主頁（http://m.by236.com）：應對重大突發災害，無人機應急裝備技術發展現狀

1 無人機應急保障裝備概述

我國是一個幅員遼闊，自然災害多發的人口大國。目前，國內的通信技術和基礎設施建設已經取得了顯著的成績，移動通訊技術切實改變了人們的生活方式和經濟結構。然而，在出現突發事件或不可抗拒的自然因素等情況下，傳統的通信網絡顯得脆弱不堪且難于恢復。2008年，我國南方遭遇50年一遇的特大冰雪災難，災情最嚴重時，8.3萬個基站因停電退出服務，數以千萬計的用戶通信受到影響。同樣在2008年，汶川發生極大地震，通信設施遭到嚴重損壞，汶川縣通信癱瘓，外界無法及時獲知汶川的任何消息。2010年的玉樹地震、2012年臺風“達維”再次襲擊內陸地區，這些強自然災害直接導致大范圍的通訊中斷[1,2]。面對天災和通訊中斷，這些災害往往會造成重大的人員傷亡和財產損失。

圖1 我國近年來重大自然災害分布

重大自然災害發生的前72小時，被稱為“黃金救援期”。面對未知的災情，第一時間獲取災情信息是搶險救災的首要問題。然而重大自然災害往往會造成重災區電網癱瘓、信息中斷和道路交通破壞，這些問題對救災工作的展開造成了重大影響[3]。

圖2 我國近年來重大自然災害造成的損失

在2008年汶川發生級大地震時，由于救災車輛及人員無法在第一時間趕赴現場，災情傳遞受阻將導致搶險救災盲目部署。由于震后地形、氣候復雜，需要有人直升機空中勘察，空降人員和空投物資均具有很大的危險，汶川地震中曾發生直升機失事事件，造成嚴重的人員傷亡后果，繼而造成更大的損失和次生災害[4]。

圖3 博物館展出的汶川地震救援中墜毀的直升機殘骸

近年來，隨著汶川地震，日本海嘯等具有嚴重破壞性自然災害的發生以及登山人員在地理形勢不明確的地區被困事件時有發生，通信保障往往成為這些情況下最為緊迫的需求。面對重大自然災害，快速建立一套穩定的通信系統，恢復災區或戰區通信，具有十分重要的戰略意義。應急性自然災害事件具有突發性的特點。因此，要求應急通信系統可以快速反應、迅速展開投入使用；同時，應急事件又具有時效性的特點，應急救援任務結束后，系統可以隨時撤離現場。應急救援現場情況復雜，地點不確定、環境不確定、條件不確定，現有地面設施無法使用或無法提供，傳統通信設施失效，要求應急通信系統需要獨立成網、自成體系（包含供電系統）。

現階段，對于因泥石流、地震、洪漠、海嘯等突發災難或緊急事件，主要的解決方案是應用地面設備加以解決，例如大功率的臨時通信車，或在較高的地面、建筑物上架設臨時基站等。

圖 4 地面應急通訊保障車

這些方案由于設計與普通基站的差別不大，存在較大的技術復用性，因此具有技術難度較低，硬件成本較低的優點。但是也存在著架設速度較慢，人工成本嚴重依賴地面交通情況，部署慢，無法到達所有區域等等不足。

隨著近年來人們對臨時移動通信網絡建立、維護的速度要求越來越高，對整套方案的快速、全域到達、成本等方面的要求越來越嚴格，傳統方案的局限性正在逐步凸顯出來，主要體現在以下兩方面：

1）從方案性能方面來說，速度上，傳統方案的建立、維護存在著建設速度偏慢的不足，一般從建立到調試完成至少需要一天。從機動性上來說，傳統方案的移動性較差，雖然臨時通信車可移動，但是一旦路面損壞，就基本喪失了機動能力。

2）從方案成本方面來說，通信設備的單位性能成本受摩爾定律的影響正在快速下降，而人力成本卻在隨著中國經歷劉易斯拐點后勞動力逐漸短缺而導致的勞動力成本上升而不斷上升。從綜合成本來看，地面方案正在快速喪失原本具有的成本優勢。

