陳新穎① 盛 敏② 李 博③ 趙 楠*①

①(大連理工大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 大連 116024)

②(西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

③(哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 威海 264209)

摘 要：5G的成功商用為日常生活帶來了實(shí)質(zhì)性的變化，如自動駕駛、萬物互聯(lián)等，然而隨之也產(chǎn)生了更大的數(shù)據(jù)量需求，進(jìn)而催生了第6代移動通信。相較于5G，6G在帶寬、時延、覆蓋等性能方面均需要有更大的提升。因此，該文針對全域覆蓋、場景智聯(lián)、信息耦合的6G網(wǎng)絡(luò)中無人機(jī)(UAVs)的應(yīng)用場景進(jìn)行了綜述。首先，針對無人機(jī)在空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了陳述，重點(diǎn)討論了無人機(jī)在不同場景中可能承擔(dān)的角色及功能，如蜂群基站、全息投影部署、遠(yuǎn)距離中繼通信以及數(shù)據(jù)采集等。然后，對6G中應(yīng)用于無人機(jī)通信的太赫茲、超大規(guī)模天線、內(nèi)生人工智能、智能反射面(IRS)、智能邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈、通信感知一體化等潛在關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。最后，對6G場景下無人機(jī)通信面臨的續(xù)航時間、網(wǎng)絡(luò)融合性、智能反射面兼容性、太赫茲通信研發(fā)以及用戶安全等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：6G移動通信；無人機(jī)；空天地海一體化；太赫茲；智能反射面

1 引言

2014年5月，5G白皮書提出“信息隨心至，萬物觸手及”的愿景并預(yù)測隨之而來的5G之花的盛放[1]。然而，處于4G中的人們還無法想象1 Gbps的高傳輸速率、毫秒級別的低時延、平方公里百萬連接的廣覆蓋以及500 km/h的高移動性將要如何實(shí)現(xiàn)。直至2020年5G在全國范圍內(nèi)成功商用，人們體驗(yàn)到了5G網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邘挕⒌蜁r延、廣覆蓋和大連接等優(yōu)勢，這也極大促進(jìn)了車聯(lián)網(wǎng)[2]、自動駕駛[3]等技術(shù)的快速發(fā)展。5G的蓬勃發(fā)展使人類生活更為便捷與多姿多彩，但同時也使數(shù)據(jù)傳輸呈指數(shù)級增長。相關(guān)研究報(bào)告預(yù)計(jì)，到2022年移動數(shù)據(jù)流量將會達(dá)到2.57EB/d[4]，加之日漸興起的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)對超高速率無線數(shù)據(jù)傳輸超低時延的要求，如自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等，目前廣泛開展的5G相關(guān)技術(shù)已無法滿足新興服務(wù)對現(xiàn)有通信性能的需求。因此，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界均開展了對下一代移動互聯(lián)網(wǎng)的研究。目前廣泛認(rèn)可的6G愿景可以用“一念天地，萬物隨心”來概括[5]，具體可以分為智慧連接、深度連接、全息連接和泛在連接[6]。智慧連接是基礎(chǔ)骨架，以此為基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)深度、全息與泛在連接。6G愿景固然美好，但現(xiàn)有5G技術(shù)仍無法支撐。因此，學(xué)術(shù)界與工業(yè)界又以5G技術(shù)為基礎(chǔ)點(diǎn)，以6G愿景的4大連接為導(dǎo)向，對如何實(shí)現(xiàn)6G“一念”之超低延時、“天地”之深度覆蓋、“萬物”之泛在連接以及“隨心”之智慧互聯(lián)的美好需求進(jìn)行了技術(shù)探索與革新。經(jīng)過前期研究，目前被廣泛認(rèn)可的潛在6G關(guān)鍵技術(shù)主要有太赫茲頻段的應(yīng)用[7]、分布式超維度天線技術(shù)[8]、智能反射面[9]以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生的嵌入式智能[10]等。因此，6G的商用需要在前期對目前地面基站等基礎(chǔ)設(shè)施做出相應(yīng)改變，如天線陣列的增加、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)層處理系統(tǒng)的優(yōu)化配置等。

