传输的流程为：用户终端和机载基站相互连接，机载基站处理数据后回传终端使处理之后数据在核心网、宏站中传输，最后通过核心网网元在互联网中转发。系留式应急通信系统利用专用电缆和电源实现不间断的数据传输和供电，基于一定荷载连续悬停在空中，远距离长时间的通信覆盖。系留式应急通信主要优势就是方便操作、机动性强、体积小等，使目前应急通信不同场景的需求得到满足。1.2高空平台。基于高空平台应急通信系统对于空中平台特性要求比较高，比如长时间续航、运输便捷、快速灵活部署、滞空稳定、载荷大等。目前无人机、氦气球、热气球等被广泛应用到高空平台中，系留式热气球的成本比较高是，升到1000m高空的时候覆盖范围为50km。但是热气球体积比较大，充放气时间比较长无法及时升高空，滞留时间比较短，对于气候条件具有较高的要求。氦气艇的滞空时间比较长，但是体积比较大，成本高。无人机主要包括专业级和民用级两种类型，其中民用无人机的载荷与体积比较小，并且飞行时间比较短，所以无法在应急保障系统高空平台中使用。专业无人机包括固定翼和旋翼两种类型，固定翼无人机的尺寸比较大，起降具有场地限制，操控比较复杂。旋翼无人机的体积比较小，并且结构简单，重量轻。并且专用电缆与电源能够为旋翼无人机提供不间断供电，实现连续不间断悬停，使地形对于天线覆盖影响得到解决。旋翼无人机具有携带方便、成本低、操作简单的特点，被广泛应用到应急通信领域。1.3机载基站系统。机载基站系统主要包括光电复合缆、基站天线、轻量化基站等。轻量化基站一般使用超短波通信基站或者4G一体化通信基站，使用4G一体化站的时候，基站包括电源模块、射频拉远单元、基带控制单元，使用轻量化设计，在应急通信现场根据无人机升高后悬停，构成基于基站的大覆盖范围4G无线专网。光电复合缆使地面应急通信车电能到高空平台机载基站系统进行传输，以此实现空地数据双向光纤传输，光电复合缆基于应急通信车控制能够释放和收起。基站天线一般使用定向天线或者全向天线将接收与发射能力提供给基站，天线水平角度一般为360°，天线增益一般为7dBi-15dBi之间，垂直角度在15°-20°之间。

2应急通信组网规划

全面考虑5G组网通信结构，对组网规划进行全面研究。在进行规划的过程中，要使网络使用期望值得到提高，使用大数据具体分析和静止细化的方式规划设计。与场景网络建设结合，使网络组网规划精准性得到提高，在传统路测中寻找网络规划问题，并且设置网络系统建设期望功能，使组网初始规划操作步骤得到完善。实现规划定位分析，精准掌握规划方案的执行进度，利用数据分析对规划预留信息进行处理。使规划操纵性能得到加强，提高规划的执行能力，降低研究空间内外信号的接收差异。对操作精准度进行保证，针对操作层面用户的需求创建区域信息数据库，并且对规划信息精准查找，得到最终定位信息。通过仿真精密系统拷贝数据，提供给无网络覆盖相应的动态测试，得到动态结果，和具体网络情况与业务需求对以下情况进行考虑：其一，精准部署低功率网络基站，使无线延时传感性能得到加强加强，要求和超高频率信号谱与大规模天线结合；其二，根据网络情境拓扑构造部署干扰区域，对干扰协同管理功能进行协调，方便组网规划。考虑部署计划，提供给网络良好多连接情况，实现组网最终规划。将收集信息作为主要目标，因为灾区环境比较恶劣，缺乏稳定电力供应，智能手机网络在时间推移过程中具有多变、不稳定、通信中断与节点消失等问题，为了对信息完整性进行保证，本文提出两种方案：其一，使用分布式存储技术。使每个5G节点作为灾情存储设备。在某节点被破坏的时候，并不会对网络存储信息总量造成影响，但是会导致存储压力，如果存储能力比较弱的时候无法将全部灾情信息都存储；其二，灾情信息简化技术。使用原本应急系统的基础为有网络，不管是文字或者图片都能够通过网络在监控中心传输，在网络异常的时候无法收发图片和文字。本文使用文字描述方式替代图片手机灾情信息，通过简单文字描述对受灾严重程度进行判断。通过以上两种技术，各网络通过一个节点就能够对全部灾情信息进行传输，对网络信息传输完整性进行保证。之后，使信息到外部应急指挥中心传输，通过无人机方法收集地区信息，并且使收集的灾情信息到应急响应中心传输。为了能够收集全部网络灾情信息，要求无人机进行地毯式搜索，并且在搜索到信号的时候传输数据，完成传输之后继续搜索，直到完成任务或者燃料即将耗尽。震后受灾群体利用手机wifi创建三个灾区内部通信网，利用信息共享实现部分互救与自救行动，但是还有部分被困人员需要外部专业救援人员救助。将已经编辑过的生活必需品、失踪与受伤的情况，在内部通信网络共享，对灾区外部发送灾情信息。因为灾区被毁坏，救援人员无法开车到此地区，在道路损毁边缘地带利用无人机收集灾情信息，对灾区内部创建无线通信网络搜集，使此网络中所存储的灾情信息在应急指挥中心传输进行分析。无人机搜索范围将无人机作为球心，半径设置为70m的球形内部。假如飞行高度垂直地面10m，此无人机映射地面搜索半径为69.3m。在对内部网络信号检测过程中，悬停在此处，并且对网络共享灾情信息进行搜索，使灾情信息在应急指挥中心传输，搜索完成后根据原计划路线进行搜寻，直到搜索全部灾区。

3结束语

无人机通信系统在无人机技术不断发展的过程中逐渐兴起，使人们对应对自然灾害能力得到提高，降低灾害导致的损失。在自然灾害，比如泥石流、地震、洪水爆发、大风沙、雪灾等，如果有线通信网络受到破坏，通过无人机通信系统迅速创建全新通信系统，从而快速和灾区联系，使救灾工作能够顺利的开展。另外，基于5G的无人机应急通信系统不仅仅能够应用到应急通信、抢险救灾中，未来还能够积极应用到其他各领域中。

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作者:罗瑶 罗进 单位:重庆信科设计有限公司