用于无人机的C波段空地通信系统研究

C波段频谱5030-5091 MHz被分配用于与无人机系统的指挥控制通信服务。本文评估了使用3GPP 5G标准提供此类服务的可能性。提出了频谱信道化方案和主要系统参数。基于MATLAB的仿真评估了所提出系统在信道衰落环境下的性能。评估考察了无人机系统在不同高度时系统的信号与干扰加噪声比（SINR）和平均吞吐量。使用MATLAB仿真评估系统在自由空间环境中的性能。预测了不同无人机系统（UAS）高度下的信号与干扰加噪声比（SINR）和参考信号接收功率（RSRP）。评估了飞机上不同类型天线阵列的系统性能。考虑从单天线到10×10阵列的各种情况。研究使用20 MHz信道并考虑系统负载为50%。

无人机系统（UAS）正变得越来越重要。它们在安全、监视、搜救、配送、应急响应、农业、建筑和摄影等领域有许多应用。它们具有成本效益、高效且安全，并且能够到达人员无法抵达的地方。此外，无人机可为近实时决策支持过程提供信息。它们可通过收集野生动物和环境状态信息来协助保护项目和科学考察。建筑公司可利用它们进行建筑检查，从而改进项目准备和管理。无论是商业还是军事用途，无人机都是最关键的议题之一。

无人机的使用在现代生活的几乎各个方面都在增长[5]。美国联邦航空管理局预测，到2025年，商用无人机数量将增加至约数十万架[6]。美国的无人机数量也将从2015年的数百架增长到2035年的超过20万架[7]。

为使无人机系统（UAS）安全高效运行，地面设施与无人机之间的连接至关重要。必须对无人机进行实时监控和跟踪，并在需要时进行远程控制。向无人机提供命令并从其接收数据（如遥测读数和视频流）的能力称为无人机的指挥与控制。这使得地面操作员能够引导无人机执行特定任务并根据需要更改其飞行路线。尽管确保地面与无人机之间拥有可靠连接非常重要，但安全也必须考虑在内。无人机必须预编程针对通信丢失场景的自动安全协议，以便操作员能够实时监控无人机。这有助于避免碰撞并保证无人机的安全操作。此外，传输的数据可能是监视、调查或关键基础设施检查的结果，这被视为有效载荷通信。本研究的重点是非有效载荷通信。此类数据的传输需要安全可靠的通信信道来控制它们。

为连接地面与无人机（UAV），曾使用L波段系统（频率范围1-2 GHz）；然而，这些系统已被证明是不足够的。L波段广泛用于有人驾驶飞机的通信、导航和交通管制。因此，该波段缺乏容纳不断增长的无人机数量的能力。为增强地面与无人机之间的连接，无人机系统（UAS）界正在研究多种不同方法。使用许可蜂窝系统（如4G和5G网络）进行地空车辆（无人机）通信是该界提出的一种策略。该策略利用现有蜂窝网络为无人机建立强大可靠的连接。对无人机指挥与管理的下行链路进行了测试，以确定长期演进（LTE）网络在农村环境中的覆盖范围[8]。该策略深受现有无线蜂窝提供商青睐。他们将无人机支持视为潜在的创收机会。

使用专用网络进行地空无人机通信是另一个得到该界支持的概念。该方法为无人机建立了专用地面站网络。如果无人机在专用网络上运行，它们可以获得自己保密且安全的通信网络。此类专用网络需要自己的频谱。近年来，有提议将C波段的部分频谱用于无人机通信需求。

在2012年世界无线电通信大会（WRC-12）期间首次讨论了在视距内及视距外（即LOS和BLOS）分配C波段频谱的问题。提出使用5030-5091 MHz用于视距内指挥与非有效载荷通信（CNPC）。该波段也分配用于超视距通信，但目前没有该波段的卫星操作。[9]结合了5030-5091 MHz和960-1164 MHz波段，在WRC-12上被建议用于满足视距内频谱需求。韩国监管机构在[10]中划出5030-5091 MHz频率范围用于无人机控制链路。为解决该分配的利用问题，2012年世界无线电通信大会建议制定标准、测量空地信道传播以及评估实验性指挥与非有效载荷通信无线电[11]。过去，相同的频率范围曾用于微波着陆系统（MLS）。然而，微波着陆系统在商业上不可行，因此正从机场逐步淘汰。微波着陆系统的退役为更有效地利用这些频率支持无人机操作提供了机会，但在空军基地周围仍需用于精确着陆[12]。

有几种通信标准可在C波段内采用。首先是来自3GPP的标准。利用3GPP TR 38.913版本14.2.0文件中概述的LTE标准，是3GPP标准和无人机数据传输向前迈出的重要一步[13]。这些标准因其高效的频谱使用而特别有益。它们倡导时分双工（TDD）。TDD允许灵活分配上行链路和下行链路传输容量。此外，TDD部署更适合C波段频谱的非成对分配[14]。

其他技术也可考虑。一些候选技术包括上变频版本的L波段数字航空通信系统（LDACS）[15]、滤波器组多载波（FBMC）[16]，甚至包括当前在非许可频谱中部署的某些技术。然而，根据[11]，为C波段指挥控制（C2）通信选择的技术需是全球标准。在所有可用选项中，3GPP技术似乎是进展最远的。它们已经标准化，硬件（基础设施和用户设备）广泛可用，基带芯片组大量生产，并且已在相邻频谱波段运行。因此，基于3GPP的C波段指挥控制通信服务应被视为可行选项之一。

本系统考虑使用基于3GPP的标准（4G/5G）在C波段频谱中提供指挥控制（C2）空地通信服务的可能性。航空航天工业协会在2018年提出并要求联邦通信委员会在[1]中启动规则制定进程。本文模拟的研究目标是考察如何利用未使用的C波段频谱为无人驾驶车辆提供指挥、控制和通信（C3）类通信。本提案将解释各种主题，如频谱利用、系统级参数、操作参数、系统性能和干扰考虑。此外，第9章研究了用于无人机系统指挥控制通信的各种天线阵列配置。该研究旨在证明 simpler 天线阵列足以用于控制和非有效载荷通信，从而可能降低天线系统的复杂性。研究了从单天线到10×10单元的各种阵列尺寸，以评估性能增强与系统复杂性之间的权衡。目标是在保持简单性的同时优化无人机通信系统。

当前L波段（960-1215 MHz）在无人机系统（UAS）指挥控制通信中面临显著拥堵。无人机部署的迅速增加导致该频段过度拥挤，带来潜在的控制和安全风险。美国联邦通信委员会（FCC）建议将5 GHz频谱作为替代解决方案。然而，这个更高频段在空对地信号传播方面提出独特挑战。本研究解决无人机通信中的一个关键问题：更高频段如何支持可靠的指挥控制操作？通过分析信号传播特性和信道建模，研究在C波段频谱内考察最优信道配置。该调查旨在建立高效的频谱利用方法，同时保持通信可靠性以确保无人机操作安全。