盡管基礎(chǔ)通信設(shè)施可以基本滿足日常的通信負(fù)荷，然而當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況時或在非常規(guī)的臨時場景中，僅依靠地面無線通信設(shè)施便顯得力不從心，比如：重大自然災(zāi)害的網(wǎng)絡(luò)重建、偏遠(yuǎn)地區(qū)的臨時通信部署、重大節(jié)假日聚集活動現(xiàn)場的無線資源分配等[11]。為了有效提升這些場景中無線通信的質(zhì)量，可以通過部署無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicles,UAVs)來輔助通信[12]。無人機(jī)作為小型飛行設(shè)備，其本身具有的諸多優(yōu)點(diǎn)可使6G移動通信變得更為便捷。因此，無人機(jī)輔助通信是6G移動網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的潛在技術(shù)[13]。

無人機(jī)作為小型飛行器在實(shí)現(xiàn)6G“空天地海”全球立體深度覆蓋中的空域覆蓋起到重要作用[14]。基于其自身的多功能、高移動、易部署和低成本等優(yōu)勢，無人機(jī)可以被用作空域輔助通信平臺，如：在高密度通信用戶場景下，可以部署無人機(jī)作為臨時基站或者中繼來輔助無線通信，增加用戶容量。此外，無人機(jī)也可以作為具有高移動性的終端用戶，在環(huán)境監(jiān)測等場景中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。具體而言，無人機(jī)輔助通信具有如下優(yōu)勢：

(1) 視距信道[15]：無人機(jī)可以懸停或盤旋在空中，因而與地面用戶間的信道主要為直射鏈路。由于可以通過直射鏈路而無需折射或散射，無人機(jī)與地面通信設(shè)備間的信道條件質(zhì)量高、衰減小。因此，通過無人機(jī)輔助，可以有效提升接收端的信噪比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量通信。

(2) 高移動性[16]：無人機(jī)作為小型飛行器，可以通過遙控終端進(jìn)行控制。由于空中并無遮擋且其自身的位置不固定，可以實(shí)時調(diào)整部署以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信。此外，對于一些非突發(fā)但臨時的應(yīng)用場景，無人機(jī)通信也可以方便快捷地部署。

(3) 低成本組網(wǎng)[17]：無人機(jī)可以靈活部署，應(yīng)用于復(fù)雜多變的場景及環(huán)境。由多架無人機(jī)組成的蜂群可以在不同的應(yīng)用場景下構(gòu)建穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，并且可以多次再部署。因而，可以利用無人機(jī)進(jìn)行低成本臨時組網(wǎng)，以應(yīng)對不同類型的需求。

在本文中，首先針對6G移動通信中無人機(jī)的應(yīng)用場景進(jìn)行深入討論與分析；然后，針對無人機(jī)輔助6G移動通信的潛在關(guān)鍵技術(shù)及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了探究。

2 6G中無人機(jī)應(yīng)用場景與功能

我國在5G中開展了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)[18]，這也為6G的演進(jìn)帶來便捷。目前商用的5G移動通信致力于實(shí)現(xiàn)人、物和車之間的互聯(lián)，并解決高信息并發(fā)的超低時延、超大用戶帶寬和超廣域覆蓋的問題。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的深入，5G所提供的傳輸時延、覆蓋范圍、傳輸速率以及運(yùn)算能力仍無法滿足未來的需求。因而，6G移動通信將具備更低的傳輸時延以保障信息傳送的實(shí)時性，更廣域的覆蓋范圍以實(shí)現(xiàn)“空天地海”全維度的泛在互聯(lián)，更快的傳輸速率以實(shí)現(xiàn)流暢的用戶體驗(yàn)，并從外掛式的人工智能進(jìn)化為嵌入式的內(nèi)生智能。本節(jié)首先介紹了無人機(jī)在星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的部署方案，然后對無人機(jī)在6G移動網(wǎng)絡(luò)中所承擔(dān)的角色進(jìn)行具體論述。

