无人机携能传输研究动态*

曾永玲，黄 斐，杨 梅，吴允桢，张传硕

（陆军工程大学 通信工程学院，江苏 南京 210007）

0 引 言

随着无线信号传输信息和能量的研究进一步深入，携能通信将成为无线通信系统的发展趋势。受当前的硬件条件限制，无线携能通信端到端传输效率低。同时，这也限制了携能通信的发展。利用无人机的机动性可以在很大程度上解决携能通信端到端传输效率问题。并且在未来战场上利用无人机解决通信装备蓄电有限的问题也未尝不可。因此，无人机在无线通信系统中的应用引起了广泛关注。

1 概述

1.1 无人机概述

近年来，随着数字技术飞速发展，无人机的诞生进一步加速了人们征服天空的进程。无人机是一种“平台无人，系统有人”的无人驾驶器[1]，在执行枯燥、恶劣和危险任务时，相比于有人机具有更大的优势[2]。近年来，无人机的应用越来越广泛，主要体现在军事、科研和民用三大领域。在军事领域，无人机使现代战争形态发生重大变革，在军事行动中，无人机常用于执行空中侦察、监视、电子对抗、战略打击、预警等任务。但是，随着作战任务越来越复杂，无人机载荷有限，处理信息的能力较弱，遂行军事任务时也存在不少弊端。执行任务的无人机已从单一模式向多无人机协同作战转变，集群无人机在多任务、高效率上展现出更大优势[3]。在科研领域，无人机可用于大气探测、气象观测、试验新设备等。新设备的试验与测试具有太多的不确定性，利用无人机进行测试，相对地降低人的危险系数。利用无人机进行大气探测，显著地加强了我国在高原、沙漠、海洋等人迹罕至的地方的大气探测能力，给我国气候研究和天气预报带来了突破性的进展。在民用领域，无人机更是催生了新的产业链。在服务业，利用无人机进行物流配送和送外卖等，大大节约了人力资源；在农业上，无人机用于播种、喷洒农药、农作物监测等，为农业生产开辟了新高度；在其他的一些领域，无人机还可用于环境检测、航拍测绘等。总而言之，无人机的出现不但改变了现代战争的战争形态，也改变了人们的生活方式及工作模式，对当代人有着极其深远的影响。

图1 无人机分类

无人机可按飞行方式、用途、航程、体积高度等多个角度进行分类。图1按无人机的飞行方式、用途和航程进行了简要分类。无人机按飞行方式可分为旋翼无人机和固定翼无人机。旋翼无人机的操控性强，可垂直起降和空中悬停，一般用于执行低空低速任务，譬如航拍、喷洒农药等。常见的旋翼无人机有Lutronix公司的Kollibri。固定翼无人机续航能力强，载重能力强，常用于对无人机性能要求高的军事领域，譬如空中侦察、战略打击等。常见的固定翼无人机有Aero Vironment公司研制的“黑蜘蛛”，Sanders公司研制的微星无人机等。

无人机按用途可分为军用和民用。随着高科技武器在战场的亮相，无人机在最近几场局部战争中捷报频传，无人机在作战中的应用得到高度重视。军用无人机的高速高机动性为战场提供了极大的便利，常见的军用无人机有我国的翼龙无人机，美国的 “全球鹰”等。在民用方面，无人机可用于农业播种、喷洒农药、航拍视频等。大疆、小米、零度等都是国内著名的民用无人机生产商。

无人机的飞行能力也各不相同，无人机按航程可分为：＜50 km为近程无人机，50～200 km为短程无人机，200～800 km为中程无人机，＞800 km为远程无人机。

1.2 无线能量传输研究动态

为无线网络提供方便和永久的能源供应，无线能量传输是一种很有前途的解决方案。无线能量传输也称无线充电，通常是指电能从电源设备不需要导线连接传输到负载的过程。在实际运用中，无线能量传输可以通过各种技术实现，如感应耦合、磁谐振耦合和电磁辐射等方式。无线充电的应用从智能手表到手机，从电动汽车到无人机，无线充电的应用还有更广阔的前景。正是由于无线充电广阔的发展前景，使得无线充电行业生机盎然。我们充分调研了近年来无线能量传输的研究现状，表1是近年来国内外无线充电的部分研究动态。