無人機基站是無人機與其搭載的無線通信模塊的合成體，其兼具無人機的機動特性和無線傳輸特性。無人機通信具有長距離、高機動性、靈活部署和低延遲等特點。無人機基站作為一種機動靈活的通信服務設施，被廣泛地應用于當前的無線通訊服務中，特別是在通信設備故障或自然災害的搶險通信服務中[5,6]。

無人機基站可以為各種場景提供可靠、經濟、高效的無線通信解決方案。一方面，無人機基站可以作為空中基站，向所需區域提供可靠、經濟、按需的無線通信服務；另一方面，無人機基站可以作為空中中繼，實現遠距離用戶設備之間的數據信息共享。地面基站的局限性（如基站數量限制、無線信號傳輸距離、偏遠山區信號強度、用戶密集區域的超容量數據請求和特殊環境下的通信請求等）給當前的無線通信網絡服務帶來更多挑戰[7,8]，無人機基站作為一種可以自主飛行的移動通信設備，為解決上述限制問題提供了一種新的解決方案。相較于傳統的地面應急通訊方式，空中通訊系統的主要優勢包括：

1）能夠抵達通信車無法到達的位置，極大地避免地形影響帶來的通信質量及效率下降問題。

2）極快的部署速度，甚至可以在災害結束之前抵達指定部署位置，盡可能快地收集、掃描人員分布情況，爭取極其寶貴的時間和救援信息。

3）更靈活的部署方案，根據各區域災情的不同，無人機可以在空中直接移動，同時調整資源分配策略。

4）無人機基站的快速部署能力較強，搭建成本較低；

5）在有信號覆蓋區域，無人機基站可作為中繼擴大信號的覆蓋范圍，在無信號覆蓋區域，無人機基站可提供信號覆蓋；

6）無人機基站的動態移動特性可根據地面用戶的分布變化自由調整，以提高網絡性能和網絡連通性；

7）無人機基站可以用作宏基站層和小基站層之間的中間空中節點，以提高覆蓋率和通信容量；

8）與地面網絡相比，無人機基站可以建立直接的視距通信，提高網絡通信性能。

因此，應用無人機系統建立空中應急通訊系統是理想的方式。無人機系統建立空中應急通訊系統的平臺載體有固定翼無人機平臺和旋翼式無人機平臺。

圖 5 固定翼和旋翼式無人機平臺通訊應急系統

固定翼無人機具有航程遠(1500km以上)、航時長(10h以上)、部署機動靈活(巡航速度150km/h以上)等特點，可以滿足定點地區快速應急通訊的需求。固定翼無人機空中通訊中繼系統組成如圖 6所示。

圖 6 固定翼無人機空中通訊中繼系統組成

在接到任務指令后，無人機空中通訊系統可以從存放地緊急升空，靠自身航程快速機動到任務區域，實現最快速度恢復通訊的目的。同時，后續空中平臺可以機動到任務區域前沿，通過彈射起飛的方式，實現后續通訊平臺的部署任務。通過多架空中平臺的協同中繼，可以實現較大范圍、較遠距離的通訊需求。同時，備份無人機可以接替燃料用盡的平臺，從而實現長時間無間斷的通訊保障。

相較于旋翼式空中通訊中繼平臺，固定翼無人機空中通訊系統具有以下優勢：

1）更加方便的機動靈活部署

相較于旋翼無人機，固定翼無人機飛行速度更快，可以從較遠的距離上快速機動到指定任務區域。

2）更大的使用范圍

相較于旋翼無人機，固定翼無人機航程更遠，可以在大范圍內使用。另外，固定翼無人機能源效率更高，具有搭載更大的通訊任務載荷設備，使其具有更大范圍內的通訊保障能力。

3）更長的空中使用時間

相較于旋翼無人機，固定翼無人機航時更久，可以實現長時間的任務需求。相較于旋翼不足一個小時的航時，固定翼無人機的留空時間可以達到10個小時以上，甚至更長。如果有輪換無人機，則可以實現長時間無間斷的通訊保障需求。

