一种基于无人机基站的空地自组网通信系统的制作方法

1.本实用新型属于空地自组网通信领域，特别涉及一种适用于西北山地的基于无人机基站的空地自组网通信系统。


背景技术：

2.近几年，基于平流层通信（stratosphere communication，sc）的空地一体化通信系统作为一种新的通信模式被提出。移动智能终端的普及使人们的生活已离不开无线通信，这种依赖不只体现在对高速、高质量的移动数据业务需求的增加，还体现在人们更加需要“随时随地”的可靠的通信服务保障。而地面基站的布置不止受到地形因素以及自然灾害的影响，而且地面基站密度过大也会产生严重的干扰。作为解决方案之一的卫星通信，虽其覆盖范围与通信容量更大，运行更加稳定，并可实现跨大洲的数据传输，但因为较大的传输延时与昂贵的建造费用，只能应用于小规模通信业务。平流层通信介于地面通信和卫星通信之间，海拔17km~22km，可用飞机、气球或充氦飞艇作为信号发射装置的搭载平台。这在如今的通信网络中还是一片有待开发的领域，对未来无线通信的发展具有重要意义。
3.绝大多数移动通信都依赖于地面基站，一旦缺少地面基站，或者地面基站受到破坏，将对电力通信造成严重影响，甚至造成通信的中断。卫星通信虽然不受地面因素的制约，但是它的延时大，建造费用高，只能提供有限的通信服务。sc可不依赖于地面的网络基础设施，且部署成本相对较低，因此，在远洋航行、人迹罕至的沙漠与边远地区、应急救援时，拥有显著的优势。除了地面通信，许多通信场景还要考虑到地面以上，大气层以下的通信需求，尤其近几年随着航空技术以及无人机技术的高速发展，该领域的通信已经引起了工业界和学术界的注意。卫星通信可以实现全球范围的无线通信，但因为其有限的带宽，较大的传输延时与昂贵的建造费用等特点，很难得到广泛的应用。因此，依托平流层通信技术，借助高空平台（high-altitude platforms, haps）进行信息传输，可以保障空中用户在任何时间都是可联状态。
4.针对电力系统配用电场景环境复杂、设备种类多、分布范围广，需部署海量传感器与监测设备；传统地面通信网络容灾应急能力差、组网结构较为单一、覆盖范围及站址资源受限，无法满足配用电物联网差异化业务需求等问题，迫切需要将无人机组成的空中网络与地面5g通信网相结合，构建广域覆盖、部署灵活、容灾能力强的空地一体化网络，实现电力系统配用电侧海量终端的泛在互联。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的上述缺陷或不足，提供一种适用于西北山地的基于无人机基站的空地自组网通信系统。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种基于无人机基站的空地自组网通信系统，包括云端服务器，无人机基站，地面基站及地面配用电节点；
7.云端服务器，设置于城区，通过上位机下发指令或接收地面配用电节点反馈的信
息，用于远程管理和监控；
8.无人机基站，包括至少一架无人机，无人机为长航时多旋翼机型无人机，无人机本体上搭载有基站模块，设置于水面，基站模块与所述云端服务器连接，用于转发云端服务器与地面基站及地面配用电节点之间的信号；
9.地面基站，设置于山地区域，地面基站与所述云端服务器、无人机基站及地面配用电节点连接，用于转发云端服务器与无人机基站及地面配用电节点之间的信号。
10.地面配用电节点，由多个均位于山地区域的无线节点构成，地面配用电节点分别与无人机基站、地面基站连接，用于执行指令或采集地面配用电设备的环境和/或用电参数信息后反馈信息；
11.多个无人机通过各自搭载的基站模块采用自组网方式构建空基无线mesh网络，地面配用电节点相邻的无线节点按一定半径范围分区，区域内的无线节点之间采用自组网方式构建地基无线mesh网络。
12.进一步地，在本实用新型的一些优选实施方案中，所述基站模块包括第一微处理器、机载多波束天线，第一微处理器分别连接有飞控模块、第一gps定位模块、第一电源模块、无线收发控制模块、第一无线通信模块、第二无线通信模块，无线收发控制模块与机载多波束天线连接；飞控模块用于控制无人机进行飞行与悬停，第一gps定位模块用于定位无人机的空中位置，第一电源模块为第一微处理器供电，第一无线通信模块用于与云端服务器无线通信连接进行数据交互；第二无线通信模块用于多个无人机间构建空基无线mesh网络及进行数据交互，地面基站对应于机载多波束天线设有地面多波束天线，第一微处理器通过机载多波束天线与地面基站无线通讯连接进行数据交互。