表1 无线能量传输研究动态

由表1可以看出，短途的（＜1 m）电力传输一般使用近场电磁诱导（如电感耦合、电容耦合），而长距离（几公里左右）的电力传输则要使用远场电磁辐射的微波或激光远程。

1.3 携能传输简介

无线通信的研究推陈出新，由于无线电信号可以同时携带能量和信息，因此对同步无线信息与功率传输进行了统一研究。如图2所示，携能传输旨在将无线能量传输与无线信息传输相结合，实现了利用无线电信号传递能量和信息的双重用途。接收端通过某种解调方法分别解调出能量和信息，完成信息和能量的并行传输，并且还可能达到“1+1＞2”的结果。

图2 携能传输示意图

文献[11-13]分析了固定接入点的携能传输，在文献[11]中，主要是考虑了时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）两种多址方式进行信息传输。在接收端，由于从无线电信号中获取能量的电路还不能直接解码所携带的信息这一实际局限性，每个用户都使用时间开关或功率分裂来协调能量获取和信息解码过程。文献[12]研究的是一种由三个节点组成的多输入多输出无线广播系统，其中一个接收端获取能量，另一个接收端对同一发射机发出的信号进行独立的信息解码，所有的发射机和接收机都可以配置多个天线。该文献研究了两种实际设计的共定位接收机的情况下，即时间开关和功率分裂，并描述了他们的可实现的速率-能量区域与外部界限的比较。对于接收机如何进行携能传输中信息和能量的处理，文献[13]提出了动态功率分割，它将接收到的功率比可调的信号分开进行能量采集和信息解码。研究了动态功率分配的三种特殊情况，即时间开关、静态功率分裂和开关功率分裂。

无人机与携能传输的发展方兴未艾。而此时将无人机与携能传输相结合，无人机携能传输则开启了通信领域的新大门。无人机携能传输立足于灵活机动的无人机，搭载能量传送设施及通信设施，给接收设备传输信息的同时传送能量。无人机携能传输将解决许多无法进行有线充电和人为更换电池的设备的能量供给问题，在未来战场上也有着更加广阔的应用空间。无人机携能传输是通信技术和能量传输技术融合发展的产物，携能传输是无线通信系统的发展趋势，无人机携能传输是未来战场通信保障的曙光。

2 无人机携能传输研究进展

近年来，无线网络的发展如火如荼，但是传统蜂窝式基站也有其难以克服的缺点，例如边远山区的信号覆盖问题。无人机由于其高机动性和随机应变的部署灵活性，在信息技术应用领域越来越受欢迎。利用无人机在全球提供无处不在的互联网接入。有人提出利用无人机作为基站向地面用户提供无线服务[14]，与传统地面基础设施相比，无人机可以快速部署为无线用户提供服务，并且不受地理条件的限制。与此同时，无人机可以携带能源，甚至可以作为电源向无线节点充电，从而延长网络的寿命。典型的应用包括无法进行有线充电无线传感器网络和物联网。本文将无人机在无线通信系统中的应用分为信息传输、能量传送和携能通信三种，接下来将从这三个方面分别进行论述。

2.1 无人机传输无线信号

为了提高网络覆盖范围和满足日益增长的数据流量需求，无线网络的部署已经从传统的二维平面转向三维空间。无人机在空中可以灵活调整自身位置，获得更有利的信道条件。利用无人机作为移动基站传输无线信号比传统基站更具优势，采用多个无人机空中基站为地面的一组用户服务[15]，为无线信号的稳定可靠提供保障，增强用户体验。无人机在飞行过程中同时为多个地面节点提供无线信息服务[16]。利用无人机实现灵活和高效的移动数据传播，监视系统中灵活和有效的数据传播空间分散的物联网设备[17]。表2列举近年来无人机传输无线信号的部分研究内容。

表2 无人机传输无线信号研究进展

2.2 无人机传输无线能量

由于射频信号远距离传输损耗严重，实际的 无线能量传输系统大覆盖范围的性能从根本上受到端到端功率传输效率低的制约。因此，为了给分布在大区域的大规模低功耗的能量接收器提供无所不在的无线能量，需要以超密集的方式部署固定位置的能量发射器。然而，这将极大地增加成本，从而阻碍未来无线能量传输系统的大规模部署。为了缓解这一问题，文献[18]提出一种全新的无线能量传输系统架构，利用无人机作为移动能量发射器。无人机传送无线能量的研究层出不穷，利用无人机传输无线能量为一个无人机上的能量发射器向地面多个能量接收器广播发送无线能量[19]，文献[20]基于双用户场景，研究了无人机轨迹对能量区域的影响。表3对以上三个文献的研究内容进行具体描述。