2.1 星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中無人機(jī)的應(yīng)用

6G移動通信的根本需求不僅包括以通信功能為主的集智能、感知、安全于一體的移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，還要實(shí)現(xiàn)以人為中心的、多種網(wǎng)絡(luò)相互融合的空天地海無縫覆蓋[19]。其中，無人機(jī)可應(yīng)用于空基網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合衛(wèi)星、地面設(shè)施和海上通信用戶，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場景中的多維度覆蓋、隨時接入與安全連接，具體框架如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)由天基網(wǎng)、空基網(wǎng)、海基網(wǎng)和地基網(wǎng)組成。其中，地基網(wǎng)主要指地面的通信設(shè)備，包括地面的互聯(lián)網(wǎng)和無線設(shè)備。天基網(wǎng)由與地面相對靜止的繞地衛(wèi)星組成。空基網(wǎng)由臨時部署的無人機(jī)、飛艇等組成，這些設(shè)備可以為地面或海面的海基用戶提供中繼服務(wù)，將信息轉(zhuǎn)發(fā)至天基衛(wèi)星。海基網(wǎng)是指海上平臺或在海上運(yùn)行的艦艇、漁船等設(shè)備。由于遠(yuǎn)離陸地，海上平臺在現(xiàn)有的地面基站通信范疇內(nèi)大多處于失聯(lián)狀態(tài)，而通過無人機(jī)的部署，便可實(shí)現(xiàn)海基與陸地控制中心間的通信。

圖1 空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無人機(jī)在6G移動通信中主要起到空基網(wǎng)層面的通信功能。通過在不同場景中部署無人機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)在無線通信網(wǎng)絡(luò)層面的拓展，由地基網(wǎng)的基礎(chǔ)通信拓展至空基網(wǎng)，進(jìn)而可以與天基網(wǎng)的衛(wèi)星或海基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)6G全域覆蓋、場景互聯(lián)的宏觀需求。在空基網(wǎng)絡(luò)中，無人機(jī)較于飛艇、氣球等設(shè)備具有更靈活的操控性。同時，空基網(wǎng)中的無人機(jī)也可以通過配置多天線陣列、智能反射面[20]等收發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)對信息傳輸更有效的控制。此外，由于空地鏈路大概率為視距通信鏈路，因而收發(fā)兩端的功率衰減會更小，接收端的信噪比也更高，這將顯著提升用戶的傳輸速率。另外，由于無人機(jī)具有實(shí)時、便捷部署的優(yōu)勢，可以利用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)基站的臨時部署，以滿足在突發(fā)或臨時情況下密集用戶的無線通信需求。表1給出了6G移動通信不同場景中無人機(jī)通信的關(guān)鍵技術(shù)以及所起到的功能。

表1 6G移動網(wǎng)絡(luò)各種場景中無人機(jī)通信的關(guān)鍵技術(shù)及功能

2.2 無人機(jī)輔助地面移動通信的主要功能

無人機(jī)憑借其自身的高移動、易部署、視距信道等特性[28]，在6G移動通信中將起到重要的作用。地基網(wǎng)和海基網(wǎng)中通常存在大量移動設(shè)備，在某些特殊情況下，僅依靠地面基站無法滿足移動設(shè)備的通信需求。本節(jié)通過介紹無人機(jī)在6G場景中的潛在應(yīng)用對其重要性進(jìn)行闡述。在6G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，無人機(jī)具體的應(yīng)用場景如圖2所示。

圖2 無人機(jī)在6G移動通信中的主要應(yīng)用

2.2.1 無人機(jī)基站蜂群系統(tǒng)

在未來6G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，由于太赫茲、超大規(guī)模天線陣列等技術(shù)的應(yīng)用，加之高分辨率的視頻信息和圖片信息的廣泛需求，終端用戶的通信數(shù)據(jù)量將會顯著增加。此外，在人員高度密集的會展中心、舉辦重要賽事的體育場館等場景中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的多發(fā)數(shù)據(jù)、車聯(lián)網(wǎng)中海量圖片等傳感信息需要上傳并分析計(jì)算，這些均會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)?shù)孛婊緹o法承載時便可借助無人機(jī)進(jìn)行臨時基站部署，分擔(dān)用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.2.2 無人機(jī)全息投影系統(tǒng)

