無人機如何在低功耗前提下實現超遠距離圖傳 | 雷鋒網公開課

大疆Mavic

大疆新品Mavic的「7公裡圖傳」讓人睜大了眼，驚訝之餘人們都對無人機遠距離圖傳產生了興趣，無人機想要做超遠距離圖傳究竟需要什麼樣的技術呢？圖傳的距離和功耗在無人機上如何進行平衡？技術實現上有什麼樣的難度？為了解決這些問題，我們邀請了上海大楚電子創始人兼CEO、上海後洪電子創始人汪東為我們講述「無人機圖傳的那些事」。以下是汪東在硬創公開課的演講摘編。

無線傳輸途徑和特點

途徑

實現超遠距離有很多選擇，可以是有線的，也可以是無線的。在一般情況下，肯定是有線傳輸更加的遠，上萬公裡傳輸都是可以的。拿語音傳輸來說，當面對話靠聲波傳輸，雖然聲波傳輸距離很短，但是不藉助高科技手段也是可以的（比如我們上學時候學的「紙杯電話」）。而圖像的話就必須要通過現代通訊手段才行，比如光纖。

電磁波的頻率

提到現代通訊手段，就要講到電磁波頻率，通常來說，電磁波頻率越低傳播越遠。比如軍事活動所需要的保密通訊電話的傳輸，就屬於超短波頻率，傳輸比較遠，地面通訊一般使用這種頻率（對講機等）。而一些需要中繼傳遞的通訊方式（通過中繼塔臺等）用的是短波，短波就比超短波頻率更低，能傳播的更遠，幾百公裡上千公裡都是可以的，比如VOA的電臺用的就是短波頻率。

遠距離傳輸肯定是數據量越窄傳播的越遠，發射功率越大靈敏度越高，由此就涉及到了功率的問題。

功率

想要超遠距離發射信息，功率越大發射越遠。像那些架在高的地方的電視塔都是功率幾千瓦甚至上萬瓦的。舉個簡單的例子，比如廣播通過塔臺發射之後，很大面積地區都能收到廣播，這個功率肯定小不了，電視工作者如果暴露在發射設備下那麼對身體的傷害是非常大的。

北京廣播電視塔

綜上，各種運營商的設備同理，他們加大基站或者塔臺的功率，都是為了傳的更遠。

帶寬

帶寬語音一般來說都是3K左右，因為普通人說話3K就夠了，如果能夠壓縮的話幾百K就夠了，所以語音的傳輸帶寬是非常小的。而現在無人機的帶寬都是以M起步，這對遠距離傳輸的挑戰就大了很多。傳輸距離取決於靈敏度，根據香農公式，帶寬增加十倍，靈敏度就下降十倍，所以帶寬對於無線傳輸來說是很珍貴的。

圖像傳輸的特點

圖像傳輸跟普通信號傳輸相比特點還是比較鮮明的：

1、圖像傳輸的特點是數據量太大了。TXT等文件通常都是幾K起步，而圖像數據量就大得多，比如iPhone隨意照張照片就要幾M了，所以需要的帶寬要很高。

2、圖像傳輸不能有時延，跟大家看電影一樣，有卡頓就不能忍受了，此外，我們看電影，高清圖像就很爽，模糊就受不了。

綜上，無人機傳輸的特點就是，數據量大，延遲要求要低。這都是無線傳輸最難管控的地方。

無人機超遠距離傳輸的要求

上文說過，圖像傳輸的特點是圖像質量要求高，實時畫面監控延遲要低，除了這兩點外還有一些問題：

因為無人機是便攜設備，所以它的功率不可能非常的大，所以傳輸功耗要小，但是功耗小與距離遠就是矛盾的。

另外，無人機傳輸要抗幹擾能力強，因為無人機經常要在人群密集或者有電磁幹擾等環境複雜的情況下進行工作，這樣難免傳輸會受到外界影響，這也是個問題。

世界上對無人機傳輸也有相應的標準，這些標準也對無人機傳輸有了一些限制。

傳得遠首先要過功耗功率這一關。世界上對無人機有功耗標準的規定，比如歐洲要過CE，美國要過FCC，無人機標準涉及無線通訊方面就是EMC電池兼容方面的要求、功耗和發射功率不能超過多少等等。比如大疆精靈4的CE要求是20 、FCC要求23，最新的產品御CE要求23、FCC要求26，這些都給無人機的傳輸進行了限制。  

