高钰明



无人机通信网络的容量与覆盖性能分析

高钰明

中睿通信规划设计有限公司，广东 广州 510630

无人机通信网络在相关领域体现了极大的应用优势。基于此，就无人机通信网络的容量与覆盖性能进行了分析，分别介绍了无人机通信网络的关键技术、无人机通信网络的容量与覆盖性能优化、无人机通信网络的仿真分析，以期为无人机通信网络技术水平的提升做出重要贡献。

无人机通信网络；网络容量；覆盖性能

引言

无人机通信网络具有部署方便、机动灵活、不受复杂地形限制、通信设备适用性强且信息传输质量高等优势特点，被逐渐应用于应急通信。近年来，Facebook和谷歌等公司，对无人机网络通信的发展提出了多种设想。其中，关于利用无人机增加网络覆盖与网络容量的方案，曾被多次提起。关于无人机通信网络容量与覆盖性能的研究，能够进一步明确无人机飞行高度等影响网络容量与覆盖性能的因素，对提升网络整体性能具有重要意义。

1 无人机通信网络的关键技术分析

无人机通信网络系统的构建，基本原理就是给定频带以及平台的允许尺寸、质量、消耗电力等内容之后，实现通信距离×数据速率的最大化[1]。总结无人机通信网络的研究内容，包括与带宽相关的一些内容，频率、信息数据流的灵活性与适用性，还有基于认识的适应控制能力。网络构建过程中，数据链技术是其中的关键技术。

数据链是一种较为常用的传输方式，在传感器、指控系统以及武器平台之间的战术信息传输领域的应用尤为广泛，能够充分满足作战信息的交换需求。数据链技术的原理是将现代信息技术与战术理念相结合，能够多角度满足作战单元共享以及战场态势、实时控制需要。利用数据链技术，构建无人机通信网络系统，能够充分满足系统对于标准化的消息格式、保密且抗干扰的数字信道、高效的组网协议等要求。在无人机通信网络中，数据链的传输速率与处理能力的提升，对扩大无人机的能力具有重要意义，在现代科技的推动之下，无人机通信网络中的机载处理能力逐渐超过数据链能力，将采集数据中继到地面后，能够为地面决策提供有效参考。这一过程，需要有效提高现有的频谱利用率。

另外，在数据链技术中有一种中继技术，无人机通信网络的构建与运行十分重要。当无人机超出一定范围之后，需要通过中继方式与地面指挥站进行通信。根据中继转发设备的位置差异，可将中继技术划分为地面中继与空中中继。其中，地面中继转发设备位于地面控制站与无人机之间的制高点；空中中继设备位于空中中继平台，平台与无人机之间采用定向天线连接，总结数字引导、自跟踪等方式，来保证天线波束彼此对准，相对来说成本较高。

对于空中中继来说，还可进一步划分为飞机中继和卫星中继两种方式。其中，飞机中继方式以飞机作为转发设备，可靠性较低。

卫星中继方式将通信卫星作为转发设备。在实际应用过程中，无人机上需要安装跟踪天线，机载天线与指向卫星之间通过数字引导，以自跟踪的方式，对卫星进行实时跟踪。对比飞机中继方式，卫星中继对扩大无人机通信网络容量与覆盖性能，能够起到更加显著的作用，且卫星的信道性能更加稳定，还能有效提升无人机通信网络的可靠性。

2 无人机通信网络的容量与覆盖性能优化

上文提到的数据链技术中，具体的空中中继方式对无人机通信网络的容量与覆盖性能优化能够起到推动作用。利用数据链技术，将无人机作为基站，为地面用户提供服务，类似于在异构网络当中布置微基站，不仅能够提升链路的质量与频谱效率，而且能够解决地面基站覆盖空洞问题，在减轻地面基站负载的同时，有效提高特定区域的覆盖质量，对降低网络开销与系统运行能耗也能够起到一定作用。

除此之外，无人机的飞行高度，对无人机通信网络的覆盖范围与容量，也具有重要的推动作用。升高天线高度，能够减小复杂地形对电波传播的影响作用，甚至能够实现将非视距通信，转化成视距通信，进而改善链路质量。需要注意的是，无人机的飞行高度不宜过高，否则容易导致边缘用户的信号强度过低，或与相邻基站的信号覆盖范围发生重叠，进而影响边缘用户性能。因此，在构建无人机通信网络系统时，要合理控制无人机飞行高度。