因此，固定翼無人機空中通訊系統具有其它應急保障通訊系統所無法比擬的優勢。

2 研究現狀

無人機上搭載的中繼通信平臺可以快速有效針對特定區域建立通信網絡，為救災等特殊情況爭取寶貴時間。空中中繼平臺利用空中設備進行信息傳送，可以跨越復雜地形且傳輸距離遠。搭載中繼通信平臺的多架無人機作為飛行編隊集中控制，使得通信可靠性更強，性能更好，已經成為業界越來越多的人們的研究對象。在空中中繼系統中，對無人機編隊的有效控制，是保障中繼通信網絡的穩定性的關鍵。

國內外的許多研究機構在無人機輔助通信上進行了深入的研究。例如，美國Facebook公司的Aquila項目[9]，該項目利用固定軌道飛行的無人機高空通信平臺向偏遠地區提供無線網絡覆蓋。Aquila無人機使用太陽能電池板自動供電，并配備自動控制系統用于調整航線和飛行參數（如航向、高度、空速等）。不同于Facebook公司的Aquila項目，美國Google公司的Loon項目[8]使用平流層飛行的氣球，搭載無線通信設備為偏遠地區提供無線網絡通信服務。相比于高空平臺，諾基亞公司的F-Cell項目[9]。通過部署小型太陽能無人機基站實現高吞吐量、低能耗的無線通信基站快速部署。此外，高通公司和AT&T正計劃部署無人機，以便在第五代無線網絡中實現大規模無線通信。華為的無線X實驗室于2017年啟動了“數字天空”計劃，以推動無人機輔助通信在實際生活場景中的應用。

在無人機輔助通信的應用方向，基站數量受限、傳輸距離遠、部分偏遠地區信號差和通信產生的大量數據給目前通信網絡的性能帶來許多挑戰。無人機作為一種可以自主飛行的移動設備，為解決上述問題提供了一種新的解決方案。無人機輔助通信的優勢在于無人機可以隨時隨地地進行快速部署，并根據系統需求及時調整。無人機基站作為新興的無線通信技術手段具有廣泛的應用空間：可以作為移動中繼或基站；可以用于改善蜂窩網絡中的網絡連接和覆蓋；可以為遠距離區域或服務請求量大的區域提供通信支持；可以顯著提高移動自組織網絡或無線傳感器網絡的性能等。

(1) 無人機輔助中繼

在無人機輔助通信中，無人機可以作為移動中繼改善網絡性能。與傳統的地面中繼相比，無人機中繼具有成本低、部署靈活、機動性強和適用性強等特點。嚴曉琴等[10]提出了一種無人機中繼通信系統功率分配算法，以最大化系統能效為目標對功率進行最優分配。方斌等[11]將中繼鏈路的最優鏈路代價問題，構建為一個需求與供給的微分對策問題，同時給出幾何法的求解方式。為優化無線通信性能，Zhan 等[12]提出將無人機作為無線網絡基站和地面終端之間的中繼設備。Yong 等[13]以無人機中繼系統吞吐量最大化為目標，對無人機軌跡和功率分配問題進行了研究。為提高移動自組網絡的服務范圍和可靠性，Palat 等[14]研究了很多無人機中繼的協同優化問題。朱秋明等[15]以信道隨機衰落對中繼信號覆蓋區域影響為出發點，給出了一種基于信號中斷概率的最大化中繼平臺覆蓋范圍模型。吳高峰等[16]給出了一種多項式時間中繼布置算法，用于解決在鏈路有效性和安全性約束條件下的中繼節點最優布置問題。Li 等[17]給出網絡傳輸時延最小化的中繼策略。針對存在通信盲區和無人機使用數目受限條件下的無人機通信鏈路質量優化問題，方斌等[18]將通信中繼鏈路中無人機部署問題形式化表示為多條路徑優化問題，通過最短路徑算法給出無人機通信中繼鏈路構建問題的解決方案。

