基于无人机的移动通信实验平台设计

2017-12-15李世宝潘荔霞张文斌刘建航黄庭培郭晓菲

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：射频无线模块

李世宝, 潘荔霞, 张文斌, 刘建航, 黄庭培, 郭晓菲

(中国石油大学(华东) 计算机与通信工程学院，山东青岛 266580)

基于无人机的移动通信实验平台设计

李世宝, 潘荔霞, 张文斌, 刘建航, 黄庭培, 郭晓菲

(中国石油大学(华东) 计算机与通信工程学院，山东青岛 266580)

现有移动通信实验系统一般室内部署，无法重现真实无线信道复杂多变的衰落、干扰特性，针对这一问题，提出了一种基于无人机的无线通信实验平台设计方案，借助于无人机的机动性，通过机载模块采集和测量无线信号和信令信息，实现对信道多径、衰落、干扰等复杂时变特性的研究，完成对多普勒频移、多径衰落、越区切换等现象的实验。同时也可为课程设计、工程训练、实习实训等综合性的实践环节提供软硬件环境。该实验系统灵活度高、可扩展性好、部署方便，可以满足跨课程、多层次的实验教学需求。

实验教学; 通信实验平台; 无人机; 无线信道

0 引言

无线与移动通信一直是通信行业发展的热点，4G方兴未艾，5G已经跃跃欲试[1-2]。在通信工程专业的培养方案中，移动通信和无线网络相关课程是最重要的方向之一，与理论课程配套的实验与实践环节是巩固课堂知识、理解网络原理、锻炼软硬件设计能力的重要手段[3-4]。目前高校中无线通信相关课程的实验平台主要有三类解决方案：① 利用Matlab、NS2和LabVIEW等软件搭建仿真实验平台[5-8]。其核心是借助仿真软件模拟通信的各个环节，成本低，建设快，易维护。缺点是无法实现真实无线通信环境，实验中用到的数据和结果都是仿真产生的，不直观、不利于学生深入理解相关原理；② 专用实验箱或实验台。实验箱中通过插孔引出的导线连接示波器、频谱仪等测试仪器，观察通信过程的信号数据或波形[9]。价格适中，比较直观，但是这类实验台一般只能验证基本原理，无法实现整个无线网络的全过程，二次开发功能也比较少。③ 基于华为、中兴等公司的商用通信系统[10]，其工作稳定性高，功能全面，但是采购成本高、系统复杂度高、部署维护困难，同时由于此类设备封装严格、不透明，往往只能做一些配置实验，底层接口开放的很少。

以上3种解决方案除了各自固有的优缺点之外，还都存在以下弊端：① 无法实现无线信道的衰落、干扰等复杂特性。无线信道特征是无线通信理论的基本研究对象，3G、4G等移动通信系统的核心问题就是解决信号在空间传播遇到的噪声、衰落和干扰，现有实验平台均无法重现真实的复杂多变的信道环境，尤其是时变特性。② 无法实现不同速率时的通信场景及对于无线通信的影响。移动通信在高速环境下，信道特征和网络信令方面都有很大不同，是移动通信的重要特征之一，现有的实验方案因为场地空间的限制，都不能重现变速率场景下的无线通信。

最近几年无人机[11]发展迅速，可以通过远程遥控自由出入各种环境，非常适合针对复杂无线信号的采集和测量。因此，本文针对现有无线系统实验方案存在的问题，结合无人机的特点，提出了一种基于无人机的无线通信实验解决方案。一个实验室配置一台或者多台无人机，遥控其以不同速率在各种环境中飞行，将采集到的无线信号实时传回到实验室。既可以独立组建实验系统，也可与现有实验平台结合，补充实验项目，弥补现有实验平台的不足。

1 实验平台系统架构

本实验平台包括无人机信号收发部分和地面信号处理站两个部分，如图1所示。

图1 实验平台结构图

无人机信号收发部分主要完成复杂无线信号的采集和回传，其核心部件为机载功能模块，主要包括主控核心板、机载射频板和外设接口等。通过GPS定位[12]以及惯性导航技术[13]实现定点悬停、航线飞行；利用机载射频板完成数据采集；集成IEEE 802.11协议栈，实现数据回传。同时可以利用机载模块实现多无人机之间的协同，用以研究动态网络拓扑中数据节点之间的数据转发。