（1）容量与覆盖扩展场景

在实际设计过程中，若地面基站的覆盖能力不足，可通过增加无人机基站来达到提升网络容量与覆盖性能、增加用户速率的效果，具体扩展优化场景如图1所示。

扩展后的场景中，地面基站、无人机用户以及无人机基站位置，采用独立的二维泊松点过程确定，在相关仿真平台之上模拟扩展场景，发现采用此种定位方法，当两个泊松点距离十分近时，不能做到确切模拟真实基站分布。但是，现阶段泊松点过程确定方法已经被广泛应用在蜂窝网络的性能评估中。建模后的网络系统，性能与真实基站部署性能最为接近。

图1 无人机容量与覆盖扩展场景

在无人机通信网络构建过程中，信道的大尺度路径损耗必须重点考虑，而阴影衰落以及小尺度衰落则可以忽略不计。在空间信道模型构建过程中，路径损耗的计算公式如下：

式中：为传输信号的波长；为路径损耗因子；为基站与无人机用户之间的距离（单位：m）。在模拟过程中，用户的接收信号强度，应该是路径损耗与发射功率、天线增益的总和。若基站之间的频率完全复用，则用户受到的干扰，应为基站信号强度的总和，计算用户的SINR如下：

式中：P为用户有用信号；P为干扰信号，P则为热噪声。

利用信道质量情况中的大尺度衰落特性，灵活调整传输数据，通过调制与编码的方式，让接收机有效反馈信道质量。在实际建模过程中，距离基站更近的用户，常常会被赋予更高的调制方式与编码速率，如64 QM、3/4 Turbo码率；针对边缘用户，则为其赋予的调制方式与编码速率较低，如QPSK、1/2 Turbo码率。

基于无人机通信网络平台的特性，在无人机基站部署方案的制订过程中，保持基站派发给每个用户的发送功率不变。与此同时，调制与编码的方式，可以空间信道模型计算后的实际结果为依据，利用现有条件进行自适应改变[2]。在部署方案制订过程中，假设误码率一定，在这种条件之下，设置高阶调制要求，其中信噪比与编码速率都要得到大幅度提升，依据一般情况下，距离基站较近的用户的信道条件也就越好这一特点，需要为其赋予更高的调制方式与编码速率，如64 QM、5/6 Turbo码率；在相同条件之下，用户距离基站越远，其信道条件也就越差，必须相应降低调制方式与编码效率。目前，在无人机仿真平台中，所支持的调制方式与编码速率为15种。

（2）应急通信场景

构建无人机通信网络系统之后，如果地面基站受到自然灾害等的侵袭，无法正常工作，则能够启动无人机基站，形成如图2所示的应急通信网络，以保证用户能够正常通信。

图2 应急通信场景

在自然灾害发生之前，无人机通信网络当中，只存在地面宏基站，正常为移动用户提供相关服务；在灾害发生之后，地面基站受到严重损坏，无法正常工作。这种情况下，就需要在无人机通信网络中，布置无人机基站持续为地面用户进行服务，以保证网络正常工作。布置过程中，通信模块的参数设置，需要与无人机网络容量与覆盖扩展场景参数设置同步。

3 无人机通信网络的仿真分析

在研究无人机通信网络容量与覆盖扩展场景时，在给定的仿真区域，改变无人机的基站部署密度，或调整无人机的飞行高度，明确相关因素对网络容量与覆盖性能的影响效果。仿真模型构建时，地面基站作为TDD-LTE基站，无人机的通信方式，与地面蜂窝基站相同。最终的系统目标，是通过理想无线回传的方式，实现与核心网络的连接，并从中获取数据为用户服务。在整个无人机通信网络当中，无人机与地面LTE站之间频率相同，导致了一定程度的同频干扰现象，仿真结果中的网络容量，可通过用户平均速率来确定。仿真过程中需要的参数及配置如表1所示。

（1）覆盖扩展

经过仿真之后，在无人机差异化基站部署密度以及飞行高度之下，用户的平均速率以及无人机通信网络中覆盖盲区的用户占总数的百分比，也会发生相应的变化[3]。依据模拟仿真的试验，当无人机基站数量分别为100个、200个、300个时，在相同无人机基站数量的情况下，随着无人机飞行高度的不断升高，用户的平均速率变化呈现为先增加、后降低的变化趋势；而在相同无人机基站部署状况之下，随着无人机高度的升高，覆盖盲区用户占比则随之持续降低。

