无人机信号传输原理

　　无人机信号传输原理主要依赖于无线通信技术，其核心是通过无线电波或其他无线电技术实现无人机与地面站或控制端之间的数据和控制指令的传输。具体来说，无人机信号传输涉及以下几个方面：

• 　　无线通信模块：无人机通常在电路板上搭载有多种通信模块，如Wi-Fi、蓝牙、LTE、LPWAN等，这些模块负责将传感器采集到的数据进行处理并发送出去。

• 　　频段选择：无人机使用的频段主要包括2.4GHz和5.8GHz。其中，2.4GHz频段主要用于遥控和图像传输，而5.8GHz频段则用于数据链路的通信。此外，还有使用900MHz和1.4GHz频段的情况，但900MHz不建议使用。

• 　　数据传输方式：无人机的数据传输可以分为上行链路和下行链路。上行链路(数传)主要负责将地面控制站的指令传送到无人机，而下行链路(图传)则负责将无人机拍摄的图像实时传输回地面控制站。

• 　　抗干扰与稳定性：由于无人机的通信系统容易受到外界干扰，因此需要采用抗干扰技术和优化频率及带宽配置来提高通信的稳定性和传输速率。

• 　　卫星通信：在某些情况下，无人机还可以通过卫星通信技术实现全球范围内的即时通信，确保在复杂环境下也能接受到来自地面的指令。

• 　　中继通信：无人机中继通信是一种利用无人机作为中继节点来实现信号传输的方式。通过这种方式，无人机可以在飞行过程中将信号从源节点传输到目标节点，从而扩展通信距离和覆盖范围。

• 　　数据链管理：为了应对多架无人机同时进行信息交互带来的挑战，现代无人机通信系统采用了如Massive MIMO技术等先进的网络化技术，以满足高速率数据传输的需求。

　　无人机信号传输原理涉及多种无线通信技术和频段选择，并通过各种抗干扰措施和先进的网络化技术来确保数据传输的稳定性和可靠性。

一、 无人机信号传输中有哪些最新抗干扰技术

　　无人机信号传输中的抗干扰技术在近年来取得了显著的进展，主要体现在以下几个方面：

• 　　认知抗干扰技术：针对无人系统面临的低截获通信需求，研究者们围绕干扰的检测识别、变换分析和多域抑制等认知抗干扰关键技术展开具体分析。这些技术包括常见的检测估计和分类识别研究。

• 　　深度强化学习算法：基于深度双Q学习网络(DDQN)的多域联合认知抗干扰智能决策算法被提出，用于军用无人机通信环境恶劣、信息传输可靠性要求较高的场景。该算法通过能量检测法识别干扰，并进行相应的抗干扰处理。

• 　　光通信与智能信息处理：西北工业大学光电与智能研究院联合中国电信人工智能研究院在仿“萤火虫”通信无人机方面的研究中，利用光通信和智能信息处理技术，在电磁干扰下实现了无人机间的信息传递。

• 　　跳频通信：跳频通信技术通过不断改变通信频率，使干扰信号无法准确跟踪和干扰无人机的通信，从而提高系统的抗干扰能力。

• 　　正交频分复用(OFDM)技术：SOCFH-OFDM传输方法因其高传输速率和良好的抗干扰性能被应用于无人机数据链通信中。此外，基于OFDM的通信感知一体化自干扰消除方法也被提出，以应对本地信号发射带来的强烈自干扰影响。

• 　　多智能体协同技术：基于多智能体协同的无人机簇群多域节能抗干扰通信技术能够适应部分可观测且未知动态变化的无人机簇群传输环境和干扰环境，相较于基准算法能更有效地降低长期传输能量损耗和跳频开销。

• 　　远距离无线通信模块：随着技术的不断进步，远距离无线通信模块在复杂电磁环境中需要具有更强的抗干扰能力，以确保信号的稳定传输。

二、 如何优化无人机通信系统的频段

　　优化无人机通信系统的频段选择以提高数据传输效率，可以从以下几个方面进行考虑：

　　1. 选择合适的频段：

　　2.4GHz和5.8GHz是当前无人机市场上的主流选择，各有其独特的优点和适用场景。2.4GHz频段适用于远距离控制和消费级应用，而5.8GHz频段则在航拍领域使用最广泛，具有体积轻盈、低热量、距离远等优点。

　　1430-1444MHz频段可用于无人驾驶航空器系统的下行遥测与信息传输链路，特别是警用无人驾驶航空器和直升机视频传输。

　　2. 考虑国际和国内的频谱划分：

　　在选择频段时，必须考虑国际和国内在相应频段的频谱划分情况，确保无人机通信系统的业务与其他业务能够相互兼容。例如，美军的战术公共数据链下行工作在14.40—14.83GHz频段。

　　我国工信部无线电管理局已经初步制定了《无人机系统频率使用事宜》，规划了5725-5829MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz频段用于无人驾驶航空器系统。

　　3. 使用专用频段进行安全通信：

　　无人机系统测控链路传输属于安全通信，应使用专用频段，并需要必要的安全保护。民航局建议使用5030~5091MHz频段或其他可用于无人机的专用频段。

　　4. 考虑高频段的应用：

　　随着高频段通信技术的不断发展，未来无人机+通信中继系统可能会采用更高频段的通信方式，进一步提高通信速度和传输效率。

三、 Massive MIMO技术在无人机通信系统中的应用

　　Massive MIMO(大规模多输入多输出)技术在无人机通信系统中的应用案例和效果评估可以从多个方面进行探讨。

　　1. 应用案例

　　在灾区，无人机可以利用Massive MIMO技术提供空中应急通信服务。这种无蜂窝的cellfree-Massive MIMO方式，能够有效增强网络覆盖能力和数据传输性能。