13.作为优选，所述第一无线通信模块为5g无线通讯模块；第二无线通信模块为5g无线通讯模块或lora无线通信模块或蓝牙无线通信模块。
14.进一步地，在本实用新型的一些优选实施方案中，所述无线节点包括配用电设备及其附属设备实施环境监测和电量参数采集的传感器模组，传感器模组连接有第二微处理器，第二微处理器还分别连接有第三无线通信模块、第四无线通信模块、第二电源模块，第三无线通信模块用于与无人机基站、地面基站进行无线通信连接进行数据交互，第四无线通信模块用于无线节点之间构建地基无线mesh网络并进行相互间的数据交互，第二电源模块为第二微处理器供电。
15.作为优选，所述第三无线通信模块为5g无线通讯模块；第四无线通信模块为5g无线通讯模块或lora无线通信模块或蓝牙无线通信模块。
16.作为优选，所述传感器模组包括电流传感器、光线传感器、静电传感器、料位传感器、红外探测器、温湿度传感器、烟雾传感器。
17.作为优选，所述第二微处理器还连接有第二定位模块，第二定位模块用于对相应的配用电设备及其附属设备进行定位。
18.与现有技术相比，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益技术效果是：针对西北多山不规则场景，以无人机为载体建成空-地一体化配用电物联网5g网络系统平台，解决传统地面通信网络容灾应急能力差、组网结构较为单一、覆盖范围及站址资源受限，无法满足配用电物联网差异化业务需求的问题；将无人机组成的空中网络与地面5g通信网相结合，构建广域覆盖、部署灵活、容灾能力强的空地一体化网络，实现电力系统配用电侧海量
终端的泛在互联；通过无人机基站与地面基站的协同组网，为用户提供随时随地有保障的移动通信服务，减轻地面基站的负载，为三维立体空间提供无缝网络覆盖。
附图说明
19.图1是本实用新型的平流层通信网络示意图。
20.图2是本实用新型的空-地立体通信网络示意图。
21.图3是本实用新型一实施例的基于无人机基站的空地自组网通信系统的原理结构框图。
22.图4是本实用新型一实施例中无人机基站自组网方式构建空基无线mesh网络的结构框图。
23.图5是本实用新型一实施例中地面配用电节点自组网方式构建地基无线mesh网络的结构框图。
24.图6是本实用新型一实施例中无人机搭载基站模块的原理框图。
25.图7是本实用新型一实施例中无线节点的结构框图。
26.附图标记：1-云端服务器，2-无人机基站，3-地面配用电节点，4-地面基站，5-无人机，51-飞控模块，52-第一gps定位模块，53-第一电源模块，54-第一微处理器，55-无线收发控制模块，56-机载多波束天线，57-第一无线通信模块，58-第二无线通信模块，6-无线节点，61-第二电源模块，62-传感器模组，63-第二定位模块，64-第二微处理器，65-第三无线通信模块，66-第四无线通信模块。
具体实施方式
27.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过优选的实施例对本实用新型进行进一步详细说明。
28.请参阅附图1所示，haps在城市地区的信号接收仰角高，在郊区或农村地区信号接收仰角低，sc可以在较低的成本投入下，提供大容量大范围的通信服务。对于高空或海上的无线通信覆盖，haps更是填补了地面基站的覆盖空白，同时具备卫星通信所不具有的优势，地面无线通信、sc和卫星通信的对照表：
29.地面通信、 平流层和卫星通信的性能比较
30.。
实施例
31.请参阅附图2-7所示，本实施例提供了一种基于无人机基站的空地自组网通信系统，包括云端服务器1，无人机基站2，地面基站4及地面配用电节点3；
32.云端服务器1，设置于城区，通过上位机下发指令或接收地面配用电节点3反馈的信息，用于远程管理和监控；
33.无人机基站2，包括至少一架无人机5，无人机5为长航时多旋翼机型无人机，无人机5本体上搭载有基站模块，设置于水面，基站模块与所述云端服务器1连接，用于转发云端服务器1与地面基站4及地面配用电节点3之间的信号；
