曾永玲，黃 斐，楊 梅，吳允楨，張傳碩

（陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引 言

隨著無線信號傳輸信息和能量的研究進一步深入，攜能通信將成為無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。受當前的硬件條件限制，無線攜能通信端到端傳輸效率低。同時，這也限制了攜能通信的發(fā)展。利用無人機的機動性可以在很大程度上解決攜能通信端到端傳輸效率問題。并且在未來戰(zhàn)場上利用無人機解決通信裝備蓄電有限的問題也未嘗不可。因此，無人機在無線通信系統(tǒng)中的應用引起了廣泛關注。

1 概述

1.1 無人機概述

近年來，隨著數字技術飛速發(fā)展，無人機的誕生進一步加速了人們征服天空的進程。無人機是一種“平臺無人，系統(tǒng)有人”的無人駕駛器[1]，在執(zhí)行枯燥、惡劣和危險任務時，相比于有人機具有更大的優(yōu)勢[2]。近年來，無人機的應用越來越廣泛，主要體現在軍事、科研和民用三大領域。在軍事領域，無人機使現代戰(zhàn)爭形態(tài)發(fā)生重大變革，在軍事行動中，無人機常用于執(zhí)行空中偵察、監(jiān)視、電子對抗、戰(zhàn)略打擊、預警等任務。但是，隨著作戰(zhàn)任務越來越復雜，無人機載荷有限，處理信息的能力較弱，遂行軍事任務時也存在不少弊端。執(zhí)行任務的無人機已從單一模式向多無人機協同作戰(zhàn)轉變，集群無人機在多任務、高效率上展現出更大優(yōu)勢[3]。在科研領域，無人機可用于大氣探測、氣象觀測、試驗新設備等。新設備的試驗與測試具有太多的不確定性，利用無人機進行測試，相對地降低人的危險系數。利用無人機進行大氣探測，顯著地加強了我國在高原、沙漠、海洋等人跡罕至的地方的大氣探測能力，給我國氣候研究和天氣預報帶來了突破性的進展。在民用領域，無人機更是催生了新的產業(yè)鏈。在服務業(yè)，利用無人機進行物流配送和送外賣等，大大節(jié)約了人力資源；在農業(yè)上，無人機用于播種、噴灑農藥、農作物監(jiān)測等，為農業(yè)生產開辟了新高度；在其他的一些領域，無人機還可用于環(huán)境檢測、航拍測繪等。總而言之，無人機的出現不但改變了現代戰(zhàn)爭的戰(zhàn)爭形態(tài)，也改變了人們的生活方式及工作模式，對當代人有著極其深遠的影響。

圖1 無人機分類

無人機可按飛行方式、用途、航程、體積高度等多個角度進行分類。圖1按無人機的飛行方式、用途和航程進行了簡要分類。無人機按飛行方式可分為旋翼無人機和固定翼無人機。旋翼無人機的操控性強，可垂直起降和空中懸停，一般用于執(zhí)行低空低速任務，譬如航拍、噴灑農藥等。常見的旋翼無人機有Lutronix公司的Kollibri。固定翼無人機續(xù)航能力強，載重能力強，常用于對無人機性能要求高的軍事領域，譬如空中偵察、戰(zhàn)略打擊等。常見的固定翼無人機有Aero Vironment公司研制的“黑蜘蛛”，Sanders公司研制的微星無人機等。

無人機按用途可分為軍用和民用。隨著高科技武器在戰(zhàn)場的亮相，無人機在最近幾場局部戰(zhàn)爭中捷報頻傳，無人機在作戰(zhàn)中的應用得到高度重視。軍用無人機的高速高機動性為戰(zhàn)場提供了極大的便利，常見的軍用無人機有我國的翼龍無人機，美國的 “全球鷹”等。在民用方面，無人機可用于農業(yè)播種、噴灑農藥、航拍視頻等。大疆、小米、零度等都是國內著名的民用無人機生產商。

無人機的飛行能力也各不相同，無人機按航程可分為：＜50 km為近程無人機，50～200 km為短程無人機，200～800 km為中程無人機，＞800 km為遠程無人機。

1.2 無線能量傳輸研究動態(tài)

為無線網絡提供方便和永久的能源供應，無線能量傳輸是一種很有前途的解決方案。無線能量傳輸也稱無線充電，通常是指電能從電源設備不需要導線連接傳輸到負載的過程。在實際運用中，無線能量傳輸可以通過各種技術實現，如感應耦合、磁諧振耦合和電磁輻射等方式。無線充電的應用從智能手表到手機，從電動汽車到無人機，無線充電的應用還有更廣闊的前景。正是由于無線充電廣闊的發(fā)展前景，使得無線充電行業(yè)生機盎然。我們充分調研了近年來無線能量傳輸的研究現狀，表1是近年來國內外無線充電的部分研究動態(tài)。

表1 無線能量傳輸研究動態(tài)