作為6G愿景之一的“全息通信”，是在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)之上拓展出的高保真擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)。由于全息投影系統(tǒng)需要保證用戶從各個角度都能實(shí)現(xiàn)高保真擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)投影的效果，該系統(tǒng)需要多點(diǎn)實(shí)施投影并且各個投影點(diǎn)間相互配合，加之聲效和其他感官效應(yīng)，便可使用戶體驗(yàn)到全息投影的高保真拓展效果。在該場景中，利用無人機(jī)部署各個投影點(diǎn)可以使整個系統(tǒng)更為靈活的部署，并且縮短全息投影的部署時間，給用戶帶來更加多維保真的視覺體驗(yàn)。

2.2.3 無人機(jī)中繼網(wǎng)絡(luò)

6G移動通信中的一個典型場景是“空天地海”無縫全球深度立體覆蓋。目前，盡管5G已經(jīng)致力于陸地移動通信基站的泛在覆蓋，但是海面用戶仍處于與外界孤立的狀態(tài)。因此，6G需要解決海平面的無線覆蓋問題。將無人機(jī)作為中繼引入到海基網(wǎng)通信中，可以保證石油作業(yè)的海上平臺、海面作業(yè)的漁船艦艇等海基通信用戶與外界的信息暢通。此外，由于海上平臺、漁船、艦艇的位置和活動范圍具有臨時性，利用高效、低價、可實(shí)時部署的無人機(jī)作為中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與外界互聯(lián)也具有更高的性價比。

2.2.4 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)具有靈活移動的優(yōu)勢，能夠飛入無人區(qū)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。在野外大面積森林、盆地、冰川、平原等諸多不適宜以人工的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與監(jiān)測的場景下，可以通過部署無人機(jī)，對其飛行軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活采集。同時，受益于6G移動網(wǎng)絡(luò)的大通信帶寬和高傳輸速率等特性，無人機(jī)可以在更短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集，這也從另一方面克服了無人機(jī)續(xù)航時間短所造成的采集時間不足的問題。

3 6G無人機(jī)通信的關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展

6G是在5G的基礎(chǔ)上，對其現(xiàn)有的超低時延、海量連接、超大帶寬等場景需求進(jìn)行拓展，以實(shí)現(xiàn)更高的峰值傳輸速率、更快的用戶體驗(yàn)速率、更低的傳輸時延、更多的接入用戶、更大的移動承載性和更高的頻譜效率。這些指標(biāo)的飛躍需要技術(shù)的全面革新來支持，目前得到業(yè)界廣泛認(rèn)可的6G關(guān)鍵技術(shù)主要包括太赫茲、超大規(guī)模天線陣列、6G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生智能、智能反射面、智能邊緣計(jì)算等。因此，本節(jié)就6G關(guān)鍵技術(shù)在無人機(jī)輔助通信中的應(yīng)用進(jìn)行探究。

3.1 太赫茲通信

作為6G移動通信中最具突破性的技術(shù)，太赫茲被評為改變未來的關(guān)鍵技術(shù)之一[29]。為了滿足數(shù)據(jù)的爆炸式增長，單純利用現(xiàn)有頻段進(jìn)行無線傳輸已無法滿足人們?nèi)粘５臄?shù)據(jù)需求。從現(xiàn)階段的毫米波到未來的太赫茲，無線通信可用頻帶出現(xiàn)了革命性的突破，傳輸速率也將顯著提升。太赫茲頻段為0.1～10 THz，頻率更高，波長更短，這使得波束賦形的主瓣更窄，增加了竊聽的難度，具有更高的安全性。但是，太赫茲相較于前幾代的低頻信號具有更大的衰減，而無人機(jī)通信中的空地視距信道將會極大程度地減弱太赫茲信號的衰減，從而保證通信質(zhì)量。