(2) 無人機輔助無線傳感器網絡

無線傳感器網絡在當前生產生活中有著廣泛的應用，如區域監測、醫療保健監測、自然災害預防和水質控制等。同時，無線傳感器網絡也面臨眾多挑戰，如功耗限制、低處理能力和有限的節點存儲容量等。裝載無線設備的無人機系統為無線傳感器網絡中存在的挑戰提供了解決方案。無人機輔助通信可以有效的降低無線傳感器網絡能耗，提高網絡吞吐量和延長服務壽命[19]。無人機輔助通信在改善無線傳感器網絡性能方面備受國內外研究學者關注。在農業領域，Polo 等[20]設計了一種低成本無人機無線傳感器網絡，利用無人機的機動性收集數據和檢測地面節點的變化。Ma等[21]設計了一種用于無線傳感器網絡的無人機輔助數據采集方案，并以傳感器與無人機之間的數據傳輸速率和持續時間為優化問題，給出了四種數據采集算法。Jawhar 等[22]以降低數據傳輸能耗和減少多跳數據路由干擾為目標，提出了基于無人機的數據采集框架，并給出一種基于循環需求驅動策略的無人機路由算法。Mohamed 等[23]對無人機無線傳感器網絡的數據采集、監測和可靠性保證問題進行了研究。針對無人機中繼過程中可能出現的通信中斷、失真等問題，符小衛等[24]以通信延時為性能指標，給出優化信息傳輸的路由選擇模型。胡續俊等[25]綜合考慮無人機自身運動姿態和環境因素的影響，給出了一種基于兩跳中繼鏈路的傳播模型。

(3) 無人機輔助移動自組網絡

無人機的高度機動性特點同樣適用于優化移動 Ad-hoc 網絡性能。在 Ad-hoc 中，部分節點被視為骨干節點[26]負責 Ad-hoc中節點的運動和位置協調，并為斷開的子網提供通信連接。無人機可作為 Ad-hoc中的骨干節點，提升網絡的連通性、可擴展性、負載平衡和網絡可靠性[27]等。S. Park 等[28]針對災后地面 Ad-hoc 網絡的重建問題，提出了一種分布式覆蓋路徑規劃算法和路由拓撲發現方案，利用無人機將空中無線鏈路補充到損壞的地面網絡中快速有效的恢復和提高網絡數據傳輸效率。此外，無人機還可以通過最小化路由開銷來提高無線 Ad-hoc 的性能，從而減少能耗和提高吞吐量[29]。無人機的移動性部署策略應考慮 Ad-hoc 網絡的高動態性和自主拓撲結構，以最大限度地減少數據包延遲，提高網絡的可擴展性。

(4) 無人機輔助車載自組網絡

車載自組織網絡(Vehicular Ad-hoc Network, VANET)是移動自組網絡的一個子類，傳統的車輛自組網絡通信方式分為車對車通信和車對路通信。VANET旨在為道路使用者提供安全管理、交通管理和互聯網應用等服務[30]。隨著移動車輛數量和數據交換量的不斷增加，如何在車輛高機動性和各種障礙物影響的復雜環境中，優化數據吞吐量和無線通信服務成為VANET應用研究中的關鍵問題。無人機輔助通信為上述問題提供一種有效地解決方案，用于支持和協助車輛進行通信。無人機輔助通信可以有效的增強VANET網絡的可擴展性、生存性和覆蓋范圍[31]。郭芳等[32]給出一個最小傳輸速率最大化的無人機飛行軌跡的優化策略，用于滿足被服務車輛的通信公平性需求。針對車輛移動性對VANET網絡通信的挑戰，Omar等[33]提出了一種車輛自組織網絡路由技術(UAV-Assisted VANET Routing Protocol, UVAR)用于為城市環境中車輛之間數據傳輸提供一種高效的路由解決方案。在雙向公路VANET網絡上，Seliem等[34]給出一種車輛與無人機通信包傳輸延遲概率分布表達式，并以最小化車輛與無人機數據包傳輸延遲為目標函數提出一種路由協議，用于提升車輛自組網絡通信性能，改善城市地區道路安全和流量。

