基于SDR蜂窝网络的无人机通信系统设计及延迟分析.pdfVIP

摘要

摘要

无人机是一项低成本、高机动性的新兴技术，在过去几十年里得到了广泛

的应用，包括食品配送、公共安全、交通监控等。然而，传统的无人机通信仅

仅依赖于点对点通信，操作员与无人机在同一频段下进行点对点的数据包收发，

传输范围小，这可能不足以满足超出视距传输（LineofSight,LOS）的通信需

求，特别是对于那些需要广域连接的应用程序。为了解决这一问题，蜂窝网连

接的无人机通信已被提出。问题是，蜂窝网络并不是为使用飞行设备而开发和

部署的，其中存在各种问题，比如无线电覆盖和干扰问题仍然需要解决，以及

通信延迟还达不到某些应用的要求。因此，蜂窝网与无人机连接的性能还需要

全面的研究，以便使蜂窝网连接无人机成为一个有吸引力的解决方案。

针对无人机连接现有蜂窝基站时出现的蜂窝网空中覆盖范围小以及多基

站信号干扰问题，研究使用无人机搭配蜂窝通信设备在典型城区场景下进行了

飞行测试，得到了无人机在不同高度下接收到的蜂窝无线电信号性能指标及通

信延迟数据。通过数据，一方面，研究分析了现有蜂窝基站的天线波形、部署

等因素在服务空中用户时相比于地面用户面临的新挑战，另一方面，研究重点

关注无人机通信延迟，分析了无人机的通信延迟与接收无线电性能指标之间的

相关性关系。为运营商和通信标准化组织以后将无人机整合进蜂窝网中提供了

新的见解。

针对蜂窝通信下操作员对无人机的控制指令传输延迟波动较大的问题，研

究提出了一种新的延迟预测算法，可将该算法部署到边缘计算节点去实时检测

无人机蜂窝通信延迟波动，并在延迟较大时由边缘计算节点代替操作员向无人

机发送制动指令，保证无人机安全飞行。

研究开发了一个基于软件定义无线电（SoftwareDefinedRadio,SDR）蜂窝

网络的无人机通信平台，将提出的无人机延迟预测算法部署在SDR蜂窝网络平

台的边缘计算节点上进行实地飞行测量，通过测量结果验证了研究提出的延迟

预测算法相比以往算法在预测准确率和预测范围上有性能提升。

关键词无人机；蜂窝网络；延迟预测；:SDR蜂窝基站

--I

Abstract

Abstract

Unmannedaerialvehicles(UAVs),asalow-costandhighlymobileemerging

technology,havefoundwidespreadapplicationsinvariousfieldsoverthepastfew

decades,includingfooddelivery,publicsafety,andtrafficmonitoring.However,

traditionalUAVcommunicationreliessolelyonpoint-to-pointcommunication,

whereoperatorsandUAVsexchangedatapacketsinthesamefrequencyband,

limitingthetransmissionrange.Thismaynotbesufficienttomeetthe

communicationneedsbeyondLineofSight(LOS),especiallyforapplications

requiringwide-areaconnectivity.Toaddressthisissue,cellularnetwork-connected

UAVcommunicationhasbeenproposed.Nevertheless,cellularnetworksarenot

specificallydesignedanddeployedforairbornedevices,posingvariouschallenges

suchasunresolvedissuesinrad