3.2 超大規(guī)模天線陣列

無線通信可以通過多天線技術(shù)利用信道性質(zhì)以實(shí)現(xiàn)用戶接收端的功率增益[30]。另外，也可以利用天線的方向性通過波束賦形和信號的預(yù)編碼來有效抑制竊聽保證通信的安全。6G移動通信將會在5G的256～1024規(guī)模的天線陣列基礎(chǔ)上更大規(guī)模地對其進(jìn)行擴(kuò)充，預(yù)計(jì)單個基站將會超過10000根天線。由于6G移動通信將采用太赫茲頻段進(jìn)行傳輸，因而即便超大規(guī)模天線陣列在天線數(shù)目量級上十分巨大，其體積也不會過于龐大，例如納米級的天線可以在1 mm2內(nèi)嵌入1024個工作在1 THz的陣列單元[31]，這也更有利于其裝載到載荷受限的無人機(jī)平臺上用于信號的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生人工智能驅(qū)動

區(qū)別于現(xiàn)已商用的5G網(wǎng)絡(luò)中依靠外接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人工智能的方式[32]，6G將采用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生智能這一概念。6G移動通信中，以人為核心將智能化貫徹到網(wǎng)絡(luò)中的每一個層面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高度靈活具有自主性的“智”化網(wǎng)絡(luò)來服務(wù)每一個用戶，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。天基網(wǎng)、空基網(wǎng)和地基網(wǎng)都可以獨(dú)立地接入至6G智能網(wǎng)絡(luò)，將智能化貫穿于整個網(wǎng)絡(luò)的各個層面。在智能化的6G網(wǎng)絡(luò)中，基于無人機(jī)的輔助通信可以通過網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)和用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)來自主學(xué)習(xí)并管理和控制其飛行軌跡等特征，以實(shí)現(xiàn)“無人”駕駛的飛行目標(biāo)并通過多維感知和大數(shù)據(jù)計(jì)算等手段實(shí)現(xiàn)多元網(wǎng)絡(luò)的融合。

圖3 6G無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)生智能

3.4 智能反射面

智能反射面可以通過軟件編程控制信號反射的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)無線信道的自重構(gòu)[33]。智能反射面由多個低功耗的無源反射組件組成，這些反射組件可以通過外加的電壓和相位驅(qū)動使其可以操控反射出去的信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對波束賦形信號傳輸?shù)母婵刂啤Ｓ捎谥悄芊瓷涿娌恍枰漕l轉(zhuǎn)發(fā)等功能，因而能耗較低。同時，智能反射面結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝在其他物體表面，如無人機(jī)空中平臺等。搭載了智能反射面的無人機(jī)通信平臺如圖4所示，通過空中智能反射面可將接收信號反射至被遮擋屏蔽的用戶終端，提升無線通信質(zhì)量。另外，通過直射與反射信號疊加，搭載智能反射面的無人機(jī)還可以帶來更高的信道增益。

圖4 智能反射面在6G無人機(jī)通信中的應(yīng)用

3.5 智能邊緣計(jì)算

縱觀計(jì)算模式發(fā)展史，從中心化的大型機(jī)計(jì)算時代，到分布式的個人終端計(jì)算時代，再到大數(shù)據(jù)云計(jì)算時代，中心式計(jì)算和分布式計(jì)算交替發(fā)展。在未來的6G移動通信中，由于網(wǎng)絡(luò)更側(cè)重內(nèi)生的智能運(yùn)算能力，未來的網(wǎng)絡(luò)將采用智能云計(jì)算與智能邊緣計(jì)算相融合的方法，使計(jì)算系統(tǒng)更扁平化，同時采用區(qū)塊鏈分布式存儲等去中心化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)隱私的保護(hù)[34]。應(yīng)用智能化邊緣計(jì)算的無人機(jī)平臺可以不依托中心控制系統(tǒng)，而是結(jié)合周圍的環(huán)境，進(jìn)行實(shí)時的智能化計(jì)算控制，其具體應(yīng)用場景如圖5所示。基站可以將計(jì)算任務(wù)分配至無人機(jī)，無人機(jī)可以合理地將計(jì)算任務(wù)卸載至各個擁有計(jì)算能力的終端用戶，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化邊緣計(jì)算。

