面向6G的无人机通信综述

云脑智库 2022-04-29 00:00


来源 | 电子与信息学报

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面向6G的无人机通信综述

作者:陈新颖盛敏李博,赵楠

      单位:大连理工大学, 西安电子科技大学哈尔滨工业大学


摘要
   
    该文章针对全域覆盖、场景智联、信息耦合的6G网络中无人机(UAVs)的应用场景进行了综述。首先,针对无人机在空天地海一体化网络架构中应用进行了陈述,重点讨论了无人机在不同场景中可能承担的角色及功能,如蜂群基站、全息投影部署、远距离中继通信以及数据采集等。然后,对6G中应用于无人机通信的太赫兹、超大规模天线、内生人工智能、智能反射面(IRS)、智能边缘计算、区块链、通信感知一体化等潜在关键技术进行了探讨。最后,对6G场景下无人机通信面临的续航时间、网络融合性、智能反射面兼容性、以及用户安全等方面技术进行了展望。


关键词:6G移动通信;无人机;空天地海一体化;太赫兹;智能反射面



无人机辅助通信的优势 





01

视距信道

无人机可以悬停或盘旋在空中,因而与地面用户间的信道主要为直射链路。由于可以通过直射链路而无需折射或散射,无人机与地面通信设备间的信道条件质量高、衰减小。因此,通过无人机辅助,可以有效提升接收端的信噪比,进而实现高质量通信。



03

高移动性

无人机作为小型飞行器,可以通过遥控终端进行控制。由于空中并无遮挡且其自身的位置不固定,可以实时调整部署以实现应急通信。此外,对于一些非突发但临时的应用场景,无人机通信也可以方便快捷地部署。



04

低成本组网

无人机可以灵活部署,应用于复杂多变的场景及环境。由多架无人机组成的蜂群可以在不同的应用场景下构建稳定的通信网络,并且可以多次再部署。因而,可以利用无人机进行低成本临时组网,以应对不同类型的需求。


6G中无人机应用场景与功能 


1.星地融合网络架构中无人机的应用

6G移动通信的根本需求不仅包括以通信功能为主的集智能、感知、安全于一体的移动通信网络建设,还要实现以人为中心的、多种网络相互融合的空天地海无缝覆盖。其中,无人机可被应用于空基网络,联合卫星、地面设施和海上通信用户,实现复杂场景中的多维度覆盖、随时接入与安全连接,具体框架如图1所示。该网络由天基网、空基网、海基网和地基网组成。其中,地基网主要指地面的通信设备,包括地面的互联网和无线设备。天基网由与地面相对静止的绕地卫星组成。空基网由临时部署的无人机、飞艇等组成,这些设备可以为地面或海面的海基用户提供中继服务,将信息转发至天基卫星。海基网是指海上平台或在海上运行的舰艇、渔船等设备。由于远离陆地,海上平台在现有的地面基站通信范畴内大多处于失联状态,而通过无人机的部署,便可实现海基与陆地控制中心间的通信。

2.无人机辅助地面移动通信的主要功能

无人机凭借其自身的高移动、易部署、视距信道等特性,在6G移动通信中将起到重要的作用。地基网和海基网中通常存在大量移动设备,在某些特殊情况下,仅依靠地面基站无法满足移动设备的通信需求。本节通过介绍无人机在6G场景中的潜在应用对其重要性进行阐述。在6G移动通信网络中,无人机具体的应用场景如图2所示。

3.无人机基站蜂群系统

在未来6G移动通信网络中,由于太赫兹、超大规模天线阵列等技术的应用,加之高分辨率的视频信息和图片信息的广泛需求,终端用户的通信数据量将会显著增加。此外,在人员高度密集的会展中心、举办重要赛事的体育场馆等场景中,物联网设备的多发数据、车联网中海量图片等传感信息需要上传并分析计算,这些均会产生大量的数据传输。当地面基站无法承载时便可借助无人机进行临时基站部署,分担用户数据传输的需求。

4.无人机全息投影系统

作为6G愿景之一的“全息通信”,是在虚拟现实和增强现实技术之上拓展出的高保真扩展现实。由于全息投影系统需要保证用户从各个角度都能实现高保真扩展现实投影的效果,该系统需要多点实施投影并且各个投影点间相互配合,加之声效和其它感官效应,便可使用户体验到全息投影的高保真拓展效果。在该场景中,利用无人机部署各个投影点可以使整个系统更为灵活的部署,并且缩短全息投影的部署时间,给用户带来更加多维保真的视觉体验。

5.无人机中继网络

6G移动通信中的一个典型场景是“空天地海”无缝全球深度立体覆盖,它需要解决海平面的无线覆盖问题。将无人机作为中继引入到海基网通信中,可以保证石油作业的海上平台、海面作业的渔船舰艇等海基通信用户与外界的信息畅通。此外,由于海上平台、渔船、舰艇的位置和活动范围具有临时性,利用高效、低价、可实时部署的无人机作为中继节点实现与外界互联也具有更高的性价比。


6G无人机通信的关键技术及进展 

1.太赫兹通信

作为6G移动通信中最具突破性的技术,太赫兹被评为改变未来的关键技术之一。为了满足数据的爆炸式增长,单纯利用现有频段进行无线传输已无法满足人们日常的数据需求。从现阶段的毫米波到未来的太赫兹,无线通信可用频带出现了革命性的突破,传输速率也将显著提升。太赫兹频段为0.110 THz,频率更高,波长更短,这使得波束赋形的主瓣更窄,增加了窃听的难度,具有更高的安全性。但是,太赫兹相较于前几代的低频信号具有更大的衰减,而无人机通信中的空地视距信道将会极大程度地减弱太赫兹信号的衰减,从而保证通信质量。

