未来网络无人机连接和切换技术分析

董春利 王莉

摘要：无人机尚未广泛使用，需要时间将连接的无人机完全集成到服务的通信网络中。在将联网无人机广泛应用于移动网络之前，应解决一些潜在的与移动网络上无人机移动管理相关的一些关键研究方向。必须有效地解决这些关键研究方向，以便通过无线网络实现更高效连接的无人机服务。切换技术是在用户从一个小区移动到另一个小区而不中断服务的情况下，保持连续连接的方法。服务信号电平降低、负载平衡和高错误率，是导致切换操作形成的因素。尽管此过程经常发生，但当用户设备（UE） 是无人机时，它会带来许多挑战。文章详细分析了无人机的连接要求、无人机网络的切换管理技术。

关键词：无人机；移动管理；连接；切换

中图分类号：TN929.53 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2023）29-0088-03

0 引言

尽管无人机具有潜在的前景，但必须克服一系列实际挑战才能有效地将其应用于每个网络应用。例如，在使用无人机基站（BS） 时，要考虑的最关键方面是性能特征、无人机在最佳3D环境中的实施、无线和计算资源管理、飞行时间、轨迹优化和网络规划。处理信道建模、低时延控制、3D 定位和干扰管理也是互联无人机概念中的关键挑战。在这些挑战中，高效的移动管理是无人机BS和无人机UE场景必须解决的重要因素[1]。为了确保用户移动时顺畅可靠地连接服务，除了高效的切换过程外，还必须建立安全连接。

1 无人机的连接要求

无人机的实施面临许多挑战，其中最重要的是连通性。由于其移动性，无人机的连接比地面用户设备（UE） 的连接更复杂。例如，无人机比UE具有更高的移动性，从而导致参考信号接收功率（RSRP） 的巨大变化。连接的无人机可持续将连接链路，从一个小区切换到另一个小区。因此，无人机和服务网络之间的连接可能会很快丢失。为了解决这个问题，文献中进行的几项研究讨论了无人机通信的几个关键要求。下面分别介绍无人机通信的关键要求和6G期望。

1.1 高精度定位和无缝连接

无人机在多层次空域飞行需要精确的定位和无缝连接，这两者都是网络规划和实施所必需的。安全连接和广泛的网络覆盖确保无人机自主飞行时的无缝连接。覆盖广泛的海拔高度并保持可靠的通信是4G/5G蜂窝网络面临的重大挑战。6G集成了高精度定位的雷达技术，使用各种高科技传感器开发动态地图和天空中的3D定位，可实现无人机的高精度定位。由6G中的超密集异构网络组成的多层网络3D高密度生态系统中，可将无人机的连接数量增加到约107设备/ km2，比5G连接密度高10倍。标准化、高质量和可靠的蜂窝连接，具有广泛的6G覆盖范围，可提供超出可见视线（LoS） 的鲁棒的、经济高效且无缝的连接。高速光通信系统提供的大容量回程连接，允许传输大量无人机交通数据。

1.2 远程和实时控制（RRC）

RRC依赖于无人机的实时飞行进度报告，包括地理坐标和設备状态。RRC使遥控器能够释放实时命令和控制指令。为了允许远程控制和跟踪无人机，必须满足特定的数据速率和时延标准。使用6G，无人机可自主运行（即在超出可见LoS中自主运行）。与卫星集成的6G连接可提供无限距离的通信，并提供近乎即时的控制，时延小于1毫秒。如果无人机具有6G 连接，则可使用无人机交通管理（UTM） 系统，从世界任何地方控制它们。

1.3 多媒体传输

一些基于无人机的系统将数据切换给地面站，以节省时间。例如，实时多媒体/视频流或数据分析。先进的多媒体服务，如真正身临其境的XR、3D全息图和360度超高图像/视频质量的拍摄（4K和8K视频），最终将在未来实现。此外，AR、VR和MR服务等XR 体验需要在更高的Gbps 级别上实现更高的数据速率。6G网络可满足UTM中的高带宽数据连接要求。必须确保足够的带宽来改进6G技术带来的数据传输能力，以便无人机不会不断断开连接，并可传输高质量的实时视频。6G预计将提供高达10Gbps的数据速率以支持多媒体传输[2]。

1.4 飞机的识别和控制

由于无人机数量众多，使用自动相关监视广播识别商用飞机可能会在未来使其频率过载。因此，需要一种新的识别技术，远程识别数据可与6G结合使用，并以车辆车牌相同的方式充当车牌，无线电波用于传输远程识别。飞机注册、识别、跟踪和监管都需要可靠的蜂窝网络连接。通过主动监控无人机的位置和路线细节，可检测和测量无人机的交通状况，并据此识别地理围栏和潜在攻击。UTM生态系统为无人机提供低空授权和通知功能，允许无人机操作员通过实时验证低于授权高度的空域授权和管理动态地理围栏，来访问机场附近的受控空域[3]。

2 无人机网络的切换管理

无人机将服务于各种环境，并成为未来移动网络的重要组成部分。然而，切换管理将是未来网络中必须解决的关键问题。

2.1 无人机网络中的切换

切换性能是蜂窝网络的常规评估，因为它是展示高效移动技术的良好指标。切换是移动网络中的一项关键技术，它允许UE在移动中跨BS切换其连接。无人机网络的切换已成为一个更重要的问题，因为连接的无人机在天空中以不同的特征更快地移动。根据网络中无人机的功能，可能需要一架或多架无人机为特定的地面用户提供网络接入服务。无人机也可作为UE并从地面BS或卫星网络接收服务。由于无人机的操作受到其功率、覆盖范围、移动特性和服务网络流量的限制，因此将越来越需要切换。未来移动网络中连接无人机的切换场景，如图1所示。