圖5 6G無人機(jī)通信中的智能邊緣計(jì)算

3.6 分布式區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)

在6G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)等部署將會隨時隨地產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。然而，由于無線通信的開放性，超密集網(wǎng)絡(luò)中用戶的安全保障尤為重要。區(qū)塊鏈技術(shù)通過將用戶數(shù)據(jù)分布式存儲于各個用戶終端從而保證數(shù)據(jù)無法被非法篡改，因此可以保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的有效性。在超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中可以通過部署無人機(jī)作為分布式區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)用戶信息安全、高效地存儲與傳輸。然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大到一定程度時，數(shù)據(jù)索引將會產(chǎn)生較大的時延并且用戶數(shù)據(jù)的存儲也需要更大的空間，這也是未來無人機(jī)分布式區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)將面臨的挑戰(zhàn)。

3.7 通信感知一體化

無人機(jī)憑借其良好的高移動性和易部署性在軍事應(yīng)用中占有重要地位，如無人機(jī)偵查與攻擊。此外，民用無人機(jī)的日益普及使得禁飛區(qū)的空域管理也更加困難。因此，軍事方面對敵方惡意的無人機(jī)偵查行動和民事中對非法無人機(jī)的跟蹤等都是亟待解決的問題。相較于圖像感知系統(tǒng)，雷達(dá)探測受天氣等環(huán)境變化的影響更小，也更具穩(wěn)定性。因此，在未來的6G移動通信網(wǎng)絡(luò)中，可以將雷達(dá)系統(tǒng)與基站通信系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過雷達(dá)探測監(jiān)控的同時完成重要信息的安全傳輸。

綜上所述，6G移動通信網(wǎng)絡(luò)將會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而上述提及的太赫茲通信、超大規(guī)模天線陣列和智能反射面等技術(shù)將會有效保證6G網(wǎng)絡(luò)中無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的高速海量數(shù)據(jù)傳輸。

4 6G無人機(jī)通信的技術(shù)挑戰(zhàn)與未來方向

無人機(jī)輔助的移動通信在6G中具有非常廣闊的前景。然而，由于無人機(jī)通信自身的發(fā)展仍處于初級階段，并且6G相較于5G又有了全新的技術(shù)發(fā)展，因而將無人機(jī)應(yīng)用于6G移動通信仍有諸多挑戰(zhàn)需要深入的探索與研究。本節(jié)從無人機(jī)的續(xù)航時間、“空天地海”全覆蓋異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合、射頻相關(guān)的天線技術(shù)與太赫茲技術(shù)、移動用戶的安全問題等方面對面向6G的無人機(jī)通信所存在的技術(shù)挑戰(zhàn)與未來研究方向進(jìn)行探討。

4.1 無人機(jī)的續(xù)航時間

無人機(jī)的續(xù)航時間一直是限制其發(fā)展與應(yīng)用的瓶頸[35]。旋翼無人機(jī)多為電池驅(qū)動，市面上的電池多為鋰電池，無法為無人機(jī)提供長時間的續(xù)航能力。目前，旋翼無人機(jī)續(xù)航時間多在30 min左右。已有研究提出可以利用能量采集技術(shù)為無人機(jī)供能，而如何提升無線能量采集的效率也是一大技術(shù)難題。此外，盡管已有可以為無人機(jī)自動更換電池的航站裝置，但這仍無法從根本上解決無人機(jī)續(xù)航時間短的難題。