(5) 無人機空中基站

當網絡擁堵或網絡中斷的現象發生時，一個快速有效的臨時移動基站就變得非常必要。無人機空中基站因其具有成本低、速度快和部署靈活等優勢，對上述問題給出了一個完美的解決方案。Mozaffari等[35-37]分別研究了無人機基站通信中下行鏈路的最優化覆蓋率空間部署問題；上行鏈路的用戶最小能耗部署優化問題；下行鏈路的最優化傳輸速率問題和下行鏈路的最優化能耗傳輸問題。Lyu 等[38]提出一種基于用戶需求的空中基站部署策略，以最小化空中基站數量實現最大化地面用戶覆蓋。Soorki 等[39]以最小化上傳鏈路用戶能源消耗為目標，建立空間無人機基站部署優化模型。Ayyagari 等[40]以最大化覆蓋率為目標，提出一種使用無人機的快速部署無線移動通信網絡。

(6) 啟用緩存的無人機

網絡緩存可以有效的提高網絡通信服務性能、減少了傳輸時延和提高用戶的吞吐量[41]。對于靜態地面節點，只有將所請求的內容緩存在多個節點中，移動用戶才能夠獲得有效的緩存服務。然而面對緩存空間的限制和用戶的移動性，靜態網絡節點的緩存可發揮的實際效用較小。動態的無人機空中基站緩存為上述問題的解決給出了一個全新的視野空間。無人機基站可搭載無線通信模塊和緩存文件，有針對性的為用戶提供高效的移動緩存服務。Ba tu 等[41]以中斷概率和平均內容傳送率作為目標，構建了一種無人機緩存模型。Zhao 等[42]研究了無人機輔助下的視頻文件在高密度網絡中的安全高速緩存和傳輸模型。Wang 等[43]給出了一種無人機輔助超密集網絡通信中的能效緩存模型。Xu 等[44]利用了用戶主動緩存技術，提出了一種以內容為中心的無人機通信緩存方案。Chen[45]提出了一種基于概念回聲狀態網絡的機器學習算法，用于關聯用戶行為和無人機緩存以提升無人機輔助通信的性能。

(7) 無人機作為飛行無線回程

在無線網絡通信中，無線回程主要用于從邊緣網向核心網傳輸數據。在距離和干擾等因素的影響下，無線回程的通信速率[46]受到很大限制。為解決由于無線接入距離過遠而導致的信號衰減問題，必須使用功率更大的無線電或者成本更高的大天線來提高鏈路增益。無人機的低成本和靈活部署方式讓飛行無線回程成為一種可行的方案。Nguyen 等[47]考慮了一種新的雙層無線回程網絡模型，并采用時譜傳輸調整方案優化無線回程。Challita 等[48]提出了一種按需飛行網絡的無線回程方案，構造一個多跳回程網絡以改善回程性能。具體來說，無人機可以快速部署，以取代地面網絡受損的有線回程。當無人機處于提供通信服務的最佳位置時，它可以提供可靠、高效的通信鏈路。

(8) 無人機輔助物聯網通信

人工智能的興起和發展使物聯網成為當前網絡的重要組成部分[49]。物聯網是一個龐大的異構應用網絡，它包含執行器、傳感器、云計算和嵌入式計算的大型物理設備。物聯網設備發揮作用的基礎是反應快、延時低和可靠性強的無線通信[50]。Li等[51]研究了無人機輔助通信中的空對地遠程物聯網上行通信中的能量有效分配問題，通過聯合優化子信道選擇、上行鏈路發射功率控制和無人機中繼部署來最大化系統能量效率。無人機低成本和高機動性被認為是解決物聯網設備之間能源限制和距離限制的一個有效方案[52, 53]。Mozaffari 等[53]研究了多架無人機作為地面物聯網設備數據采集的空中基站的最優軌跡和部署問題。與地面基站不同的是，無人機可以根據物聯網設備激活的模式，動態更新其位置，從而有效增強大規模物聯網網絡的通信能力。

