集群无人机通信控制方式

郭今戈，卫鸿婧

(1.北京理工大学，北京 100032; 2.中国移动通信集团山西有限公司，太原 030032)

2018年5月1日，在西安城墙的南门文化礼仪广场上举行了由1374架无人机组成飞行编队的绚丽多彩的表演，无人机编队摆出“西安城墙、丝绸之路四十周年、大雁塔”等图案，成功创下“数量最多无人机编队表演”吉尼斯世界纪录。不过，当天演出时飞机编队左侧图案出现通讯失误而造成编队“乱码”，集群无人机回收时也出现了意外失控坠落的现象。针对上述情况，系统分析无人机的控制机制便显得十分重要，主要分为两个部分：无人机的定位方式及无人机的通信控制方式。目前，无人机使用可定位到厘米级精度的RTK-GPS技术。但GPS信号频率是公开的，如有人释放相同频率的干扰信号，无人机则无法准确定位，严重情况可能触发返航机制。同时，如果无人机的通信控制模块出现故障，也会出现“乱码”等情况。

本文针对集群无人机通信控制方式进行分析，设计使用目前先进的长期演进(Long Term Evolution，LTE)和窄带物联网(Narrow Band Internet of Thing，NB-IoT)通信方式代替传统的Wi-Fi通信方式；分别从覆盖性能、接入性能方面分析承载集群无人机通信传输及控制的可行性，并探讨在小范围区域超大量无人机通信接入的场景下，使用龙伯透镜天线代替现有普通天线进行通信控制的方法[1,2]。

1 无人机通信控制技术

1)Wi-Fi技术

Wi-Fi是基于IEEE 802.11标准的无线局域网技术，通常把Wi-Fi当作IEEE 802.11标准的同义术语，具体包括802.11g/a、802.16e、802.11i、WiMAX等技术。作为802.11b发展的后继标准，802.16(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX全球微波接入互操作性)已经在2003年1月正式获得批准，其采用与802.11b不同的频段(10～66 GHz)，可以和802.11b/g/a无线接入热点互为补充，从而实现一个城域被完全覆盖的宽带无线技术的构建。

由于Wi-Fi使用公共非授权无线频谱，初期的无人机通信多采用Wi-Fi技术，但是，其通信距离短、通信接入性差、安全性低等特点，使得Wi-Fi技术不太适用于集群无人机通信控制技术。

2)NB-IoT通信技术

NB-IoT是基于LTE协议，应用于低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWA)技术的一种标准，其设计目标具有覆盖广、连接大、功耗低、成本低等特性。作为一种能够广泛应用于全球范围内物联网(IoT)市场的新兴技术，低功耗广覆盖(LPWA)的NB-IoT标准引起了巨大的关注。NB-IoT使用授权许可频段，可以基于带内、保护带或独立载波3种方式进行部署，能够与现有网络共存并可基于GSM900MHZM协议进行网络部署，在覆盖范围、功耗高低、成本高低等方面具有最佳性能，因而更适合LPWA物联网服务。

NB-IoT超强的覆盖性能使得其承载无人机进行中远距离作业时具有明显的优势，但是，其时延长、传输速率低等特点也对承载无人机通信控制产生较大的挑战。

3)LTE通信技术

基于LTE技术的通信系统可称为宽带接入和分布式网络，是一个采用全IP设计的网络结构。LTE通信系统依靠诸多关键技术来支撑其通信，包括：正交频率复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、多载波调制技术、自适应调制和编码(Adaptive Modulation and Coding，AMC)技术、MIMO和智能天线技术、软件无线电技术以及网络优化和安全性、基于IP的核心网等。LTE技术具有传输速率更快的特征：对于大范围、高速移动的用户(移动速度：250 km/h)，数据传输速率能够达到2 Mbit/s；对于中速移动的用户(移动速度：60 km/h)，数据传输速率能够达到20 Mbit/s；对于低速移动的用户(室内或步行者)，数据传输速率能够达到100 Mbit/s。

LTE通信技术承载集群无人机的优势非常明显，LTE技术在覆盖距离与大容量接入方面,都可以较好地满足集群无人机的通信控制。但是，针对小范围内并超过1 000架无人机的通信控制仍然是严峻的挑战和急需解决的问题。