4.2 無人機(jī)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間融合

為了滿足更廣域的無縫覆蓋，6G致力于實(shí)現(xiàn)“空天地海”的全維度通信，因此如何實(shí)現(xiàn)空域網(wǎng)的無人機(jī)與其他不同異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)交互的高速率、低時延、海量連接便成為亟待解決的技術(shù)難題。不同網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)均不同，數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)絡(luò)傳輸需要進(jìn)行緩存、轉(zhuǎn)發(fā)，這將會產(chǎn)生多余的處理步驟。因此，為了解決數(shù)據(jù)在不同類型網(wǎng)絡(luò)間的交互，需要重新設(shè)計(jì)各網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議并考慮它們之間的兼容性，在保證用戶數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時實(shí)現(xiàn)低時延、高帶寬傳輸。

4.3 智能反射面及超大規(guī)模天線陣列與無人機(jī)的兼容性

智能反射面可以通過軟件定義主動調(diào)節(jié)入射信號來改變反射信號的相位和幅值，以達(dá)到對信道的重構(gòu)來提高接收端信號功率的目標(biāo)并同時抑制干擾。由于智能反射面是無源反射而不需要通過接收-放大/解碼-轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳輸信號，與傳統(tǒng)中繼相比更加節(jié)能。但在實(shí)際部署中，由于智能反射面需要裝配在無人機(jī)表面，考慮到無人機(jī)的尺寸以及有限的續(xù)航載荷能力，需要有效限制智能反射面的尺寸與重量。此外，由于6G中采用超大規(guī)模天線陣列，即便采用太赫茲頻段將明顯減小單元尺寸，但天線陣列規(guī)模巨大，在設(shè)計(jì)中仍需將其體積納入考量范圍。

4.4 太赫茲相關(guān)技術(shù)及設(shè)備研發(fā)

太赫茲作為6G移動通信中備受關(guān)注的突破性技術(shù)之一，具有更寬的帶寬并可提供接近Tbit/s的傳輸速率。一方面由于其頻率較高波長較短，因此在波束賦形中具有更窄的主瓣寬度和更精確的傳輸方向以保證用戶信息安全。然而，無人機(jī)端受限于體積與續(xù)航能力，太赫茲波束的搜索與對準(zhǔn)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)。另一方面，太赫茲頻率較高且易被分子吸收，因此太赫茲傳輸衰減增大，這也造成傳輸距離較短。此外，目前的半導(dǎo)體、金屬材料和光學(xué)元件還不能滿足太赫茲通信的性能，因此，未來還需要對適用于太赫茲頻段的材料進(jìn)行大力研發(fā)。

4.5 用戶信息的安全性

由于無線通信具有廣播特性，用戶的信息暴露在空中引發(fā)了安全隱患。另外，無人機(jī)的運(yùn)行范圍在空中，無論是空對地信道還是空對空信道都更接近視距信道，因而無人機(jī)通信更容易被竊聽者進(jìn)行信道估計(jì)，進(jìn)而對用戶的私密信息進(jìn)行截獲與竊聽。6G移動通信中將采用太赫茲信道，雖然其信道模型尚未充分建立，但視距信道更具穩(wěn)定性，因而信道特性更容易被竊聽者獲取，進(jìn)而對用戶信息隱私造成威脅。此外，竊聽者還可能發(fā)射干擾噪聲來攻擊無人機(jī)的正常通信，如何克服主動干擾攻擊也是亟待解決的問題。

4.6 蜂群網(wǎng)絡(luò)沖突規(guī)避

無人機(jī)的高移動性使其受到廣泛關(guān)注，然而在大規(guī)模無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)中，其移動性給蜂群系統(tǒng)的信道建模、飛行部署和軌跡優(yōu)化等造成極大的挑戰(zhàn)。盡管空地?zé)o線信道可以近似為視距鏈路，然而由于蜂群網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及無人機(jī)間的相互干擾，無人機(jī)信道仍存在極大的不確定性，這也會對空地信道建模造成影響，進(jìn)而對6G移動通信網(wǎng)絡(luò)中各無人機(jī)的軌跡規(guī)劃造成干擾，影響無人機(jī)的編隊(duì)飛行，甚至產(chǎn)生沖突。因此，如何對無人機(jī)蜂群進(jìn)行有效的沖突規(guī)避，也是未來6G無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