表3 无人机传输无线能量研究现状

2.3 无人机携能传输

携能通信实现了能量与信息的并行传递，但是固定设施的携能通信信号衰减严重。无人机携能传输利用无人机的机动性可以 灵活调整传输距离及传输链路， 增强端到端的信息和能量传输的传输效率。图3是近年来携能传输的部分研究方向。

图3 携能传输研究历程

文献[21-23]研究的是基于无人机的携能通信，文献[22]研究了一种无人机辅助无线动力通信网系统，无人机通过在下行链路传输无线能量信号对地面终端进行充电。然后，利用从无人机采集的无线能量，地面终端向无人机发送上行无线信息信号。在文献[22]中，作者考虑了两架无人机分别作为能量接入点和信息接入点，能量传输和信息解码分别在两架不同的无人机上进行。文献[21]研究了一种无人机无线通信网，将无人机作为移动接入点定期给地面用户发送能量。无人机采用无线射频无线功率传输通过下行链路给用户充电，用户利用采集到的射频能量通过上行链路向无人机发送信息。文章考虑了在有限的无人机飞行周期内，在最大速度约束和用户能量约束下，最大限度地提高所有地面用户的上行吞吐量。文献[23]研究的是一种典型的协同通信系统，其中一架无人机作为移动中继，从起始位置飞行到结束位置。无人机具有同步无线信息和功率传输功能，初始节点给无人机同时发送能量和信息，无人机给终止点发送信息，无人机的传输能力完全由源节点通过分时机制发送的无线电信号提供动力。

3 总结与展望

无人机携能传输的研究如雨后春笋。总结而言，其可能的发展趋势有以下几种：

（1）硬件设施。硬件设施的进步表现为两个方面。第一，现有的解调电路还不能解调出信息的同时收集能量。所以硬件设施的第一个进步表现为设备从无线电信号中获取能量的电路可以直接解码所携带的信息，即接收端能够同时对同一接收信号进行信息解码和能量采集。第二，无线信号的传输是发送端的射频信号通过天线以电磁波的形式辐射出去，接收端天线将信号接收下来送到接收机。在这个过程中，接收天线接收下来的仅仅是很小的一部分功率。并且天线、传输线等硬件设施的损耗对无线信号传输有着极大的影响。所以，不论能量传送还是携能传输，天线等硬件设施的进步都亟不可待。

（2）区分上下行链路。譬如接收端通过上行链路给无人机发送信息，无人机通过下行链路给接收端发送能量。通过这种方式来节约无人机和接收端资源。这种方式可以应用于物联网、传感网等能量需求较小的节点。譬如在无线传感网络中，无人机通过下行链路给传感器提供能量，传感器通过上行链路向无人机传送收集到的信息。

（3）时间开关与功率分割综合运用。现有的研究主要是接收端应用时间开关或功率分割。所谓时间开关，是指接收端将接收到的信号要么由能量接收端处理以获取能量，要么由信息接收端处理以进行信息解码。功率分割，是指接收端通过功率分配器将接收到的信号分割成两个功率比固定的信号流，一个流到能量接收端，另一个流到信息接收端。这两种方式不同于传统的无线网络，传统的无线网络中所有的用户只包含信息接收器，使用功率分割和时间开关意味着每个用户都包含一个额外的能量接收器从接收到的信号中获取能量。在未来的无人机携能传输中，这两种方式极可能融合发展。在发射端使用TDMA或OFDMA来进行无线信号传输，接收端综合使用时间开关和功率分割来协调能量获取和信息解码过程。

综上分析，硬件设施的进步无疑是无人机携能传输甚至是无线通信系统最好的解决方案，但硬件设施的进步依赖于材料工程的发展。所以，硬件设施是目前的无人机携能传输研究中最大的突破点。在目前的硬件基础上，无人机携能传输的研究还有很大的发展空间。不论是综合使用时间开关和功率分割来协调能量获取和信息解码过程，还是通过上下行链路分别发送信息和能量，它们都有各自的应用前景，都有进一步研究的价值。