浅谈基于LTE的无人机应急通信技术姜春光

浅谈基于LTE的无人机应急通信技术姜春光

姜春光

身份证号码：23010219810326XXXX黑龙江省哈尔滨市150040

摘要：无人机测控与信息传输系统是无人机系统的重要组成部分，是无人机远距离操作和侦察信息实时获取的桥梁。天地一体化信息传输系统已成为无人机测控与信息传输系统发展的趋势。空间数据系统咨询委员会CCSDS为航空器和地面系统中实现链路层协议携带IP数据建立了规范。由于无人机通信网络的自组织特点，它极易受到干扰和黑客攻击，威胁无人机通信的安全性。针对多架无人机组成的无人机群在执行需要相互通信的任务的情况，从安全通信的角度展开研究，提出了一种无人机群网络安全通信的实现新方法。

关键词：LTE；无人机；应急；通信技术

1导言

无人机（UnmannedAerialVehicles，UAV）在军用与民用领域应用广泛。随着无人机应用的拓展，由多架无人机组成的无人机群被应用到了执行复杂任务的场景。在无人机通信网络中，由于无线传输范围有限，无人机间的通信经常需要多跳完成，由参与其中的无人机担当网络各中继节点。近年来，随着无人机技术的成熟，通过无人机载荷快速搭建空中基站，可以极大的提升应急通信系统整体的适用范围和工作效率，是建设多层次、立体化、融合空天地多种通信技术于一体的应急通信网络的前提。

2方案设计

2.1链路层数据传输架构

在无人机测控与信息传输系统中空间和地面两端均采用TCP/IP协议作为数据传输标准，采用SDL帧携带IP数据，完成CCSDS空间数据链路协议与IP数据协议的融合。硬件设计采用PowerPC+FPGA的架构，PowerPC主要完成IP数据转发和协议控制等功能，FPGA主要完成接口处理、SDL封装和解析、CCSDS封装和解析等功能。FPGA运行效率高、实时性强，在高速场景使用FPGA完成数据包封装和解析工作，极大的缓解PowerPC工作压力，提高了链路层传输的稳定性，减小了处理时延。

2.2空间链路数据封装流程

空间链路FPGA数据封装首先对IP数据进行SDL封装，再根据各用户提供数据情况，完成自定义CCSDS封装。首先在FPGA中开辟不同缓存空间存储PowerPC下发的宽带IP数据包、遥测数据包和CCSDS封装帧头信息。对宽带IP数据包进行高速SDL封装，同时实时监测SDL数据包状态，数据低于CCSDS封装数据长度要求时，填充SDL空帧直到满足要求。根据CCSDS封装帧头信息、遥测数据包和SDL数据包，按照信道速率要求进行CCSDS数据包封装，变为固定帧长，发送给信号处理进行信道编码等处理。空间链路数据封装流程如图1所示。

图1空间链路数据复接流程图

3无人机网络的安全问题

无人机网络是一种移动自组织网，有无线通信、无网络中心、拓扑结构多变和多跳中继等特点。传统的有线网络和无线传感器自组网的网络拓扑结构往往比较稳定甚至固定，拥有安全可信的证书权威机构（CA）和中心服务器。当前，围绕着它们已经提出了大量的安全通信机制，如安全路由、加密信息、身份认证和权限管理等。传统网络依靠这些手段、方法，也能够很好地实现安全通信。

而无人机群通信网络基本不依赖固定基础设施或者基础设施有限，本身作为对等网络没有安全可信的中心节点。每架无人机就是一个节点，地位相当，节点间彼此通信通过无线链路，构成的网络结构极其不稳定。因此，现有的常规网络信息通信安全策略很难适用于无人机群通信网络。图2为无人机群自组网模拟示意图，是研究制订的适合无人机群通信网络的信息通信安全方案。