　　佛山联通与华为合作打造的5G-A数字低空“智慧天眼”系统，采用了Massive MIMO超大规模天线阵列3D智能波束管理技术，实现了低空300米的立体覆盖，为无人机在城市治理中的广泛应用提供了技术支撑。

　　张在琛的研究表明，在早期无人机通信系统的研发与设计中，通过引入大规模天线阵列(Massive MIMO)技术，能够有效增强网络覆盖能力和数据传输性能。

　　2. 效果评估

　　相对于普通MIMO技术，大规模MIMO带来了显著的信道容量增加。当接收信噪比和信道带宽一定时，MIMO系统的容量随发射天线个数和接收天线个数中最小值的增加而线性增加。

　　基于Massive MIMO技术，地面基站(GBS)可以应用自适应细粒度3D波束成形来减轻高海拔无人机与低海拔地面用户的强干扰，从而提高系统整体性能。

　　巨型MIMO是实现更高系统吞吐量和可靠传输的关键技术之一。它通过智能使用大量天线元素，在物理无线介质上提供了前所未有的灵活性和控制能力。

　　利用无人机实现毫米波通信和Massive MIMO技术，可以创建一种全新的动态飞行蜂窝网络，提供大容量无线服务。

　　Massive MIMO技术在无人机通信系统中的应用不仅提升了信道容量和系统吞吐量，还增强了网络覆盖能力和数据传输性能，并且有效抑制了干扰，提高了系统的可靠性和灵活性。

四、 无人机中继通信技术的具体实现方式和性能表现

　　无人机中继通信技术是一种利用无人机作为中继节点，以提高无线通信系统的覆盖范围和数据传输性能的技术。其具体实现方式和性能表现如下：

　　1. 具体实现方式

　　(1). 可重构智能地面(RIS)辅助无人机中继通信：

　　在这种系统中，RIS安装在无人机上，并且可以高速移动。与传统的静态RIS相比，这种移动式RIS能够提供更好的性能和更大的灵活性。通过联合优化无人机轨迹、RIS无源波束成形和每个时隙的源功率分配来最大化平均吞吐量。

　　(2). 多跳中继通信：

　　无人机中继以多跳的方式转发到目标节点，通过联合无人机轨迹和发射功率优化实现端到端的吞吐量最大化。这种研究假设采用的是全双工通信方式。

　　(3). 短波电台技术：

　　短波电台工作在短波频段，该频段对电离层反射敏感，能够实现较远距离的通信。因此，在无人机通信中继中，选择合适的短波频段可以有效提高通信的稳定性和距离。

　　(4). TPUNB与LoRa无线通信技术：

　　系统采用了低功耗、长距离传输的TPUNB或者LoRa无线通信技术作为唤醒策略，可以在无人机到达环境监测区域2.5km范围内发送设备唤醒命令，实现远程唤醒高功耗的设备。

　　(5). 系留无人机自组网技术：

　　系留无人机通过线缆与地面站相连，为无人机提供了持续稳定的电源和高速数据传输能力。这种连接方式使得无人机无需携带大量的电池，从而大大减轻了机身重量，延长了无人机的飞行时间。

　　2. 性能表现

　　(1). 吞吐量最大化：

　　通过联合优化无人机轨迹、RIS无源波束成形和每个时隙的源功率分配，可以显著提高系统的平均吞吐量。

　　多跳中继通信系统通过优化多用户通信调度和联合优化无人机轨迹与功率控制，在下行链路通信中最大化所有地面用户的最小吞吐量。

　　(2). 中断性能分析：

　　基于门限判断DF协议的多无人机中继传输中断性能分析表明，考虑路径损耗的情况下，建立的中继合作传输系统模型能够有效降低中断概率。

　　双跳无人机中继通信系统的中断性能接近最优选择，这表明在多跳中继通信网络中，合理的中继选择算法可以显著提高系统的可靠性。

　　(3). 自组网技术的应用：

　　自组网(Ad-hoc网络)是一种无需依赖固定基础设施就能自主组网的无线通信网络。其特点包括自发现、自动配置、自组织和自愈等，这些特性使得无人机中继通信系统能够更加灵活和高效地进行数据传输。

五、 无人机通过卫星进行通信的应用和风险分析。

　　无人机通过卫星进行通信可以提供更广阔的通信覆盖范围和更高的通信可靠性，适用于以下场景：

• 　　远程地区通信：无人机可以通过卫星进行通信，实现远程地区的通信需求，如海洋、沙漠、高山等。

• 　　灾害救援通信：在灾害发生时，地面通信设施可能受到破坏，无人机通过卫星进行通信可以提供救援人员和受灾群众的通信服务。

• 　　军事通信：无人机通过卫星进行通信可以提供军事通信服务，实现远程作战指挥和情报收集等需求。

　　然而，无人机通过卫星进行通信也存在以下风险：

• 　　通信延迟问题：由于信号需要经过卫星传输，无人机通过卫星进行通信可能存在一定的延迟，影响通信的实时性。

• 　　卫星信号干扰问题：卫星信号可能受到天气、地形等因素的影响，导致通信信号的干扰和中断。

• 　　通信安全问题：无人机通过卫星进行通信可能存在安全风险，如信号被窃听、数据被篡改等。

• 　　成本问题：无人机通过卫星进行通信需要使用卫星通信设备，成本较高，可能会增加使用成本。

　　因此，在使用无人机通过卫星进行通信时，需要对风险进行充分的评估和管理，并采取相应的措施进行风险防范和控制。

　　无人机通过卫星通信技术在复杂环境下的应用已经取得了一些成功案例，如应急通信和数据传输与控制等。然而，物理层操作问题、传输时延和成本、系统集成与优化以及新兴技术的应用等仍然是需要克服的主要挑战。