无人机通信中的自适应波束成形技术研究

无人机通信中的自适应波束成形技术研究

农加良

广西高晟信息科技有限公司   广西  南宁  530007

摘要：随着技术的不断发展，无人机技术趋于成熟、体积小、飞行灵活性、操作方便、适应能力等因此，无人机在后勤运输、农业耕作和救灾等应用方案中占有一席之地。同时，5G技术的高速度、高可靠性和低延迟等特性可以为无人机提供实时高清图像反馈，确保通信网络的稳定，扩大无人机飞行控制距离限制，丰富5G无人机的应用场景。基于此，本文章对无人机通信中的自适应波束成形技术研究进行探讨，以供相关从业人员参考。

关键词：无人机通信；自适应波束成形技术；研究

引言

无人机是未来智能无人驾驶设备发展的重要方向，在军事和民用领域具有广阔的应用前景，无人机数据链是连接平台、任务平台和优化整个信息传输系统信息资源的中心单元。无人机数据链接系统的主要功能是实现地面和空中无人机之间、空中无人机和无人驾驶飞机之间的实时传输，包括遥感教育和数据地图传输信息。

一、无人机的概述

无人驾驶飞行器技术的原理是，使用无人驾驶航空器、高分辨率CCD数码相机(电荷耦合器件)、激光扫描仪等进行运输。以获取航空遥感信息，并利用计算机处理生成高精度图像信息。事实上，无人驾驶飞机无法独立执行任务，还需要地面控制设备、数据通信设备、维修设备、指挥和控制以及运行和维修人员，较大的无人驾驶飞机需要特殊的发射/回收设备因此，应把一架功能齐全的无人驾驶飞机称为无人驾驶飞机系统，通常包括飞机系统、地面系统、特派团有效载荷和综合保障监督系统。

二、无人机技术特点

（一）灵活性高

高度的灵活性是无人机技术的一个主要技术特点。在传统的操作模式下，飞机的操作基本上是人工的，必须考虑到可操作和不可操作的领域，因为大多数危险地区难以进入。使用无人驾驶飞机技术，即使在危险的环境条件下，也能获得准确的数据此外，无人机的体积较轻，为灵活使用和迅速适应各种地形环境奠定了基础。

（二）信息收集效率高，

无人机技术广泛应用于各种领域，具有较高的信息获取能力和较快的获取速度，还可以为今后的研究奠定基础，在执行任务期间提供更准确的拍摄图像和地形数据。在一个新时代的背景下，信息技术和人工智能迅速发展，无人机技术也开始采用新的5G技术，这种技术更快地收集信息，大大降低了操作门槛，并解决了行业人才短缺的问题。

（三）执行任务多元化

无人机的功能多种多样，大部分功能设备可以拆除或重组，也就是说，可以根据具体的操作条件提前调整设备。通常，规划和设计森林调查需要安装云荷载。该设备功能多样，易于调节。一般来说，在设计无人驾驶飞行器时，应考虑到其功能，以确保它能够在不同的任务中调用不同的功能模型。

三、无人机通信中的自适应波束成形技术的研究

（一）无人机通信中继平台

在复杂的环境中，无人机的应用效率和检查安全受到通信能力的限制。采用无人机系统巡逻线的关键是通信信号能否稳定准确地传输。目前有三种无人机通信方式:卫星、中继站和无线网络，但每种方式都有其局限性:卫星信号传输时间长，信号容易中断，通信代码错误率高；中继基站通信受地形影响，受通信距离的限制；无线网络不安全，不能在山区、森林和其他复盖不足的地方使用。因此，正在考虑引进另一架无人驾驶飞机，伴随其进行通信中继工作。在原直线检查无人机、数据传输站、图像传输设备和地面控制站四个部分的基础上，伴随飞行的无人机将5G通信中继设备作为空军基地临时安装，以确保效率、稳定性和定时传输。

（二）空天地一体化通信

在天基综合通信系统中，卫星通信频道的非线性特性可能导致调制波的外层波动，从而导致相位畸变和频谱扩展。为了适应卫星通信渠道，在传输数据时选择的调制方式必须具有信号复盖的低波动性。为此，MPSK在数据传输中得到广泛应用。随着企业容量需求的增加，频谱资源越来越少。因此，提出了一种组合调制方案，有效降低频谱使用成本，提高带宽利用率。apsk和QAM的组合调制具有较高的光谱效率，可以改善频谱资源的应力问题，信号幅度小，扭转度低，即pap较弱，能有效抵御功率计的非线性失真吗。基于Hopfield神经网络(hnn)的apsk信号调制解调器降低解调复杂度，提高解调稳定性。具有延迟位交错调制的apsk星座发现dbicm的容量与编码调制的容量相同。并且信道容量分析表明，可以在低延迟的情况下获得良好的性能；与QAM相比，apsk调制可以更好地调节相干相位和交叉相位调制以及激光相位噪声。