除了這些要求還有電池的發展局限性，這個是個傳輸以外的問題，在這裡就不多談了。

大疆精靈4

綜上，無人機遠距離傳輸的要求，總結來說就是：質量要高，功率要低，抗幹擾能力要強，傳輸距離要遠，國家法律法規的限制以及電池技術的發展。

距離與功耗的平衡

說了這麼多要求，就要講一下，無人機遠距離傳輸最重要的一點，也就是距離與功耗的平衡。

根據香農公式，距離和帶寬有關係，距離遠帶寬就要窄，之所以限制很多飛行設備都在用一些快要淘汰的調製技術（比如飛機要調幅波），就是需要平衡傳輸距離和功耗之間的關係。

我需要傳得遠，那麼功率就要大，但是政策上有規定功率功耗不能大，唯一可以改善的就是信道信源相關的技術，也就是無限通訊最重要的技術。

在同樣的功耗、其他部件減輕、電池優化的情況下，把帶寬壓縮，不要把圖像完全無失真的去傳輸，才能保證距離與功耗相對的平衡。當然，這個就是要根據研發的水平來了，拿大疆舉例，無人機需要30分鐘續航，那麼電池就確定了，體重也確定了，發射功耗確定了，要提高距離就要優化無線傳輸的技術，目前那些技術是用在無人機圖傳方面的技術呢？

Mavic實時圖傳

無人機圖傳技術

先用形象的方式介紹幾個名詞（學通訊相關的同學可以跳過這一部分）：

信道：通信系統中傳輸的通道，好比是高架橋。

信源：信源是產生各類信息的實體，好比是載滿水泥的大卡車。

編碼：好比是快遞與打包，為了傳輸過程中有無損壞。

擴頻：是一種信息處理改善傳輸性能的技術，好比是八路，隱蔽性高、抗幹擾能力強。

調製：好比是新的交通工具，減少傳遞步驟。

具體來說，圖傳就是要把一個東西準確、快速的從一個地方傳遞到另一個地方，要抗幹擾，還要抓重點。所以信源和信道就要改善，關於信道技術就是抓重點的基礎，比如目前常見的MPEG-2、MPEG-4等技術，簡單地說就是把圖片的重點壓縮，抓住重點傳輸。信道編碼就是為了減少碼元數率，減少帶寬佔用，因為傳輸跟帶寬有關係，抓住重點可以避免浪費功率。

目前無人機圖傳主流的技術由OFDM、WiFi等。

OFDM

在技術上，目前很多無人機喜歡用的傳輸技術為OFDM，是多載波調製的一種，該技術更適合於高速數據的傳輸，OFDM有很多優勢，比如在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據、能夠對抗頻率選擇性衰落或窄帶幹擾等等。

但是，OFDM也有缺點：

載波頻率偏移

對相位噪聲和載波頻偏十分敏感

峰均比比較高

所以把這三個缺陷瓶頸解決掉才是完美的技術。

WIFI

除了OFDM之外，很多廠家也都在使用WiFi技術，可能WiFi說出來讓人感覺很低端，其實不是這樣的，WiFi技術也在不停的進步。

WiFi傳輸是具有高性價比的無人機圖傳使用最廣泛的技術，但是因為WiFi在技術上有很多限定，且不可修改的，並且很多廠家都是拿來方案直接搭建，所以其缺點也十分突出：比如晶片設計成什麼格式就是什麼格式的，無法修改，技術比較固化；幹擾管理策略實時性不強；信道利用率比較低等等。

另外WiFi傳輸還有跟物理層的銜接不緊密的缺點，導致反應不迅速，傳輸時延較大，最多有秒級的時延。

在FPV模式下更需要低時延才行

說到時延，端到端的時延主要有以下幾個方面：

高層組包時延

高層到物理層的時延

時隙資源分配機制導致的時延

傳播的時延

物理層處理時延，解調解碼等

高層處理時延

這兩種圖傳方式應該是目前無人機圖傳的主流。

其實總體來說，無人機遠距離傳輸其實就是距離和功耗之間的平衡，其中還涉及了很多調製技術，比如用擴頻來提高抗幹擾能力、信道信源技術的優化等等。大疆以前是使用的WiFi技術，現在用的是軟體無線電SDR，軟體無線電其實只是一個概念，其實裡面的技術還是OFDM傳輸技術，它也不比WiFi高明太多，只不過大疆自己優化了系統，更適合它的無人機，所以7公裡圖傳雖然聽上去特別牛，其實是功耗和距離平衡之間的傳輸以及傳輸技術的調製掌握的比較好。

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