地面信号处理站主要包括射频收发、信号预处理、编解码、数字信号处理等组成部分，借助于射频模块实现数据的接收，同时由基带处理部分进行信号的编解码。更高层的数据处理功能交给专用服务器实现，借助C++充当软件接口功能。

本实验平台可以独立作为无线与移动通信的实验系统，不仅可以直观地再现接收信号的特征，方便研究信号的多普勒频移、多径效应、抗噪性能等。而且，由于该系统部署了无线网络协议栈，结合无人机灵活机动的特点，便于进行动态拓扑的网络协议和和数据分发策略的研究。同时也可以与现有的实验平台融合，为其提供实时的或者离线的真实无线信号，弥补现有实验平台的不足。

2 硬件电路设计

无人机端的硬件电路结构如图2所示，主要包括核心板、射频模块和各种外设接口。核心板为处理器提供基本的工作环境，射频模块负责接收和发送无线信号，为地面站提供数据来源，外设接口是处理器芯片与外界通信的信号通路，可以为各种传感器和外部逻辑提供连接。为了保证无人机信号收发平台工作的稳定性以及功耗性能，同时提供强大的数据处理能力，其硬件系统采用了一颗Altera公司Cyclone V系列处理器，可以完成无人机飞行控制以及无线信号数据的存储转发。以下将对相关模块进行说明。

图2 硬件结构图

(1) 传感器接口。无人机飞行过程中需要时刻采集传感器回传的数据以调整飞行姿态，由此该系统分别为加速度计、陀螺仪、地磁传感器、GPS接收机。这些传感器与核心板之间的通信采用IIC数据传输接口。该接口可以在总线上同时挂载不同的外设，仅仅依靠外设的不同地址操作不同的传感器外设，快速获得飞机当前的飞行姿态，方便进行姿态控制。I2C总线的结构如图3所示。

图3 I2C总线结构图

(2) 射频模块。射频模块包括射频发射以及射频接收两部分，分别负责信号的上下变频和功放等工作。在设计射频模块的时候要确保射频元器件尽量靠近基带芯片，天线尽量靠近射频元器件，同时相关区域用敷铜保护，以保证模块间的干扰尽量小，信号的线损最小[14]。在主流手机无线频段的射频设计方案中，按照信号流向划分，主要包括天线开关模块(ASM)，RF SAW滤波器以及双工器、合成器等。同时为了实现信号增强与变频，还需要功率放大器(PA)，前端模块(FEM)和PLL模块[15]。其构成原理如图4所示。

图4 射频前端结构图

(3) 核心板。无人机端的核心板采用Altera公司的Cyclone V处理器作为中央处理器，该处理器基于ARM Cortex-A9[16]架构，可以满足系统对高性能、低功耗低成本的要求。核心板采用双层板设计，在最大程度的满足板子小型化的同时保证系统稳定性。其包含的主要模块有JTAG模拟器电路、电源管理模块、1GB DDR3 SDRAM、64MB SDRAM、数据接口以及人机操作接口。其中电源管理模块提供1.1、1.5、3.3、5.0 V等工作电压，分别给不同的外设以及芯片的时钟、ADC等模块供电；RAM和ROM芯片分别为逻辑代码和数据提供存储空间；数据接口支持包括SPI、I2C、串口数据传输模式，保证传感器数据和无线信号数据和芯片的快速通信；人机操作接口包括微型的液晶屏幕和按键开关、拨码开关，为系统输入不同的控制指令。核心板的结构如图5所示。

(4) 系统预留接口。为了进行功能扩展，同时方便硬件功能调试，在系统板上预留了功能扩展口，包括D/A转换、脉宽调制(PWM)、外部中断与迷你显示器接口。这些接口可以实现数据转换、外设控制、系统唤醒、数据显示的功能，是对硬件资源的一大补充。

图5 核心板结构图

3 软件系统构成

软件开发包括数据接口和数据处理两部分内容，首先借助微软公司的Visual Studio 2016(VS2016)工具集进行C++软件接口以及可视化界面开发，其次，借助Matlab软件进行信号处理的算法设计以及仿真过程实现。最终两个部分通过接口函数进行连接，构建出一个既具有方便操作的可视化界面，又可以实现复杂信号处理的地面站系统。同时，为了实现二次开发功能，系统将接口函数都进行了封装，方便外部调用。软件开发流程如图6所示。