2.超大规模天线阵列

无线通信可以通过多天线技术利用信道性质以实现用户接收端的功率增益。另外,也可以利用天线的方向性通过波束赋形和信号的预编码来有效抑制窃听保证通信的安全。6G移动通信将会在5G的2561024规模的天线阵列基础上更大规模地对其进行扩充,预计单个基站将会超过10000根天线。由于6G移动通信将采用太赫兹频段进行传输,因而即便超大规模天线阵列在天线数目量级上十分巨大,其体积也不会过于庞大,例如纳米级的天线可以在1 mm2内嵌入1024个工作在1 THz的阵列单元,这也更有利于其装载到载荷受限的无人机平台上用于信号的接收与转发。

3.网络内生人工智能驱动

区别于现已商用的5G网络中依靠外接系统实现人工智能的方式6G将采用网络内生智能这一概念。6G移动通信中,以人为核心将智能化贯彻到网络中的每一个层面,进而实现高度灵活具有“智”化网络来服务每一个用户,具体结构如图3所示。天基网、空基网和地基网都可以独立地接入至6G智能网络,将智能化贯穿于整个网络的各个层面。在智能化的6G网络中,基于无人机的辅助通信可以通过网络、业务和用户的相关数据来自主学习并管理和控制其飞行轨迹等特征,以实现“无人”驾驶的飞行目标并通过多维感知和大数据计算等手段实现多元网络的融合。


4.智能反射面

智能反射面可以通过软件编程控制信号反射的幅值和相位,实现无线信道的自重构。由多个低功耗的无源反射组件组成,这些反射组件可以通过外加的电压和相位驱动使其可以操控反射出去的信号,进而实现对波束赋形信号传输的更全面控制。由于智能反射面不需要射频转发等功能,因而能耗较低。同时,智能反射面结构简单,便于安装在其它物体表面,如无人机空中平台等。如图4所示,通过空中智能反射面可将接收信号反射至被遮挡屏蔽的用户终端,提升无线通信质量。另外,通过直射与反射信号叠加,搭载智能反射面的无人机还可以带来更高的信道增益。

5.智能边缘计算

在未来的6G移动通信中,由于网络更侧重于内生的智能运算能力,未来的网络将采用智能云计算与智能边缘计算相融合的方法,使计算系统更扁平化,同时采用区块链分布式存储等去中心化技术来实现对用户数据隐私的保护。应用智能化边缘计算的无人机平台可以不依托于中心控制系统,而是结合周围的环境,进行实时的智能化计算控制,其具体应用场景如图5所示。基站可以将计算任务分配至无人机,无人机可以合理地将计算任务卸载至各个拥有计算能力的终端用户,进而实现智能化边缘计算。

6.分布式区块链网络

6G移动通信网络中,物联网和车联网等部署将会随时随地产生海量数据。然而,由于无线通信的开放性,超密集网络中用户的安全保障尤为重要。区块链技术通过将用户数据分布式存储于各个用户终端从而保证数据无法被非法篡改,因此可以保障网络数据的有效性。在超密集异构网络中可以通过部署无人机作为分布式区块链网络的节点,以实现用户信息安全、高效地存储与传输。然而,当网络规模增大到一定程度时,数据索引将会产生较大的时延并且用户数据的存储也需要更大的空间,这也是未来无人机分布式区块链网络将面临的挑战。

7.通信感知一体化

无人机凭借其良好的高移动性和易部署性在军事应用中占有重要地位,如无人机侦查与攻击。此外,民用无人机的日益普及使得禁飞区的空域管理也愈加困难。因此,军事方面对敌方恶意的无人机侦查行动和民事中对非法无人机的跟踪等都是亟待解决的问题。相较于图像感知系统,雷达探测受天气等环境变化的影响更小,也更具稳定性。因此,在未来的6G移动通信网络中,可以将雷达系统与基站通信系统进行有机结合,通过雷达探测监控的同时完成重要信息的安全传输。


综上所述,6G移动通信网络将会产生海量数据,而上述提及的太赫兹通信、超大规模天线阵列和智能反射面等技术将会有效保证6G网络中无人机节点的高速海量数据传输。




未来挑战与方向
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1.无人机的续航时间
2.无人机与异构网络间融合
3.智能反射面及超大规模天线阵列与无人机的兼容性
4.太赫兹相关技术及设备研发

5.用户信息的安全性

6.蜂群网络冲突规避

7.海量密集接入的频谱稀缺

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结论

6G移动通信将在5G的低延时、大接入、高带宽的基础上进一步增强网络通信性能指标。本文重点针对6G空天地海一体化无缝覆盖网络架构下空基网络中的无人机通信进行了阐述与分析;同时,针对无人机在通信网络架构中所担任的不同职责对其在6G中的应用场景进行了预测。此外,对6G无人机通信中太赫兹、超大规模天线阵列、智能反射面、人工智能计算、区块链、通信感知一体化等潜在关键技术进行阐述。最后,对面向6G的无人机通信中存在的相关技术挑战与未来发展趋势进行了展望。    


美 编:李 爽,余 蓉

校 对:马秀强、刘艳玲

审 核:陈 倩

- The End

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