（三）物联网通信

对象的因特网通信的一个重要特点是，它们使用短数据包传输信息，从而有效地缩短了数据传输时间。信道和噪音在传输过程中影响无线信号。此外，最大数据传输速率取决于数据包长度。首先，选择足够长的数据包进行通信传输时，信道和噪声造成的误差影响微乎其微；另一方面，当数据包较长且信号接收器产生相应的数据包错误率时，信道和噪声的影响不容忽视，因此数据通信能力低于Shannon。与传统无线网络中的长期数据包传输(即无限块编码通信)不同，使用短数据包进行数据通信可以减少信道编码的收益，但近年来由于低延迟和高可靠性，短数据包通信(PC)得到广泛应用在短数据包中传输数据时，由于数据包长度有限，无法忽略监听器级别的位错误率。在短数据包传输中，通信的有效性和可靠性指标分别以数据包的最大传输速率和错误率表示。值得注意的是，当数据包接近无穷大时，数据传输过程中的编码错误率可忽略不计，而SPC的通信容量相当于传统的Shannon容量。

（四）数据集及其预处理

深入学习是根据大量数据对模型进行培训和测试，并使用开放源代码无人驾驶飞行器数据集进行建模。该数据集主要收集不同操作模式下不同类型无人驾驶飞机的无线电通信信号，包括parrotbebop、ParrotAR和djiphantom。这些无人机主要用于民用研究，在规模、价格、性能和技术方面各不相同。此外，该数据集包括454条无线电信号记录，每条记录包含100万个样本，代表所收集信号的范围。除了无人机无线电信号之外，该数据集还包含没有无人机活动的信号记录。数据集不仅可以识别无人机是否存在，而且可以利用无人机的射频信号特征识别无人机的类型和运行方式。此外，该数据集还载有从各种无人驾驶飞机模型中捕获的无线电信号，例如开/关、飞越、盗窃、盗窃和录像。其中，关于无人驾驶飞机活动的数据约占所有数据集的82%，关于无人驾驶飞机活动的数据约占18无无人机活动的数据是背景活动数据，有助于减少噪音信息的干扰。

（五）安全防护方案针

GPS欺骗的常见防御手段分为三类:(1)利用物理层特性检测GPS信号。一般而言，真实的全球定位系统信号来自具有不同物理特性的不同地点的卫星，而误导性全球定位系统信号往往来自具有相似物理特性的同一卫星天线，从而有助于判断虚假信号。通过接收信号的强度和绝对功率等信息识别误导信号。(2)使用辅助设备检测GPS信号的真实性，如高精度IMU等。使用由多个GPS天线组成的阵列检测GPS欺骗信号。(3)使用密码技术验证GPS信号，如数字签名等。此外，还可以通过北斗定位(包括北斗地面升级)和多式定位信息确定等技术来加强位置信息的安全。

结束语

目前，无人驾驶航空器系统设备具有远程移动、图像采集、信息交互和数据处理等强大功能，以及访问和维修通信光缆线路的应用前景。后续研究可使无人驾驶航空器系统培养航迹规划、自主导航、5G通信中继、自动避障、智能技术解释和工程设计等能力，减少航空器任务对通信运营商和外部条件的依赖，促进 投资探索改进的人才管理和支持措施，实现智能运营维度管理手段的高效运行。

参考文献

[1]华梦.无人机辅助的新型无线通信技术研究[D].东南大学,2020.

[2]张婷.基于无人机辅助通信的无线传输理论与技术研究[D].南京邮电大学,2020.

[3]李怡然,孔璇,张宇烜,邹昌昊.面向无人机机载系统的毫米波通信技术研究[C]//.第九届中国航空学会青年科技论坛论文集.,2020:791-794.

[4]王倩.无人机通信中的物理层安全传输技术[D].电子科技大学,2020.

[5]王兴权.探讨无人机辅助的物联网通信技术及其应用[J].通讯世界,2020,27(06):72+74.