34.地面基站4，设置于山地区域，地面基站4与所述云端服务器1、无人机基站2及地面配用电节点3连接，用于转发云端服务器1与无人机基站2及地面配用电节点3之间的信号。
35.地面配用电节点3，由多个均位于山地区域的无线节点6构成，地面配用电节点3分别与无人机基站2、地面基站4连接，用于执行指令或采集地面配用电设备的环境和/或用电参数信息后反馈信息；
36.多个无人机5通过各自搭载的基站模块采用自组网方式构建空基无线mesh网络，地面配用电节点3相邻的无线节点6按一定半径范围分区，区域内的无线节点6之间采用自组网方式构建地基无线mesh网络。
37.本实施例中，空基无线mesh网络、地基无线mesh网络形成双层子网络，既可以独立提供通信服务，又可以联合组网，地面设备可以采用pmp方式与haps互连。在海拔17公里的高度部署机载多波束天线56，服务多个小区，其覆盖区域和覆盖下单个小区的半径分别是30公里和8公里。在海上的覆盖半径可达200-300公里，信号传播时延可达几百微秒；而地面蜂窝网络的覆盖半径一般在1-2公里范围内，传播时延属于微秒级。
38.当山地区域无地面基站4或地面基站4失效时，无人机基站2直接将来自云端服务器1的指令信号转发给地面配用电节点3或直接将地面配用电节点3反馈信息转发给云端服务器1。
39.本实施例中，所述基站模块包括第一微处理器54、机载多波束天线56，第一微处理器54分别连接有飞控模块51、第一gps定位模块52、第一电源模块53、无线收发控制模块55、第一无线通信模块57、第二无线通信模块58，无线收发控制模块55与机载多波束天线56连接；飞控模块51用于控制无人机5进行飞行与悬停，第一gps定位模块52用于定位无人机5的空中位置，第一电源模块53为第一微处理器54供电，第一无线通信模块57用于与云端服务器1无线通信连接进行数据交互；第二无线通信模块58用于多个无人机5间构建空基无线mesh网络及进行数据交互，地面基站4对应于机载多波束天线56设有地面多波束天线，第一微处理器54通过机载多波束天线56与地面基站4无线通讯连接进行数据交互。
40.本实施例中，所述第一无线通信模块57为5g无线通讯模块；第二无线通信模块58为5g无线通讯模块或lora无线通信模块或蓝牙无线通信模块。
41.本实施例中，所述无线节点6包括配用电设备及其附属设备实施环境监测和电量参数采集的传感器模组62，传感器模组62连接有第二微处理器64，第二微处理器64还分别连接有第三无线通信模块65、第四无线通信模块66、第二电源模块61，第三无线通信模块65用于与无人机基站2、地面基站4进行无线通信连接进行数据交互，第四无线通信模块66用于无线节点6之间构建地基无线mesh网络并进行相互间的数据交互，第二电源模块61为第二微处理器64供电。
42.本实施例中，所述第三无线通信模块65为5g无线通讯模块；第四无线通信模块66为5g无线通讯模块或lora无线通信模块或蓝牙无线通信模块。
43.本实施例中，当采用5g无线通讯模块可选用sim8200ea
‐
m2，lora无线通信模块可选用sx127x系列芯片，蓝牙无线通信模块可选用cc2652p芯片，第一微处理器54和第二位处理器可选用stm32系列芯片。
44.本实施例中，机载多波束天线56采用5波束天线
45.本实施例中，所述传感器模组62包括电流传感器、光线传感器、静电传感器、料位传感器、红外探测器、温湿度传感器、烟雾传感器。
46.本实施例中，所述第二微处理器64还连接有第二定位模块63，第二定位模块63用于对相应的配用电设备及其附属设备进行定位。
47.本实施例中，无线节点6包括智能家居用电设备、变电站配电设备、发电厂发电及输电设备。
48.作为一种改进，以无人机5的滞空时间、最大起飞重量以及飞行高度为主要因素，选择可以搭载vr全景摄像机的长航时多旋翼机型无人机，实现通信区域内的空中视频监控。
49.通过无人机基站2中无人机5间协作与联合处理，如协作多点传输可有效利用干扰，获得较高的传输效率。
50.以上所述为本实用新型的较佳实施例，用以解释本实用新型的技术方案，本领域技术人员还可以在本实用新型的精神和原则之内作常规修改、等同替换和改进等。