图2无人机群自组网模拟

4基于LTE的无人机应急通信技术

4.1无人机平台选型

无人机按照不同平台构型来分类，主要有固定翼无人机多旋翼无人机两大平台。其中多旋翼无人机分为普通多旋翼无人机和系留式多旋翼无人机，普通多旋翼无人机具有操纵简单、成本较低、轻巧灵活、起飞降落影响因素小；系流式多旋翼无人机作为一种近两年发展起来的多旋翼无人机分支，通过光电综合缆绳传输电能，使无人机可以不受电能限制而长时间停留在空中，具有续航时间长、承载重量大、灵活性强、可扩展性强等优势，非常适用于对空中覆盖的应用需求。在对抢险救灾区域实施长时间、相对固定区域无线通信保障时（保障时间在1~２天甚至更长），可采用系留式旋翼无人机搭载TD-LTE机载应急通信系统，提供多媒体集群、视频监控、数据采集、GPS/北斗定位、移动办公等功能。系留式无人机由多旋翼无人机、缆绳收放设备、地面高压电源、测控地面站、导航定位差分基站和附属配套设备等组成，具有自动化程度高、实用性强、操作使用方便、可靠性高及搭载任务载荷灵活等特点。通过在系留式无人机搭载TD-LTE机载应急通信系统，可实现长时间工作，实现较大面积的无线宽带信号覆盖。接到应急通信保障任务后，系留式无人机能够在5分钟之内快速升空至100米，搭载的TD-LTE机载应急通信系统可实现区域无线信号覆盖，半径可达到20-30公里，为抢险救灾现场提供应急通信保障。

4.2系统能力优势

国内目前已有通信手段包括卫星通信系统和地面蜂窝通信系统，地基铁塔主要用于平原城市等人口密集地区通信，天基卫星主要保障高价值窄带通信，临近空间太阳能无人机可利用其机动性好、使用维护效费比高、系统升级简易等独特优势，用于偏远地区通信补盲、灾区应急通信、远程通信、人口密集地区的通信备份和增强等，与以上2种手段形成有效互补。基于太阳能无人机的临近空间通信系统与卫星通信系统相比，第一，与地面终端距离更近，处于临近空间的无人机与地球同步卫星相比，自由空间衰减减少65dB，通信保障速率较卫星有数量级的提升；可有效降低通信时延，提升通信质量，更有利于远程语音通信；也更有利于实现通信终端的小型化、宽带化和低成本；第二，不受卫星严格的发射窗口要求，可根据使用需求，快速反应实现应急补网；第三，制造及发射成本相对较低，其制造成本远低于价值达数亿元的卫星，其使用运行费用低廉，综合效费比高；第四，可根据使用或维护需求，快速返回地面更换有效载荷。

4.3SDL高速封装

在SDL高速封装实现过程中，PowerPC将数据包长度和IP数据包放入循环队列双口RAM中，同时向FPGA发出通知信号，FPGA根据处理器写操作时的高位地址和通知信号了解处理器写操作情况，自动读取已有数据，将数据长度送入帧头CRC计算器中进行CRC-16计算，将IP数据包送入数据FCS计算器中进行CRC-CCITT计算。帧头CRC计算器每次计算16bit帧头数据；数据FCS计算器每次计算8bit数据IP数据。等待计算完成后，将得到的计算结果同数据包长度和IP数据包按照SDL帧结构依次存入FIFO中。

4.4空中组网

在多架，可用于构建无人机无中心动态自组织无线传输网络，借助，实现无人机链状、环状和网状组网，整个网络架构具备智能路由、自动发现、自动组织、性能自动调节、链路自愈能力，实现基站间宽带互联。

在应急现场利用无人机上搭载MESH设备，将多架单无人机基站通过多跳转发技术连接组网，由多个区域信号覆盖组成连续广域信号覆盖，弥补无线设备的传输距离限制，更加灵活的将现场的语音、视频、数据等信息回传到指挥调度中心，使应急指挥的面积和人员范围更广，更好的发挥系统应急通信能力及作用。

结束语

综上所述，本文提出一种无人机测控与信息传输系统链路层IP数据传输实现方案，采用FPGA实现空间链路IP数据SDL高速封装，地面IP数据SDL高速解析，TD-LTE机载应急通信系统以能够快速处置突发事件为根本目的，结合突发事件特点，能够实现快速建立基于卫星、TD-LTE、自组网等多种通信技术相融合的TD-LTE应急通信指挥系统，实现受灾现场与应急指挥中心的音频、视频、数据联络，保证应急指挥中心与受灾现场之间指令下达、信息上报的及时性和准确性，具备安全可靠、机动灵活、部署快速、业务畅通、经济实用等特点。

参考文献

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