图6 软件开发流程

(1) 软件接口。在射频前端和数据处理终端之间需要设计一簇软件端口，实现数据的传送，类型包括控制端口和数据端口。其中控制端口用于传送控制信息，实现地面对无人机平台的远程控制功能；数据端口负责接收从无人机平台回传的数据。软件接口的实现借助了最新的PCI-Express数据传输接口标准，通过高速点对点多通道带宽传输，分配独享的数据通道带宽，可以实现高速稳定的数据传送。

(2) 信号处理。信号处理单元需要对接收到的信号进行分析处理，并将结果以某种形式展现出来，因此适合借助Matlab进行运算处理。该软件可以方便地进行信号处理运算，其集成的工具箱Signal processing toolbox可以方便地进行软件滤波器设计与分析、线性系统特性分析，信号处理与谱分析以及参数建模。

(3) 软件封装与功能扩展。为了突出实验平台的高度灵活性和可扩展性，软件系统同时还包括一些可扩展的功能模块。加载这些功能模块，就可以让软件系统工作在不同的模式，结合部署在无人机平台的无线传输协议，就可以进行更加广泛的实验与研究，如传输协议和大容量数据传输的研究等。同时该系统为二次开发预留了软件接口，学生可以通过标准接口函数编写内部逻辑，操作信号处理的方式方法，实现新的通信理论的研究。

4 实验平台支持的实验项目

本实验平台是基于无人机和地面数据处理装置实现的无线通信实验平台，与常规的实验平台不同，它可以通过无人机采集室外环境真实的无线信号，真实再现实际的无线通信过程的干扰、延迟、衰落等现象，实现对无线信号发生、传输、处理过程的全检测。可以完成信道编解码实验、抗干扰实验、信道特性实验、小区切换实验等，还可以通过机载协议栈实现高速数据转发、网络协议设计等实验。这些实验几乎涵盖了无线通信领域从原理验证到设计开发，从表面现象到实际实现的方方面面，是具有系统性知识结构的实验内容。

4.1 移动通信实验

该实验平台与已有实验系统结合可以完成常规的无线通信相关各类实验，同时结合无人机具备的机动性优势，可以完成许多年传统实验平台不支持的通信系统实验项目。

(1) 多普勒频移实验。多普勒现象发生在移动台以某一速率沿某一方向移动的过程中，信号的传播路程差会导致收信方收到的信号相位频率发生一定的变化。在该系统中无人机充当快速移动的无线终端，按照一定的速率进行航线飞行，地面站收集到的信号就会附加上多普勒频移效应。此外，还可以通过不同的相对运动速率完成无线信号传播稳定性的实验。

(2) 信号衰落实验。信号的衰落指的是由于传播媒介以及传播路径随时间变化而引起的接收信号的强弱变化，在无线通信研究领域中也具有很重要的意义。该系统可以充分发挥无人机机动灵活的优点，通过城市建筑环境与空旷环境、干燥环境与潮湿环境的对比，研究无线信号在不同条件下传播所受到的的多径衰落、频率选择性衰落等变化。

(3) 小区切换实验。当移动台从某个基站的覆盖区域移动到其他基站的覆盖区域的时候，为了保证通信质量而进行的信道切换也是无线通信中很重要的研究方向。无人机自身具备很高机动性，可以自由出入各种场景，完成在扇区和小区的穿越，并将相关信号的变化和信令数据实时回传，从而帮助学生方便地在实验室完成软切换和硬切换的实验。

4.2 网络实验

该实验平台无人机与地面站之间采用IEEE 802.11协议实现无线回传，并将协议栈进行了封装，开放二次开发接口，学生可以进行链路层、网络层和传输层的实验设计。同时如果能够配置多台无人机，那么在无人机机载模块上可以实现支持AdHoc和无线传感网的网络协议，通过二次开发可以实现无人机间的协同组网和数据传输，并可以研究不同的拓扑形状对网络传输的影响以及运动的节点对整个网络的影响。这些特性使得这一套实验平台除了满足本科生实验实践环节的需要之外，也可以作为研究生的科研平台。

4.3 其他实验

无人机以及机载模块除了配合地面站完成移动通信和网络实验之外，其自身的射频模块、机载主控等都完全开放，可用于无线通信相关实验，同时也可用于在机载模块中完成软硬件的二次开发，例如机载电路板设计、射频模块设计、基带处理算法、无线组网等，甚至无人机本身也开放了功能强大的二次开发接口，通过对机载主控、GPS定位以及其他机载载荷的设计等，实现对无人机进行深入的定制。

