物聯網無人機應用典型架構及實現的技術難點詳細介紹
2021年4月2日 15:00瀏覽：2190
物聯網中應用無人機可從空中實現服務投遞為目的的物聯網業務以及包括視頻監視、傳感數據收集、救災應急通信、智能交通等在內的物聯網增值服務。對于物聯網無人機應用，首先對其典型架構及其特點作了詳細介紹；詳細分析了物聯網無人機應用關鍵技術；最后對其未來的發展趨勢進行了展望。
物聯網（Internet of Things）自首次提出以來，引起了學術界與工業界的廣泛關注。物聯網旨在通過將體域網、D2D通信、無人機網絡、衛星網絡等多種網絡技術相融合，實現萬物互連，可在任意地點、使用任意網絡來提供任意服務，具有巨大的民用與軍事應用潛力。
無人機（UAVs）已廣泛應用于軍事與民用領域。由于其可動態部署、配置方便、高度自主等特點，無人機在物聯網領域同樣扮演著極其重要的角色。無人機通過機載物聯網裝置（包括傳感器、攝像機、RFID等）實現對物聯網用戶數據的收集，如圖1所示。在物聯網中，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絡連接，延伸無線網絡覆蓋范圍；同時，由于無人機可調整的飛行高度和可移動性，可以方便高效地收集地面物聯網用戶數據。目前已有智能無人機管理平臺，可通過各種終端設備同時操作數架無人機，按需定制飛行路線，獲取所需用戶數據；智能交通系統（ITS）可利用無人機實現交通監控與執法。此外，無人機也可以作為空中基站來改善無線網絡容量。谷歌在SkyBender項目中使用無人機利用毫米波技術試驗了5G互聯網應用，速率達到了4G系統的40倍；通過基于無人機的軟件定義無線電平臺可用于基礎設施出現癱瘓時的應急通信。
隨著物聯網應用的不斷深入和快速發展，物聯網無人機應用由過去單一的服務投遞（如亞馬遜包裹投遞、電力線路監控等）發展至無人機集群協同完成的諸多物聯網增值業務（如城市污染監控、地質災害的防治、軍事“蜂群”無人機技術等），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網任務。同時，隨著智慧城市、水下物聯網、車聯網、軍事物聯網、空天地一體網絡等物聯網應用的興起，均需充分借助無人機技術有效獲取和傳遞相關數據信息，包括地理空間信息、傳感數據信息、指控信息等，從而進一步推動包括云計算、大數據、人工智能等在內的其他物聯網增值服務。物聯網無人機應用將對物聯網未來的發展具有極其重要的意義。
為了適應物聯網發展的多樣性和為用戶提供更好的服務，無人機應用需要研究以下的關鍵技術。
隨著物聯網技術的發展以及無人機自身資源的限制，無人機的應用逐漸由控制單一無人機轉向控制無人機群，協同實施和完成物聯網服務。
無人機群所構成的網絡稱為飛行自組織網絡（FANETs），但與MANETs和VANETs相比，有其自身的特點。地面控制站或衛星對無人機群網絡拓撲的控制將直接影響到無人機群的協同和對物聯網數據的收集、共享和處理。以下是典型的無人機網絡控制拓撲，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（或衛星），并由地面控制站（或衛星）中繼各無人機之間的數據交換，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，在民用領域里有著廣泛應用。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點并導致更大延時、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，各個組內無人機構成一個星型結構并由各組中心節點直接連接至一個或多個地面控制站（或衛星），并由地面控制站（或衛星）中繼各組無人機中心節點之間的數據交換，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絡拓撲的快速動態變化，存在網絡魯棒性不足等問題。
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