由表1可以看出，短途的（＜1 m）電力傳輸一般使用近場電磁誘導（如電感耦合、電容耦合），而長距離（幾公里左右）的電力傳輸則要使用遠場電磁輻射的微波或激光遠程。

1.3 攜能傳輸簡介

無線通信的研究推陳出新，由于無線電信號可以同時攜帶能量和信息，因此對同步無線信息與功率傳輸進行了統(tǒng)一研究。如圖2所示，攜能傳輸旨在將無線能量傳輸與無線信息傳輸相結合，實現了利用無線電信號傳遞能量和信息的雙重用途。接收端通過某種解調方法分別解調出能量和信息，完成信息和能量的并行傳輸，并且還可能達到“1+1＞2”的結果。

圖2 攜能傳輸示意圖

文獻[11-13]分析了固定接入點的攜能傳輸，在文獻[11]中，主要是考慮了時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）兩種多址方式進行信息傳輸。在接收端，由于從無線電信號中獲取能量的電路還不能直接解碼所攜帶的信息這一實際局限性，每個用戶都使用時間開關或功率分裂來協調能量獲取和信息解碼過程。文獻[12]研究的是一種由三個節(jié)點組成的多輸入多輸出無線廣播系統(tǒng)，其中一個接收端獲取能量，另一個接收端對同一發(fā)射機發(fā)出的信號進行獨立的信息解碼，所有的發(fā)射機和接收機都可以配置多個天線。該文獻研究了兩種實際設計的共定位接收機的情況下，即時間開關和功率分裂，并描述了他們的可實現的速率-能量區(qū)域與外部界限的比較。對于接收機如何進行攜能傳輸中信息和能量的處理，文獻[13]提出了動態(tài)功率分割，它將接收到的功率比可調的信號分開進行能量采集和信息解碼。研究了動態(tài)功率分配的三種特殊情況，即時間開關、靜態(tài)功率分裂和開關功率分裂。

無人機與攜能傳輸的發(fā)展方興未艾。而此時將無人機與攜能傳輸相結合，無人機攜能傳輸則開啟了通信領域的新大門。無人機攜能傳輸立足于靈活機動的無人機，搭載能量傳送設施及通信設施，給接收設備傳輸信息的同時傳送能量。無人機攜能傳輸將解決許多無法進行有線充電和人為更換電池的設備的能量供給問題，在未來戰(zhàn)場上也有著更加廣闊的應用空間。無人機攜能傳輸是通信技術和能量傳輸技術融合發(fā)展的產物，攜能傳輸是無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，無人機攜能傳輸是未來戰(zhàn)場通信保障的曙光。

2 無人機攜能傳輸研究進展

近年來，無線網絡的發(fā)展如火如荼，但是傳統(tǒng)蜂窩式基站也有其難以克服的缺點，例如邊遠山區(qū)的信號覆蓋問題。無人機由于其高機動性和隨機應變的部署靈活性，在信息技術應用領域越來越受歡迎。利用無人機在全球提供無處不在的互聯網接入。有人提出利用無人機作為基站向地面用戶提供無線服務[14]，與傳統(tǒng)地面基礎設施相比，無人機可以快速部署為無線用戶提供服務，并且不受地理條件的限制。與此同時，無人機可以攜帶能源，甚至可以作為電源向無線節(jié)點充電，從而延長網絡的壽命。典型的應用包括無法進行有線充電無線傳感器網絡和物聯網。本文將無人機在無線通信系統(tǒng)中的應用分為信息傳輸、能量傳送和攜能通信三種，接下來將從這三個方面分別進行論述。

2.1 無人機傳輸無線信號

為了提高網絡覆蓋范圍和滿足日益增長的數據流量需求，無線網絡的部署已經從傳統(tǒng)的二維平面轉向三維空間。無人機在空中可以靈活調整自身位置，獲得更有利的信道條件。利用無人機作為移動基站傳輸無線信號比傳統(tǒng)基站更具優(yōu)勢，采用多個無人機空中基站為地面的一組用戶服務[15]，為無線信號的穩(wěn)定可靠提供保障，增強用戶體驗。無人機在飛行過程中同時為多個地面節(jié)點提供無線信息服務[16]。利用無人機實現靈活和高效的移動數據傳播，監(jiān)視系統(tǒng)中靈活和有效的數據傳播空間分散的物聯網設備[17]。表2列舉近年來無人機傳輸無線信號的部分研究內容。

表2 無人機傳輸無線信號研究進展

2.2 無人機傳輸無線能量

由于射頻信號遠距離傳輸損耗嚴重，實際的 無線能量傳輸系統(tǒng)大覆蓋范圍的性能從根本上受到端到端功率傳輸效率低的制約。因此，為了給分布在大區(qū)域的大規(guī)模低功耗的能量接收器提供無所不在的無線能量，需要以超密集的方式部署固定位置的能量發(fā)射器。然而，這將極大地增加成本，從而阻礙未來無線能量傳輸系統(tǒng)的大規(guī)模部署。為了緩解這一問題，文獻[18]提出一種全新的無線能量傳輸系統(tǒng)架構，利用無人機作為移動能量發(fā)射器。無人機傳送無線能量的研究層出不窮，利用無人機傳輸無線能量為一個無人機上的能量發(fā)射器向地面多個能量接收器廣播發(fā)送無線能量[19]，文獻[20]基于雙用戶場景，研究了無人機軌跡對能量區(qū)域的影響。表3對以上三個文獻的研究內容進行具體描述。