这类实验主要为嵌入式相关课程提供丰富有趣的实验，同时也可以为与无线通信相关实验融合，用于综合性的课程设计，帮助学生实现系统性的功能开发，锻炼学生的综合设计开发能力，全面开放的接口和灵活自由的二次开发功能，非常有利于培养学生的创新思维和创新能力。

5 结语

本文提出的无线通信实验平台首次将无人机引入到实验教学中，充分发挥无人机的机动性优势，利用机载模块采集和测量复杂场景下的真实无线信号，弥补了现有室内实验系统无法进行复杂无线信道和网络相关实验的不足。这种全新的教学模式，不仅能够让学生在更深入地理解课堂理论知识，还能够真实无线通信复杂多变的魅力，激发探索前沿技术的兴趣。同时该平台也可以为网路课程、嵌入式课程提供丰富有趣的实验，为课程设计、工程训练、实习实训等综合性的实践环节提供软硬件平台，也可以帮助无线通信和网络方向的研究生进行设计和测试。该平台具有较强的灵活性和可扩展性，既可以单独组建实验室，也可以与现有实验系统融合搭建，满足跨课程、多层次的实验教学需求。

[1] 张平,陶运铮,张治.5G若干关键技术评述[J].通信学报, 2016,37(7):15-29.

[2] 孔令兵. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]. 通信电源技术, 2015, 32(4):124-125.

[3] 余厚全, 吴凌云, 陈永军. 电子信息类专业实验教学的几点思考[J]. 实验室研究与探索, 2009, 28(6):102-104.

[4] 徐俊梅, 孙伟. 关于实验教学的几点思考[J]. 中国教育技术装备, 2009(31):194-194.

[5] 邢鑫,赵慧.基于LabVIEW和USRP的软件无线电通信实验平台设计[J]. 实验技术与管理, 2016,33(5):160-164.

[6] 杨宏,孔耀晖,茹晨光. 基于GNU Radio和USRP的无线通信系统建模仿真[J].现代电子技术, 2013,36(18):73-77．

[7] 杨宇红,袁焱,田砾.基于软件无线电平台的通信实验教学[J]. 实验室研究与探索，2015, 34(4):186-188.

[8] 赵东风,于晓磊,李文勋,等. 高校通信实验室软交换系统实验设计[J]. 实验科学与技术, 2011, 9(5):1-3.

[9] 戴翠琴,冉海霞,鲍宁海．移动通信课程实验教学改革与平台建设[J]. 实验技术与管理,2012,29(2):144-147.

[10] 涂继辉,苏丽秋．基于OpenBTS和Asterisk的移动通信实验系统设计与实现[J].实验技术与管理, 2014 ,31(5):65-70.

[11] 王海斌,葛雪雁,宋玉珍.无人机的发展趋势与技术预测[J].飞航导弹, 2009(11):46-52.

[12] Abdelkrim N, Aouf N, Tsourdos A,etal. Robust nonlinear filtering for INS/GPS UAV localization[C]// Control and Automation, 2008, Mediterranean Conference on. 2008:695-702.

[13] Bryson M, Sukkarieh S. Vehicle Model Aided Inertial Navigation for a UAV using Low-Cost Sensors[C]// Intelligent Transportation Systems, 2003. Proceedings.2003 IEEE.IEEE, 2004:1004 - 1009.

[14] 黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M].北京：人民邮电出版社, 2010.

[15] 菲特(美).射频和无线技术[M].李根强,匡泓,文志成译.北京：电子工业出版社,2009.

DesignofMobileCommunicationExperimentalPlatformBasedonUAVS

LIShibao,PANLixia,ZHANGWenbin,LIUJianhang,HUANGTingpei,GUOXiaofei

(School of Computer and Communication Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shangdon, China)

The deployed experimental systems today could not work on real wireless channels and complex networks, in order to avoid this defect, we proposed a wireless communication experimental platform based on UAVS. It is able to collect or measure wireless signals and complete signaling information via its flexibility and mobility, thus provides the chance to study the multipath, fading, interference and other complex time-varying characteristics of channels. It can accomplish the Doppler frequency shift, multipath fading, cross-zone’s handover experiments. Moreover, it is capable of providing hardware and software environment for curriculum design, engineering training and practical training. The experiment system has the advantages of high flexibility, good expansibility and convenient deployment, and can meet the needs of cross-course and multi-level experiment teaching.

experimental teaching； communication experiment platform； unmanned aerial vehicle； wireless channels