切换过程对于连接的持续至关重要，只会造成短暂的时延。此外，由于高海拔等多种因素，移动飞行器和无线电环境与地面用户相比不同，因此无人机网络保持高度动态。必须改变移动自组网（MANET）和车载自组网（VANET）中的传统切换控制系统，以适应无人机网络。在MANET中，常用的切换技术导致不断分离或合并网络节点。已经提出了几种无人机交通控制系统的架构。例如，国家航空和航天局和联邦航空管理局提出了UTM 计划，欧盟也在开发Uspace，其中包含一套指导方针和服务。

2.2 切换决策算法

蜂窝网络中使用了多种切换决策算法，例如RSRP、服务基站（S-BS） 的接收信号强度指示（RSSI） 、信干加噪声比（SINR） 、移动速度、UE和BS之间的距离、BS的有限容量、权重函数、成本函数、模糊逻辑控制以及具有深度学习技术的机器。相同的切换决策算法可用于无人机，但由于无人机的特征不同，性能会有所不同。此外，与以前的移动系统相比，6G技术的要求将是超高的，这也为无人机网络创造了对更强大、更高效、动态和智能的切换决策算法的需求。在涉及这一问题的文献中已经进行了几项研究。

例如，文献[4]中的作者创造了一种与物联网建立无人机连接的方法。模型架构由两个主要节点组成：传感器节点和数据处理节点。使用两种不同的通信模式：Wi-Fi和卫星通信。切换基于几个参数执行：网络可访问性、RSSI、QoS、数据传输成本和网络性能。如果上述标准之一表明Wi-Fi接口不是最佳选择，则执行垂直切换以切换到卫星通信模式。如果两个接口都无法正常运行，则执行缓冲以避免數据包丢失，直到其中一个接口可用。

文献[5]的作者调查了一种分析5G中移动的异构设备到设备（D2D） ，无人机支持的关键任务机器类型通信（MTC） 影响的方法。由于物联网系统的使用迅速增加，MTC的作用变得极其重要。因此，满足这些广泛的要求是必要的。该论文研究了各种运动模式对异构用户的影响。该研究证实，只要使用替代连接选项，可用性就会增加。

2.3 切换类型

蜂窝网络中的切换，根据技术、网络类型、网络管理、工作频率和场景分为不同的类型。例如，切换可分为两种主要的切换技术类型：硬切换技术和软切换技术。硬切换要求UE在切换到目标BS之前终止与服务BS的连接。软切换施加了更渐进的连接终止，同时在短时间内与两个或多个BS保持连接。无人机的网络可根据移动通信技术应用两种不同的切换技术。

切换也可根据服务和目标网络的技术分为不同的类型，两种主要类型是水平切换和垂直切换。在水平切换中，接入点使用相同的技术，网络接口保持不变。在垂直切换中，接入技术相互不同，采用多个网络接口。

此外，根据网络管理系统的不同，蜂窝网络中的切换可分为三种方法：1） 网络控制切换（NCHO） ，2） 移动辅助切换（MAHO） 或3） 移动控制切换（MCHO） 。切换控制系统有广泛的描述。例如，如果接收信号是机制触发参数，则会出现两种切换场景：绝对切换或相对切换场景。前者发生在服务BS信号强度低于预定义阈值时，而后者发生在服务RSRP低于目标BS时。相对切换技术可能会导致切换比需要更早发生，但提供更高的质量。然而，绝对切换会导致所谓的“乒乓效应”。这种现象是由于RSRP值的频繁变化而发生的，促使频繁切换。这些不同的切换类型也可应用于无人机的网络。

2.4 5G 中的切换程序

切换过程是一个重要的过程，它由不同的步骤、算法和技术组成，使UE能够将连接从一个小区切换到另一个小区。程序步骤因技术而异。用于地面UE 的相同程序可用于空中的无人机。但是，由于无人机的特性不同，因此它不能保证高效地切换性能。无人机网络切换系统的切换过程，如图2所示。

5G切换过程与LTE-Advanced系统非常相似，但有一些进一步的增强功能。访问和移动管理功能（AMF） 履行移动管理实体（MME） 的职责[6]，用户平面功能（UPF） 与服务网关（SGW） 相同。图2中的具体的切换程序说明如表1所示。

对切换进行分类的另一种方法是在切换过程中，UE是控制还是协助，同时涉及网络和UE的切换称为混合切换。这些类别已经针对移动互联网协议（IP） 网络和VANET进行了研究，但目前只有少数研究可用于无人机网络。

3 结束语

在即将到来的HetNets中，无人机的移动控制将是一个需要彻底分析的关键方面。因为无人机在3D 空间中以高速和不同的特征快速移动，这增加了切换概率，并可能导致“乒乓效应”和RLF增加，这存在一个主要风险。无人机运动过程中的另一个重要问题是毫米波频谱和太赫兹波段的使用。无人机和移动网络的快速发展和大规模增长，将进一步加剧这个问题，因为负载平衡将是一个关键因素，需要适当的解决方案。如果不使用最佳和有效的切换机制，情况就变得更加危急。因此，在未来的网络中，必须充分强调无人机移动期间的连接管理。

参考文献：

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[4] GAUR A S，BUDAKOTI J，LUNG C H，et al.IoT-equipped UAV

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nications，and Control Technology （I4CT）.IEEE，2015：11-15.

【通联编辑：谢媛媛】