表1 仿真参数及配置 仿真参数参考取值 仿真范围40 km×40 km 系统带宽/MHz20 地面基站、用户个数/个10、4 900 地面基站发射功率/dBm46 地面基站到用户的路径损耗3.3 无人机到用户的路径损耗2.6 无人机基站发射功率/dBm35 TDD帧结构配比2∶2 载波频率/GHz2.1 天线增益/dBi5

在无人机通信网络中，随着无人机基站的数量增加，每个基站的负载相应降低，用户可使用的资源则随之增加；在无人机基站数量增加的同时，用户与服务基站的距离也被拉近，显著提升了链路性能。另外，无人机飞行高度增加，也就意味着天线高度增加，无人机基站的覆盖面积也就相应增加，由此网络容量与网络覆盖性能的扩张，能够为更多的用户提供优质服务。但要有效控制无人机高度，避免相邻基站覆盖范围重合现象，降低干扰强度，并在提升网络容量时，保证对边缘用户的服务质量。

（2）应急通信

上述无人机通信网络容量与覆盖性能优化中，提到了无人机通信网络应急通信。在仿真过程中，同样要考虑自然灾害对地面基站的严重影响效果，利用若干无人机基站构成的应急通信网络，为地面用户继续提供相关服务。在仿真建模过程中，可以改变无人机基站的数量与高度，探究最佳无人机部署方案，以保证地面用户的通信能够享受正常服务。

在模拟试验过程中，需要布置20地面个基站，采集各个基站在自然灾害发生前，相关用户的平均速率，为后期的试验对比提供参考；分别模拟15个、20个、25个无人机基站部署方案，变化参数为无人机飞行高度，最终以用户的平均速率来反映试验结果。模拟试验现象表示，随着无人机基站的部署密度增加，用户的平均速率也随之增加；当无人机基站密度相同时，随着无人机飞行高度的增加，用户的平均速率呈现为先升高后降低的趋势[4]。最终得出最优应急部署方案，即设置20个无人机基站进行部署，保证无人机的飞行高度在100～200 m之间，同时保证无人机通信网络容量与覆盖性能。

利用上述系统级仿真，能够得出在地面基站密度较低的情况下，随着无人机基站部署密度的增加，网络容量与覆盖能力相应增强；在相同的密度之下，无人机本身的飞行高度也会影响无人机通信网络的容量与覆盖性能。因此，通过无人机基站优化部署的方式，确实能够达到优化网络容量与网络覆盖性能的效果，进而为用户提供正常的通信服务。

4 结束语

综上所述，关于无人机通信网络的容量与覆盖性能的分析，有利于推动现阶段相关研究的不断深入。通过建立相关仿真模型，能够进一步明确无人机飞行高度对其网络性能的重要影响，提升无人机通信网络的应用价值，能够起到重要作用。因此，在未来的研究中，以提高无人机通信网络的容量与覆盖性能为主要目标，进而全面推动相关技术的研究深入，有效优化通信网络的更多性能，为国家应急通信等领域的发展做出更多贡献。

[1]刘重，高晓光，符小卫.基于通信与观测联合优化的多无人机协同目标跟踪控制[J/OL].控制与决策，2017（10）：1-10.

[2]张佳.基于无线通信网络的无人机监控系统设计[J].自动化与仪表，2017，32（5）：22-25.

[3]马云飞，苑乐，朱菲菲.基于认知网络的无人机通信网络系统[J].计算机工程，2016，42（7）：37-41.

[4]柴毅哲，杨任农，邬蒙，等.数据分发技术在无人机地面站系统通信网络中的应用[J].现代计算机（专业版），2015（27）：74-80.

Analysis of Capacity and Coverage Performance of UAV Communication Network

Gao Yuming

Zhongrui Communications Planning and Designing Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510630

The UAV Communication Network has shown great application advantages in the related fields. Based on this, the paper analyzes UAV communication network capacity and coverage performance, introduces the key technology of UAV, the UAV communication network communication network capacity and coverage performance, and simulation and optimization of UAV communication network analysis, in order to enhance the technical level of human-machine communication network to make an important contribution.

UAV Communication Network; network capacity; coverage performance

TN915.01

A

1009-6434（2017）11-0043-04