2 基于NB-IoT的无人机通信控制

2.1 NB-IoT覆盖性能分析

NB-IoT物联网典型业务对网络覆盖，提出了相对GSM/LTE网络的最小耦合损耗值MCL最小增强20 dB的要求。其中，下行覆盖增强是通过加大数据的重复发送次数来实现的；上行覆盖的增强是通过增加数据重复发送次数和提高功率谱密度来实现的。上行覆盖增强主要来自于两方面：(1)在极限覆盖情况下，NB-IoT物联网可采用单子载波进行数据传输，其功率频谱密度(Power Spectral Density,PSD)能够得到较大幅度地提高。以Single-tone 模式下频率为3.75 kHz的子载波间隔为例，与GSM 180 kHz的带宽相比，其PSD能够得到约为17dB的增益(不考虑上行2R的情况下)；(2)通过增加上行信道中的最大重传次数从而获得覆盖增强。因此，尽管NB-IoT终端的上行发射功率(23 dBm)较GSM(33 dBm)模式低10 dB，但是由于其最大重复次数的增加及传输带宽的变窄，能够使其上行工作在164 dB的最大路损下[3-4]。

重复技术的本质是在时域上将待发送数据连续多次重传，降低了单位时间内平均的有效信息量，本质上是降低了码率，相当于以更低的MCS进行数据发送，对于覆盖提升存在编码增益、降低接收端的解调门限要求。以一个长度80 ms的256 bit的码块传输为例，不重复发送时，通过BPSK调制的解调门限约为-1 dB，含CRC的编码速率为3.2 kbit/s；重复4次发送时，可以通过将编码速率降低为0.8 bit/s而使解调门限降低为-7 dB，此时重复4次的增益为6 dB。如图1所示，随着重复次数的增加，获得的收益趋缓，但会增大终端功耗，频谱效率下降越严重，速率下降程度与重复次数呈反比。

图1 不同重复次数下的频谱效率及增益

重复次数与覆盖等级有关，不同覆盖等级下设置不同的重复参数，因此分析RSRP同上传、下载速率时，首先要考虑覆盖等级以及不同重复次数的设置。在不同的覆盖等级下，相同重复次数随着覆盖等级差异、速率呈下降趋势；在同一覆盖等级下，下载速率随着重复次数的增加而逐渐下降。

设置覆盖等级为：RSRP1=-110 dBm，RSRP2=-120 dBm，对应3个覆盖等级下；重复次数配置为：NB-IoT下行物理共享信道重复次数分别为1、4、32。通过测试，得到RSRP、SINR、KPI三个变量的测试数据。对测试数据进行回归分析，考虑到RSRP对KPI影响与覆盖等级设置直接关联。

RRC建立成功率：利用测试数据计算RSRP、SINR的偏相关系数，分析发现 RSRP>-120 dBm 后，SINR为主要相关变量，分析SINR对RRC建立成功率影响程度，如图2所示，得到当SINR<-2.51 dB时，RRC建立成功率降低至99%以下；SINR<-3.06时RRC成功率降低至90%以下。

图2 RRC建立成功率对应RSRP、SINR

2.2 NB-IoT容量性能分析

NB-IoT首先影响小区容量的物理随机接入信道NPRACH信道。

2.2.1NPRACH信道结构

NPRACH子载波间隔为3.75 kHz，占用1个子载波，有Preamble format 0和format 1两种格式，即266.7 μs与66.7 μs两种CP长度，分别对应不同的小区半径。1个NPRACH信道由4个Symbol Group组成，每个Symbol Group包括1个CP和5个符号，如图3所示。

图3 NPRACH信道结构

NB-IoT中的Preamble不需要Zadoff-Chu序列来生成，而是由4个符号组成，并且每个符号组中含有5个符号，且5个符号上发送的信号相同。每个符号组采用跳频方式传输，即组成一个preamble的4个符号组在不同的子载波上传输，并且，跳频会被限制在一个连续的12个子载波的集合内。这种跳频算法设计优点在于只要给UE分配不同的起始子载波，就会带来不重叠的跳频样式。因此，分配给NPRACH资源的子载波数，就是能够使用的preamble数。每个子载波位置就对应一个preamble。PRACH信道容量取决于preamble数量多少，而preamble数量又受限于分配的子载波数。因此NPRACH主要受参数nprach-NumSubcarriers影响，该参数表示NPRACH信道的频域子载波数，但是分配给preamble的频域资源不能超过频域的最大子载波数，即nprach-NumSubcarriers≤48。

NPRACH周期(nprach-Periodicity)的长短，在每周期内NPRACH信道可用的频域资源固定时，周期越短，单位时间内的NPRACH信道数越多，即preamble的数量越多，NPRACH容量也就越大。NPRACH周期可以配置为{ms40，ms80，ms160，ms240，ms320，ms640，ms1280，ms2560}，NPRACH信道重复次数可以是{1，2，4，8，16，32，64，128}，重复次数决定了NPRACH信道占用的开销。

2.2.2NPRACH信道容量分析

(1)

即用户A不和其他用户发生碰撞的概率为：

(2)

在T时间间隔内，随机接入的用户总数N可以表示为：

(3)

N≈-48ln(1-0.1)=5.05个

当NPRACH资源的周期为640 ms时，则每秒钟能够接入的用户个数为:

不同NPRACH周期下具有不同负载的碰撞概率曲线，如果目标碰撞概率设为低于10%，则NPRACH周期为320 ms时可以支持15.8次/s的随机接入，NPRACH周期为640 ms时可以支持7.9次/s的随机接入。

综上所述，NB-IoT的小区容量与用户的业务模型和用户所处的覆盖等级以及不同覆盖等级时各物理信道的相关参数配置有关。当NB-IoT容量受限于NPRACH信道时，可以缩短NPRACH信道的周期来增大NPRACH的容量，最大可缩短到40 ms，NPRACH信道容量最大为126个用户/s。从计算结果来看，使用NB-IoT通信技术承载集群无人机是明显不适用的。

3 基于LTE的无人机通信控制

3.1 接入能力分析

LTE系统使用物理随机接入信道(Physical Random Access Channel，PRACH)作为终端与网络建立连接前的上行信道。随机接入是指在UE获得下行同步的基础上，请求与网络通信之前的一个接入过程。在大型体育赛事、演唱会、高校等超密集网络场景中，短时间内大量用户发起通信和数据业务，情况严重时将导致无线接通率发生急剧下降，用户能明显感受到无线接通率的显著降低。为了专门处理突发的大容量业务的冲击，LTE网络设计了大容量能力CAPS(Call Attempt Per Second)应对。CAPS能力大小能够直接衡量基站处理并发信令的接纳能力。一般说来，终端访问网络包含两个连续的流程：先是接入网络，然后是分配资源。前者是随机接入流程，后者是控制信道及业务信道分配流程。随机接入流程是用户终端与数据网络之间建立无线链路所必须经过的过程，只有在完全的建立随机接入流程后，通信基站和用户终端才能进行正常的数据传输和接收过程，并且经过随机接入流程，UE可以实现与eNB之间进行上行同步并申请上行资源。

目前LTE网络承载用户体量较大，结合用户对不同业务类型的需求，LTE网络在承载用户量计算时，不能简单使用极限容量进行推导。某运营商给出的LTE用户数与流量的趋势见图4。每小区承载的LTE用户平均在40个左右，承载数量较大的约120个左右。参考集群无人机规模，如果无人机数量超过1000个，那LTE承载将受限，需考虑采用多频点其他增强型通信接入方式解决。

图4 LTE承载用户数与流量

3.2 增强型通信接入方式

R.K.龙伯(R.K.Luneberg)于1944年提出的龙伯透镜天线是一种将点源或线源的球面电磁或柱面电磁波通过介质透镜转换为平面波，从而能够获得扇形、笔形或者其他形状波束的天线。天线的工作原理近似于透镜聚焦，利用多层介质球体的折射特性，将单个天线单元的低增益宽波束汇集成高增益窄波束[5]，原理示意图如图5。

图5 龙伯透镜天线工作原理示意图

如将多个天线单元放在龙伯透镜后的不同部位，则会沿着透镜前方形成不同角度的高增益窄波束，每个波束都具有独立自主的信息通道，单一口径能够覆盖区域内的多点。应该使用这种多波束天线，可从空间复用和扇区分裂的角度实现扩容[6]。天线方向图见图6，水平方向为4个波束，垂直方向上有近、远2个波束。

图6 放置多个天线馈源的龙伯透镜天线方向图

从工作频率看，龙伯透镜圆柱天线支持LTE频段的D频段和F频段，虽然多波束天线的波束宽度较小，但相邻波束间仍然会存在重叠覆盖区域，如果完全同频配置，则重叠区域可能出现干扰，因此建议载波配置时，频率尽量错开。以4波束天线为例，4个波束按照D频段和F频段错开配置，如图7所示。这样c单天线120度方向内最大配置12个LTE小区，远高于传统组网方式，可满足单天线2400人激活态业务需求(按LTE单小区200用户激活态计算)。

图7 传统天线覆盖范围下龙伯透镜天线配备频点

综上所述，通过计算，传统天线的覆盖范围分别由龙伯透镜天线承载的4个波束替代，体现出窄波束覆盖的效果，这是空间复用、扇区分裂进而提升系统容量的基础。其承载的用户数可达到2 400个，基本满足小范围集群无人机的通信控制。

4 结论

1)由于集群无人机数量庞大，在通信传输与控制方面有严格的要求，目前应用与单个无人机系统的传统通信方式不足以应对集群无人机通信。

2)龙伯透镜天线实现了单天线120°方向内最大配置12个LTE小区，远高于传统组网方式，相比于应用在宏站，在应急车上应用更为便捷、成熟，设备改动也较小。

3)龙伯透镜波束天线应具备的窄波束覆盖、空间复用、扇区分裂等特点，对于大容量场景的保障具有非常明显的效果，但在覆盖能力和抑制相邻波束间的干扰等方面，还存在不足，还需要寻找合适的保障场景，进行更多的实践。