物聯(lián)網(wǎng)無人機應(yīng)用典型架構(gòu)及實現(xiàn)的技術(shù)難點詳細介紹

物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用無人機可從空中實現(xiàn)服務(wù)投遞為目的的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及包括視頻監(jiān)視、傳感數(shù)據(jù)收集、救災(zāi)應(yīng)急通信、智能交通等在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)增值服務(wù)。對于物聯(lián)網(wǎng)無人機應(yīng)用，首先對其典型架構(gòu)及其特點作了詳細介紹；詳細分析了物聯(lián)網(wǎng)無人機應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)；最后對其未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）自首次提出以來，引起了學術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)旨在通過將體域網(wǎng)、D2D通信、無人機網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，實現(xiàn)萬物互連，可在任意地點、使用任意網(wǎng)絡(luò)來提供任意服務(wù)，具有巨大的民用與軍事應(yīng)用潛力。

無人機（UAVs）已廣泛應(yīng)用于軍事與民用領(lǐng)域。由于其可動態(tài)部署、配置方便、高度自主等特點，無人機在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域同樣扮演著極其重要的角色。無人機通過機載物聯(lián)網(wǎng)裝置（包括傳感器、攝像機、RFID等）實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)的收集，如圖1所示。在物聯(lián)網(wǎng)中，由于部分無線裝置有限的傳輸范圍，無人機可以作為無線中繼用來改善網(wǎng)絡(luò)連接，延伸無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；同時，由于無人機可調(diào)整的飛行高度和可移動性，可以方便高效地收集地面物聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)。目前已有智能無人機管理平臺，可通過各種終端設(shè)備同時操作數(shù)架無人機，按需定制飛行路線，獲取所需用戶數(shù)據(jù)；智能交通系統(tǒng)（ITS）可利用無人機實現(xiàn)交通監(jiān)控與執(zhí)法。此外，無人機也可以作為空中基站來改善無線網(wǎng)絡(luò)容量。谷歌在SkyBender項目中使用無人機利用毫米波技術(shù)試驗了5G互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，速率達到了4G系統(tǒng)的40倍；通過基于無人機的軟件定義無線電平臺可用于基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)癱瘓時的應(yīng)急通信。

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷深入和快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)無人機應(yīng)用由過去單一的服務(wù)投遞（如亞馬遜包裹投遞、電力線路監(jiān)控等）發(fā)展至無人機集群協(xié)同完成的諸多物聯(lián)網(wǎng)增值業(yè)務(wù)（如城市污染監(jiān)控、地質(zhì)災(zāi)害的防治、軍事“蜂群”無人機技術(shù)等），可以完成單一無人機因能量和計算資源受限等無法完成的物聯(lián)網(wǎng)任務(wù)。同時，隨著智慧城市、水下物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、軍事物聯(lián)網(wǎng)、空天地一體網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，均需充分借助無人機技術(shù)有效獲取和傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括地理空間信息、傳感數(shù)據(jù)信息、指控信息等，從而進一步推動包括云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等在內(nèi)的其他物聯(lián)網(wǎng)增值服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)無人機應(yīng)用將對物聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展具有極其重要的意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)無人機應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的多樣性和為用戶提供更好的服務(wù)，無人機應(yīng)用需要研究以下的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 無人機網(wǎng)絡(luò)拓撲控制技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及無人機自身資源的限制，無人機的應(yīng)用逐漸由控制單一無人機轉(zhuǎn)向控制無人機群，協(xié)同實施和完成物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

無人機群所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為飛行自組織網(wǎng)絡(luò)（FANETs），但與MANETs和VANETs相比，有其自身的特點。地面控制站或衛(wèi)星對無人機群網(wǎng)絡(luò)拓撲的控制將直接影響到無人機群的協(xié)同和對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的收集、共享和處理。以下是典型的無人機網(wǎng)絡(luò)控制拓撲，如圖2所示。

（1）星型控制拓撲：在該控制拓撲下，所有無人機直接連接至一個或多個地面控制站（或衛(wèi)星），并由地面控制站（或衛(wèi)星）中繼各無人機之間的數(shù)據(jù)交換，如圖2（a）所示。在該控制方式下可由地面控制站集中式地控制所有單個無人機，在民用領(lǐng)域里有著廣泛應(yīng)用。但隨著無人機群的不斷擴大，存在地面控制站將成為瓶頸節(jié)點并導(dǎo)致更大延時、無人機間無法直接通信等問題。

（2）大星型控制拓撲：在該控制拓撲下，所有無人機劃分為多個組，各個組內(nèi)無人機構(gòu)成一個星型結(jié)構(gòu)并由各組中心節(jié)點直接連接至一個或多個地面控制站（或衛(wèi)星），并由地面控制站（或衛(wèi)星）中繼各組無人機中心節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換，如圖2（b）所示。在該控制方式下允許部分無人機間直接通信，從而可有效減少對下行鏈路帶寬的要求，降低延時等。但由于各無人機組之間無法直接互通和無人機網(wǎng)絡(luò)拓撲的快速動態(tài)變化，存在網(wǎng)絡(luò)魯棒性不足等問題。