展望6G——無人機(jī)輔助通信技術(shù)

　　雖然目前5G商用化還在不斷地普及當(dāng)中，但前沿學(xué)術(shù)領(lǐng)域則早已開始了6G無線傳輸潛在關(guān)鍵技術(shù)的研究。在2021年中國物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)全國通信理論與技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議上，北京郵電大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師王朝煒分享了他在6G中的無人機(jī)輔助傳輸技術(shù)上的研究。

6G的需求分析

　　通過目前對(duì)6G的需求分析來看，6G不僅僅要在性能、傳輸速率、信道單位面積容量和時(shí)延超越5G標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)是多通信體制的無縫連接，跨空天地海的三維一體化網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括地面節(jié)點(diǎn)、水面節(jié)點(diǎn)、低空和高空節(jié)點(diǎn)，甚至包含大氣層外的高空低軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。在6G標(biāo)準(zhǔn)化前期過程中，開始定義了一些面向空中用戶的服務(wù)。這對(duì)于研究無人機(jī)通信技術(shù)有很大的推動(dòng)力。

　　王朝煒副教授對(duì)比了基站、衛(wèi)星、HAPS和無人機(jī)通信的優(yōu)劣勢，無人機(jī)相比于其他集中通信來說，無人機(jī)輔助通信具有靈活部署和配置、快速響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，同時(shí)采用低成本無人機(jī)部署可極大降低成本，采用不同旋翼的無人機(jī)以便靈活適應(yīng)通信需求，信道簡單主要采用短距離LOS信道。

6G對(duì)無人機(jī)輔助通信的需求

　　在偏遠(yuǎn)地區(qū)和災(zāi)區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施不足或失效的問題可以通過無人機(jī)經(jīng)行擴(kuò)展覆蓋；在人口密集和人流量大的熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，可以通過無人機(jī)達(dá)到增強(qiáng)無線覆蓋，加大用戶容量的功能；同時(shí)還能在交通控制、貨物運(yùn)輸、航拍、應(yīng)急救援等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

　　在今年7月鄭州水災(zāi)通信救援中，翼龍無人機(jī)作為“空中基站”打通了鞏義米河鎮(zhèn)應(yīng)急通信保障傳輸線，為受災(zāi)群眾和救援人員之間的連接了生命線。在持續(xù)不斷的暴雨中，電力通信設(shè)備被摧毀使得災(zāi)民通信設(shè)備網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全部中斷，災(zāi)區(qū)與外界信息不互通。而在應(yīng)急管理部緊急調(diào)派翼龍無人機(jī)抵達(dá)鞏義市米河鎮(zhèn)通信中斷區(qū)后，與外界失聯(lián)多時(shí)的鞏義米河鎮(zhèn)群眾收到這樣一條短信：“移動(dòng)公網(wǎng)通信暫時(shí)恢復(fù)，請(qǐng)盡快報(bào)告情況，聯(lián)系家人。”

　　這就是一個(gè)無人機(jī)在災(zāi)區(qū)輔助通信的現(xiàn)實(shí)案例，利用無人機(jī)空中應(yīng)急通信平臺(tái)搭載的移動(dòng)公網(wǎng)基站，為通信中斷區(qū)提供連續(xù)移動(dòng)信號(hào)。在采訪王朝煒副教授后，他表示這次無人機(jī)輔助通信僅僅是恢復(fù)2G通信，通信設(shè)備僅能發(fā)送短信，而未來6G中的無人機(jī)輔助通信將能夠傳輸多媒體信息，并且能夠更快速的到達(dá)信號(hào)中斷區(qū)。

6G中無人機(jī)輔助通信的應(yīng)用

　　第一，為6G網(wǎng)絡(luò)提供可靠的覆蓋方案。為臨時(shí)熱點(diǎn)區(qū)域提供短期而經(jīng)濟(jì)的通信部署；在小區(qū)邊緣提供基站補(bǔ)充和增強(qiáng)覆蓋；為邊遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)和海上等區(qū)域作為補(bǔ)充覆蓋。

　　第二，在意外或緊急情況下（如救災(zāi)、服務(wù)恢復(fù)及臨時(shí)密集用戶場景），由于業(yè)務(wù)支出高、環(huán)境復(fù)雜多變，部署地面基礎(chǔ)設(shè)施在經(jīng)濟(jì)上是不可行的，而無人機(jī)被認(rèn)定為是一個(gè)前途的新技術(shù)。在這些應(yīng)用場景中，無人機(jī)能充分發(fā)揮快速高效、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性高等優(yōu)勢，組建臨時(shí)通信系統(tǒng)。

　　第三，采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行日常周期性檢查和狀態(tài)檢測將耗費(fèi)極大人力時(shí)間，無人機(jī)利用其靈活性和機(jī)動(dòng)性，可以為設(shè)備巡檢維護(hù)提供一個(gè)更加高效、安全、可靠的工作方案。無人機(jī)可以自主巡檢，對(duì)故障經(jīng)行定位并實(shí)時(shí)追蹤和報(bào)警，將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊傳輸，這些特點(diǎn)在管線檢測、森林防火、邊防巡邏、交通線路災(zāi)害等巡查中顯得尤為重要。

6G中無人機(jī)輔助通信的未來方向

　　UAV+IoV：無人機(jī)輔助車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)包含地面移動(dòng)用戶以及空中移動(dòng)輔助通信節(jié)點(diǎn)，在這種高動(dòng)態(tài)情境下，其通信質(zhì)量必然收到多普勒效應(yīng)的影響。同時(shí)，地面頻譜共享的傳輸特性以及用戶的爆炸增長使得同信道干擾更加嚴(yán)重。

　　Imperfect CSI+UAV：無人機(jī)的參數(shù)配置和行為控制通常需要先驗(yàn)信息，如用戶位置和瞬時(shí)信道狀態(tài)（CSI）等。然而在高度時(shí)變的環(huán)境下，很難及時(shí)地獲取這些信息。

　　Cell-Free Massive MIMO+UAV：利用無人機(jī)高機(jī)動(dòng)性和靈活部署的特點(diǎn)，在無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中增加移動(dòng)無人機(jī)終端或?qū)⒌孛婀潭ˋP替換為移動(dòng)無人機(jī)，可提供靈活和可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。

　　NOMA+UAV：隨著地面終端密度的增加以及頻率復(fù)用，無人機(jī)可用的RBs數(shù)量迅速減少，導(dǎo)致無人機(jī)傳輸速率受到嚴(yán)重限制。非正交多址（NOMA）與干擾消除（IC）是一個(gè)更有吸引力的解決方案。

　　空天地一體化網(wǎng)絡(luò)：5G無線系統(tǒng)仍然以地面為基礎(chǔ)，覆蓋范圍有限?？臻g通信網(wǎng)可以為海上、偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)和空中的人員以及車輛提供廣泛的通信覆蓋，充當(dāng)?shù)孛嫱ㄐ啪W(wǎng)的補(bǔ)充。

　　在享受著5G通信的同時(shí)，我們可以大膽暢想，6G通信會(huì)有哪些革命性的突破？對(duì)于未來的生活有哪些改變？6G網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)能否超越空間的限制，為我們的社會(huì)和生活打造一體化通信網(wǎng)絡(luò)？這些問題都是值得期待的。