無人機作為低成本和快速部署的移動性基站，為眾多無線網絡瓶頸問題提供了新的解決方案。無人機輔助通信將在未來無線通信活動中發揮更重要的作用和扮演更重要的角色。當前，無人機輔助通信相關技術研究仍處于起步階段，很多關鍵性的問題仍有待解決，特別是結合實際需求的無人機部署問題。

無人機輔助通信的優勢主要體現在無人機基站的機動性，即無人機基站可以根據用戶需求隨時隨地做出空間位置調整，以獲得更好的系統服務性能。無人機的飛行軌跡受空間障礙物、能量約束、地面用戶需求和高空管制等多方面因素限制。用戶需求是無人機輔助通信的目標，無人機軌跡應根據系統吞吐量、能量和頻譜效率以及延遲等關鍵性能指標進行優化。

在以系統下載速率為目標的無人機軌跡優化問題上，Zeng 等[6]通過聯合優化信號功率和中繼軌跡，解決了移動中繼系統中的吞吐量最大化問題，同時給出對于固定中繼軌跡，隨著時間的推移，吞吐量最優的源/中繼功率分配遵循“階梯式”注水結構。Jiang 等[54]分析了單無人機基站向多個用戶提供通信服務場景下的無人機航向和系統速率關系模型，以最大系統上行鏈路速率為目標，給出了一種動態調整無人機航向的算法。Mozaffari 等[55]分析了無人機輔助物聯網設備上行鏈路通信模型，以最小化物聯網設備的總發射功率為目標，優化無人機的布局和移動性。作者根據每一時刻物聯網設備的位置確定無人機的最佳關聯位置，進而在時變網絡中動態地為物聯網設備服務。Wu 等[56]從用戶之間通信性能均衡角度出發，通過優化無人機的軌跡和功率，使下行鏈路通信中所有地面用戶的最小吞吐量最大化，并給出了一種基于簡單圓軌跡和圓填充方案的無人機軌跡設計方案。Chowdhury 等[57]分析了持續時間約束條件下的無人機最優軌跡問題，目的是使蜂窩系統速率最大化，并采用動態規劃算法來優化無人機軌跡。

在以能效優化為目標的無人機軌跡優化問題上，Zhang等[58]研究了多無人機中繼系統中最大化用戶吞吐量問題，通過優化無人機軌跡和發射功率實現系統性能最優。Ruan等[59]提出了一種基于能效的多無人機網絡覆蓋部署模型。作者將系統覆蓋率最大化和功率最小化構建為博弈模型，并采用基于空間自適應博弈的多無人機節能覆蓋部署算法對無人機軌跡進行優化。Zhan等[60]構建了一個無人機輔助多物聯網設備的聯合優化模型，模型以最小化能量消耗為目標同時給出軌跡的迭代優化解。Franco等[61]提出了一種基于能量感知的路徑規劃算法，該算法在滿足覆蓋率和分辨率等一系列要求的同時，將能量消耗最小化。Grotli等[62]綜合考慮無人機路徑中的飛行干涉、禁飛區和高度等限制條件，以服務性、安全性和能效性為目標建立軌跡優化模型，并采用混合整數線性規劃算法得到優化的軌跡路徑。

在以相關性能優化為目標的軌跡優化問題上，Han等[63]研究了如何利用無人機提高移動自組網絡的連通性問題，通過量化四種網絡連通性：全局消息連通性、最壞情況連通性、網絡二分連通性和k連通性，制定無人機的部署和移動策略。Zhao等[64]分析了無人機飛行軌跡與系統通信性能之間的關系，針對單無人機場景，給出了一種頻率相關三維信道模型；針對多無人機場景，給出了一種協同通信優化模型。

Fotouhi等人[65]提出了一種分布式無人機軌跡優化算法，該算法將干擾信號、移動用戶的位置和用戶的接收信號強度作為模型的約束條件，優化得到無人機基站移動的最佳方向。Khabbaz等[66]分析了無人機輔助車輛通信情景下的無人機路徑與系統延時和連通性的關系模型，旨在開發智能無人機來提高車載網絡的數據通信性能。作者根據無人機路徑可用性和數據傳輸延遲之間的關系建立數學模型，用以優化無人機路徑。