表3 無人機傳輸無線能量研究現狀

2.3 無人機攜能傳輸

攜能通信實現了能量與信息的并行傳遞，但是固定設施的攜能通信信號衰減嚴重。無人機攜能傳輸利用無人機的機動性可以 靈活調整傳輸距離及傳輸鏈路， 增強端到端的信息和能量傳輸的傳輸效率。圖3是近年來攜能傳輸的部分研究方向。

圖3 攜能傳輸研究歷程

文獻[21-23]研究的是基于無人機的攜能通信，文獻[22]研究了一種無人機輔助無線動力通信網系統(tǒng)，無人機通過在下行鏈路傳輸無線能量信號對地面終端進行充電。然后，利用從無人機采集的無線能量，地面終端向無人機發(fā)送上行無線信息信號。在文獻[22]中，作者考慮了兩架無人機分別作為能量接入點和信息接入點，能量傳輸和信息解碼分別在兩架不同的無人機上進行。文獻[21]研究了一種無人機無線通信網，將無人機作為移動接入點定期給地面用戶發(fā)送能量。無人機采用無線射頻無線功率傳輸通過下行鏈路給用戶充電，用戶利用采集到的射頻能量通過上行鏈路向無人機發(fā)送信息。文章考慮了在有限的無人機飛行周期內，在最大速度約束和用戶能量約束下，最大限度地提高所有地面用戶的上行吞吐量。文獻[23]研究的是一種典型的協同通信系統(tǒng)，其中一架無人機作為移動中繼，從起始位置飛行到結束位置。無人機具有同步無線信息和功率傳輸功能，初始節(jié)點給無人機同時發(fā)送能量和信息，無人機給終止點發(fā)送信息，無人機的傳輸能力完全由源節(jié)點通過分時機制發(fā)送的無線電信號提供動力。

3 總結與展望

無人機攜能傳輸的研究如雨后春筍?？偨Y而言，其可能的發(fā)展趨勢有以下幾種：

（1）硬件設施。硬件設施的進步表現為兩個方面。第一，現有的解調電路還不能解調出信息的同時收集能量。所以硬件設施的第一個進步表現為設備從無線電信號中獲取能量的電路可以直接解碼所攜帶的信息，即接收端能夠同時對同一接收信號進行信息解碼和能量采集。第二，無線信號的傳輸是發(fā)送端的射頻信號通過天線以電磁波的形式輻射出去，接收端天線將信號接收下來送到接收機。在這個過程中，接收天線接收下來的僅僅是很小的一部分功率。并且天線、傳輸線等硬件設施的損耗對無線信號傳輸有著極大的影響。所以，不論能量傳送還是攜能傳輸，天線等硬件設施的進步都亟不可待。

（2）區(qū)分上下行鏈路。譬如接收端通過上行鏈路給無人機發(fā)送信息，無人機通過下行鏈路給接收端發(fā)送能量。通過這種方式來節(jié)約無人機和接收端資源。這種方式可以應用于物聯網、傳感網等能量需求較小的節(jié)點。譬如在無線傳感網絡中，無人機通過下行鏈路給傳感器提供能量，傳感器通過上行鏈路向無人機傳送收集到的信息。

（3）時間開關與功率分割綜合運用?，F有的研究主要是接收端應用時間開關或功率分割。所謂時間開關，是指接收端將接收到的信號要么由能量接收端處理以獲取能量，要么由信息接收端處理以進行信息解碼。功率分割，是指接收端通過功率分配器將接收到的信號分割成兩個功率比固定的信號流，一個流到能量接收端，另一個流到信息接收端。這兩種方式不同于傳統(tǒng)的無線網絡，傳統(tǒng)的無線網絡中所有的用戶只包含信息接收器，使用功率分割和時間開關意味著每個用戶都包含一個額外的能量接收器從接收到的信號中獲取能量。在未來的無人機攜能傳輸中，這兩種方式極可能融合發(fā)展。在發(fā)射端使用TDMA或OFDMA來進行無線信號傳輸，接收端綜合使用時間開關和功率分割來協調能量獲取和信息解碼過程。

綜上分析，硬件設施的進步無疑是無人機攜能傳輸甚至是無線通信系統(tǒng)最好的解決方案，但硬件設施的進步依賴于材料工程的發(fā)展。所以，硬件設施是目前的無人機攜能傳輸研究中最大的突破點。在目前的硬件基礎上，無人機攜能傳輸的研究還有很大的發(fā)展空間。不論是綜合使用時間開關和功率分割來協調能量獲取和信息解碼過程，還是通過上下行鏈路分別發(fā)送信息和能量，它們都有各自的應用前景，都有進一步研究的價值。