4.7 海量密集接入的頻譜稀缺

6G移動通信網(wǎng)絡(luò)中無人機(jī)需要作為臨時空中基站配合海量用戶的超密集接入。盡管無人機(jī)可以分擔(dān)部分網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，然而有限的頻譜資源仍會極大限制用戶的信息傳輸速率并造成網(wǎng)絡(luò)的高時延。盡管太赫茲頻段的引入將會對頻譜短缺有所緩解，然而頻譜資源利用率低的問題仍亟待解決。因此，將認(rèn)知無線電技術(shù)有效的引入6G無人機(jī)通信中，通過無人機(jī)進(jìn)行頻譜感知并將冗余的頻帶高效利用，從而改善頻譜資源稀缺的問題迫在眉睫。

5 結(jié)論

6G移動通信將在5G的低延時、大接入、高帶寬的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信性能指標(biāo)。本文重點(diǎn)針對6G空天地海一體化無縫覆蓋網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下空基網(wǎng)絡(luò)中的無人機(jī)通信進(jìn)行了闡述與分析；同時，針對無人機(jī)在通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中所擔(dān)任的不同職責(zé)對其在6G中的應(yīng)用場景進(jìn)行了預(yù)測。此外，對6G無人機(jī)通信中太赫茲、超大規(guī)模天線陣列、智能反射面、人工智能計(jì)算、區(qū)塊鏈、通信感知一體化等潛在關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。最后，對面向6G的無人機(jī)通信中存在的相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

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Survey on Unmanned Aerial Vehicle Communications for 6G

CHEN Xinying① SHENG Min② LI Bo③ ZHAO Nan①

①(School of Information and Communication Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)
②(State Key Laboratory of Integrated Service Networks, Xidian University, Xi'an 710071, China)
③(School of Information Science and Engineering, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, China)

Abstract: Although the application of the fifth-Generation (5G) mobile communication has brought tremendous innovations to the daily life of human beings, e.g., autonomous vehicles and internet of everything, the upcoming huger data requirement leads to the emergence of the sixth-Generation (6G) mobile communication.Compared to 5G, the transmission rate, time delay, and wireless coverage need to be improved significantly.Thus, in this paper the applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to the ubiquitous, intelligent and coupling 6G network are surveyed. First, the utilization of UAVs in the framework of space-air-ground-sea integrated network is demonstrated, and the roles and functions of UAVs in different scenarios are emphasized,e.g., the swarm base stations, the deployment for holographic projection, the long-distance relaying and the data collection. Then, the potential 6G key techniques of terahertz, ultra-massive multiple-input and multipleoutput, endogenous artificial intelligence, Intelligent Reflecting Surface (IRS), intelligent edge computing,blockchain and integrated sensing and communication for UAV communications are investigated. Finally, the future challenges of UAV communications for 6G, including the limited duration, integration of networks,compatibility of IRS, development of THz communications, and user security are discussed.

Key words: The sixth-generation mobile communications; Unmanned Aerial Vehicles(UAVs); Space-air-groundsea integration; Terahertz; Intelligent Reflecting Surface(IRS)

中圖分類號：TN915.0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-5896(2022)03-0781-09

DOI: 10.11999/JEIT210789

收稿日期：2021-08-06；改回日期：2021-10-22；網(wǎng)絡(luò)出版：2021-11-04

*通信作者： 趙楠 zhaonan@dlut.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2020YFB1807002)

Foundation Item: The National Key R&D Program of China (2020YFB1807002)

陳新穎：女，1992年生，博士生，研究方向?yàn)闊o人機(jī)通信、隱蔽通信、物理層安全.

盛 敏：女，1975年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橐苿油ㄐ畔到y(tǒng)、移動自組織網(wǎng)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、空間信息網(wǎng)絡(luò).

李 博：男，1983年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o線通信、空天地網(wǎng)絡(luò)、海洋信息傳感網(wǎng)、飛行自組織網(wǎng)絡(luò).

趙 楠：男，1982年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o人機(jī)通信、非正交多址接入、干擾管理、綠色通信.