浅谈移动通信技术在蚁群算法中的移动机器人最优路径的应用

李 静

（陕西省建筑职工大学 陕西 西安 710068）

1 引言

近几年无人机技术的成熟与发展，蜂窝移动通信技术和无人机通信链路紧密结合且快速发展，“联网无人机”迅速崛起。参考文献《低空联网无人机安全飞行测试报告》指出，无人机安全飞行的一些要求刚好能满足空蜂窝网络需要。所以，无人机的低空飞行通信环境由移动基站的信号数据建立以及覆盖全面，假设信号覆盖良好，就可以移动通信基站覆盖数据和人口分布格网数据来分析无人区移动信号覆盖情况。

2 蚁群算法及在无人机中的应用

2.1 蚁群算法的最基础算法

蚂蚁在自己的路径中搜索，寻找最优的路径，寻找过程中能够搜索最短路径的集合网格，并且根据自己的步长寻找空间阻碍物的比例及步长，远远缩短了寻优路径的时长；因此，蚁群算法研究最终引入了方向信息以及终点目标的路径信息目标，来提高最终路径寻优的方向性目标。与前面的蚁群算法相比较，现在改进后的更能快速进行搜索及收敛，这样就将路径的最优时间大大减少了；该精算法能将最短路径、最优路径迅速找出。

根据无人机的一些与人相似的飞行以及空间域的相关政策，进行了航空路线的无人机实验，结合现在研究的蚁群算法，可以利用搜索路径，寻找航行路径过程中的最优路径。

2.2 对于飞行环境中的低空环境的影响因素

最首要的是对于飞行环境中的低空环境的一些基本要素的选择，譬如对于蜂窝网络在低空环境中的影响、气候条件的影响、空间域的一些条件限制环境的影响，这些影响条件还远远不止这些，还有一些电磁波的干扰、人口条件的多少都是影响因素。

3 无线光通信中的激光通信的特点和优势

3.1 抗干扰性能较好，频率比较高，容量比较大

在1013～1015赫兹之间的激光基频，比实际一般频率高3到5个数量级，带宽也特别宽。在通信系统中，所传输的信息总量与已调载频的带宽有关，带宽是被限制于载频本身的部分，因此，载频频率的提高，理论上增加了有效传输带宽和整个系统的信道容量[1]。由于大气激光通信系统的工作频率极高，在这个频谱段上没有微波通信等其他通信业务的传输，设备之间也不会受到其他频谱的干扰，不需要频率许可证，抗外界干扰性能好。

3.2 以光为传输媒介：设备尺寸小，成本相对低廉，协议透明

大气激光通信是以大气信道作为信息的传输媒质，避免了复杂繁重的光纤铺设工程，只需在通信节点上进行设备安装即可，又由于光波的波长短，通信设备要轻便许多。所以大气激光通信系统搭建方便，安装灵活，非常适合用于地形异常复杂或者光纤很难铺设的地方。有资料表明，无线大气激光通信系统的造价仅为光纤通信系统的20%左右[2]。在通信协议方面，因为大气激光通信是以光作为信息的载体，属于物理层的传输设备，对任何的通信协议都不设屏障，如光纤分布式数据接口、异步传输模式、同步光纤网络、SONET/SDH、快速以太网、以太网等，并可支持2.5 Gbit/s的传输速率，对传输数据、语音、图像和视频等各种信息可以做到透明传送。

3.3 激光方向性强，传输安全保密性好

激光高的方向性使得它的发射激光束很窄，所以形成光通信链路后很难被发现。而且，由于这些波束的方向性很强，不易受外界干扰，具有数据传输保密性，要想截获它，就必须知道如何捕获、跟踪、瞄准和接收信号，整个过程是很复杂的，而且即使光波束被截获，也会很快被发现。因此，大气激光通信传输安全保密性好，这是一般微波通信无法比拟的，特别是对于需要严格保密的军事通信系统来说，安全保密是至关重要的。

