物联网无人机应用典型架构及实现的技术难点详细介绍

物联网中应用无人机可从空中实现服务投递为目的的物联网业务以及包括视频监视、传感数据收集、救灾应急通信、智能交通等在内的物联网增值服务。对于物联网无人机应用，首先对其典型架构及其特点作了详细介绍；详细分析了物联网无人机应用关键技术；最后对其未来的发展趋势进行了展望。

物联网（Internet of Things）自首次提出以来，引起了学术界与工业界的广泛关注。物联网旨在通过将体域网、D2D通信、无人机网络、卫星网络等多种网络技术相融合，实现万物互连，可在任意地点、使用任意网络来提供任意服务，具有巨大的民用与军事应用潜力。

无人机（UAVs）已广泛应用于军事与民用领域。由于其可动态部署、配置方便、高度自主等特点，无人机在物联网领域同样扮演着极其重要的角色。无人机通过机载物联网装置（包括传感器、摄像机、RFID等）实现对物联网用户数据的收集，如图1所示。在物联网中，由于部分无线装置有限的传输范围，无人机可以作为无线中继用来改善网络连接，延伸无线网络覆盖范围；同时，由于无人机可调整的飞行高度和可移动性，可以方便高效地收集地面物联网用户数据。目前已有智能无人机管理平台，可通过各种终端设备同时操作数架无人机，按需定制飞行路线，获取所需用户数据；智能交通系统（ITS）可利用无人机实现交通监控与执法。此外，无人机也可以作为空中基站来改善无线网络容量。谷歌在SkyBender项目中使用无人机利用毫米波技术试验了5G互联网应用，速率达到了4G系统的40倍；通过基于无人机的软件定义无线电平台可用于基础设施出现瘫痪时的应急通信。

随着物联网应用的不断深入和快速发展，物联网无人机应用由过去单一的服务投递（如亚马逊包裹投递、电力线路监控等）发展至无人机集群协同完成的诸多物联网增值业务（如城市污染监控、地质灾害的防治、军事“蜂群”无人机技术等），可以完成单一无人机因能量和计算资源受限等无法完成的物联网任务。同时，随着智慧城市、水下物联网、车联网、军事物联网、空天地一体网络等物联网应用的兴起，均需充分借助无人机技术有效获取和传递相关数据信息，包括地理空间信息、传感数据信息、指控信息等，从而进一步推动包括云计算、大数据、人工智能等在内的其他物联网增值服务。物联网无人机应用将对物联网未来的发展具有极其重要的意义。

为了适应物联网发展的多样性和为用户提供更好的服务，无人机应用需要研究以下的关键技术。

1.1 无人机网络拓扑控制技术

随着物联网技术的发展以及无人机自身资源的限制，无人机的应用逐渐由控制单一无人机转向控制无人机群，协同实施和完成物联网服务。

无人机群所构成的网络称为飞行自组织网络（FANETs），但与MANETs和VANETs相比，有其自身的特点。地面控制站或卫星对无人机群网络拓扑的控制将直接影响到无人机群的协同和对物联网数据的收集、共享和处理。以下是典型的无人机网络控制拓扑，如图2所示。

（1）星型控制拓扑：在该控制拓扑下，所有无人机直接连接至一个或多个地面控制站（或卫星），并由地面控制站（或卫星）中继各无人机之间的数据交换，如图2（a）所示。在该控制方式下可由地面控制站集中式地控制所有单个无人机，在民用领域里有着广泛应用。但随着无人机群的不断扩大，存在地面控制站将成为瓶颈节点并导致更大延时、无人机间无法直接通信等问题。

（2）大星型控制拓扑：在该控制拓扑下，所有无人机划分为多个组，各个组内无人机构成一个星型结构并由各组中心节点直接连接至一个或多个地面控制站（或卫星），并由地面控制站（或卫星）中继各组无人机中心节点之间的数据交换，如图2（b）所示。在该控制方式下允许部分无人机间直接通信，从而可有效减少对下行链路带宽的要求，降低延时等。但由于各无人机组之间无法直接互通和无人机网络拓扑的快速动态变化，存在网络鲁棒性不足等问题。