4 大气激光通信存在的劣势

4.1 受环境因素影响明显，通信距离受限制

激光的方向性很好，且激光束发散角很小，在短距离的情况下通信很有优势，但由于大气环境的影响，传输距离越远，激光束就会逐渐扩散，超过了一定的距离后就聚焦困难不易接收了。特别是在大雾或沙尘暴天气，光的色散和漫反射将极大地影响光通信的质量，所以通信距离受到限制。

4.2 瞄准和跟踪困难

瞄准困难是大气激光通信应用中最为明显的不足。由于激光发射的传输距离较远、光束较窄等原因，会给天线的瞄准带来困难。一般的大气激光通信系统的发射天线和接受天线都是架设在高空，自然环境的干扰或者轻微的地震都会使天线产生晃动，导致发射和接收端之间的光通信链路产生偏移，光斑脱靶。一旦瞄准后建立了光通信链路，这些外界因素的影响也会使得通信链路中断，所以为了保持通信不会中断，还要求光通信链路有自动跟踪的能力。

4.3 不能直接进行非视距传播，通信容易发生中断

大气激光通信靠的是激光在大气中的传输来传递信息，由于光直线传播的特性，因此只能在视距范围内建立通信链路，若是两个通信节点内有障碍物阻挡，则会造成通信质量下降甚至无法通信。不过，对于这种情况可通过建立一个中继站进行连接。

4.4 激光对人眼的安全问题限制

在大气激光通信中，激光的功率越高传输的距离越远，受外界影响越小，越容易接收且准确度也越高，但是功率过高的激光可能会对人眼产生严重的伤害，因此在使用激光进行通信时，要严格控制激光的发射功率，必须要符合激光安全标准。虽然大气激光通信在实际应用中还存在着外界环境因素的干扰影响和技术上的不成熟，但这种技术诱人的优势还是引起了人们的关注，对它的研究也是越来越深入，并取得了一系列的成果，包括民用和军用。

4.5 影响道路拥堵的因素

道路拥堵是指选择信号最优路径的可能是多样化的，有时堵塞的路径可能是更好的，有时堵塞网络的长短代表着堵塞道路的情况及质量因素。

大气激光通信的关键技术主要包括以下几个方面。

（1）安全的激光光源及高速率光调制技术。激光光源的选择要求输出光功率小，对人畜等不造成伤害，光束方向性好，工作频率高。在大气激光通信系统中大多采用半导体激光器作为信号光源，常用的激光的波长是850nm的近红外波段，因为在这个频率上有足够的能量将电流信号高效地转换为光信号，另外，1550 nm的波长可以支持更大的系统功率，与850 nm的激光相比较，只有在通信距离超过1000 m的时候才能体现出它的优势。高效、可靠的调制解调技术能提高系统的传输速率，降低系统的误码率。在信息传输的时候选择适当的调制方式也会对通信系统性能的提高起到一定的作用。

（2）高增益收发天线。为了保证光束的有效传输和准确接收，激光器发出的光束在进入大气信道前和进入到光电探测器之前需要进行准直，缩小它的发散角，这需要通过收发天线来完成。收发天线的增益越高，激光传输的距离越远，信号的接收越准确。在实际应用中通常选择收、发合一的天线。

（3）微弱光信号的接收技术。高灵敏度的光信号接收技术是通信可靠性的保证。大气激光通信中，大气环境及背景噪声的影响都会削弱光信号，使得到达接收端的光信号变得十分微弱，这样不利于信号的探测接收。为了能够准确地探测到光信号，可通过提高探测器的灵敏度或对接收到的信号进行预处理这两种方法来实现，这样即使是在光信号变得十分微弱的情况下也能被探测到。

（4）快速、精准的APT技术。这是光通信成功的关键。携带信息的激光束从发射天线发出去后，接收端需要对光束进行捕获，然后瞄准、跟踪直到信号接收。整个APT系统可分为两部分：捕获和跟踪、瞄准。捕获系统通常采用CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）结合光滤波器和信号实时处理伺服执行系统一起来完成目标的捕获，然后，跟踪、瞄准系统就对目标进行瞄准和实时跟踪。

移动通信技术在蚁群算法中的移动机器人最优路径的实际应用，可以更好地将两者结合在一起，发挥出最大效益。