基于Web实时通信的无人机载物联网与严格时间敏感性：案例研究

论文标题

中文标题： 基于Web实时通信的无人机载物联网与严格时间敏感性：案例研究
英文标题： Web Real-Time Communications-Based Unmanned-Aerial-Vehicle-Borne Internet of Things and Stringent Time Sensitivity: A Case Study

作者信息

• Agnieszka Chodorek
  所属单位：Kielce University of Technology, Department of Applied Computer Science, Faculty of Electrical Engineering, Automatic Control and Computer Science
  地址：Al. 1000-lecia P.P. 7, 25-314 Kielce, Poland

• Robert Ryszard Chodorek
  所属单位：AGH University of Krakow, Institute of Telecommunications, Faculty of Computer Science, Electronics and Telecommunications
  地址：Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland
  联系邮箱：chodorek@agh.edu.pl

论文出处

• 期刊名称： Sensors

• 卷号： 25

• 文章编号： 524

• 出版日期： 2025年1月17日

• DOI： 10.3390/s25020524

• 版权声明： © 2025 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license.

摘要

本文探讨了无人机（UAV）载物联网（IoT）在时间敏感性应用中的无线通信问题，特别是低延迟网络在传输层的挑战。研究提出使用Web实时通信（WebRTC）作为解决方案，并通过户外环境中的实验验证其性能。实验结果表明，在高可靠性网络中，基于WebRTC的无人机载IoT能够实现低于10毫秒的稳定端到端延迟，并显著优于传统的WebSocket协议。研究还分析了WebRTC数据通道在不同网络条件下的性能，并与WebSocket进行了对比。

1. 引言

无人机（UAV）作为一种多功能载具技术，广泛应用于经济、商业、休闲、军事和学术领域。其搭载的传感器和物联网系统可用于监测污染、天气、交通和农作物生产等。然而，这些应用对实时性要求较高，需要低延迟的通信支持。当前，无线低延迟网络的研究虽然已经较为成熟，但在传输层仍面临挑战。传统传输协议难以满足单毫秒级的端到端延迟需求。因此，本文提出使用WebRTC作为解决方案，并在户外环境中验证其性能。

2. 相关工作

本文回顾了现有的实时传输技术，重点关注非媒体数据（如传感器数据）的传输。现有研究多采用IEEE 802.11标准的无线局域网（WLAN）或4G/5G蜂窝网络进行无人机与地面站之间的通信。传输协议包括TCP、UDP、RTP和QUIC等。WebRTC作为一种新兴的实时通信技术，已在多媒体传输中得到广泛应用，但其在无人机载物联网中的应用仍需进一步研究。本文通过对比WebRTC和WebSocket的性能，探讨WebRTC在低延迟物联网通信中的优势。

3. 材料与方法

3.1 系统设计

实验系统包括空中站（无人机）和地面站。无人机搭载环境传感器和Raspberry Pi 4单板计算机，运行基于WebRTC的监测应用。地面站分为指挥控制台（CCC）和WebRTC多媒体监测站（WMMS）。实验网络基于IEEE 802.11ac标准构建，支持快速漫游以确保无缝切换。

3.2 端到端延迟测量

实验中测量了传输层和逻辑通道层的端到端延迟。传输层延迟是指数据包从进入逻辑通道到被传输协议接收的时间差；逻辑通道层延迟是指数据包从进入逻辑通道到被逻辑通道接收的时间差。实验中收集了大量时间参数，并对数据包的传输延迟进行了统计分析。

3.3 统计分析

实验结果通过统计分析评估WebRTC和WebSocket的性能。分析指标包括最小值、最大值、均值、中位数、众数和四分位数。通过比较这些指标，评估WebRTC在不同网络条件下的性能稳定性。

4. 实验

4.1 实验地点

实验在波兰AGH克拉科夫大学校园内的一个70×70米的停车场进行。实验时间选择在学生网络活动低峰和高峰时段，以模拟不同网络负载条件。

4.2 实验过程

无人机按照预设路径飞行，同时进行数据采集和传输。实验中，无人机在飞行和悬停状态下均进行数据传输，并在不同接入点之间切换。每次飞行传输超过40,000个数据包，以确保统计结果的可靠性。

4.3 实验安排

实验在不同天气条件下进行，包括寒冷、温暖、干燥和潮湿环境。实验分为多个飞行日，每个飞行日包括多个测试对（WebRTC传输和WebSocket传输）。实验结果显示，WebRTC在低延迟传输方面优于WebSocket。

5. 结果

5.1 WebRTC数据通道的端到端延迟

在无传输错误的情况下，WebRTC的端到端延迟在传输层和逻辑通道层均低于10毫秒。即使在发生单个传输错误时，延迟也仅在重传数据包附近略有增加，但仍低于10毫秒。

5.2 WebSocket的端到端延迟

与WebRTC相比，WebSocket的端到端延迟显著更高，尤其是在最大延迟和平均延迟方面。实验结果表明，WebRTC在低延迟传输方面具有明显优势。

5.3 统计分析

统计结果显示，WebRTC在不同网络条件下的性能表现出极高的稳定性，而WebSocket的延迟波动较大。WebRTC的平均延迟、中位数和众数均低于WebSocket，表明其更适合时间敏感性应用。

6. 讨论

本文通过对比WebRTC和WebSocket的性能，展示了WebRTC在低延迟物联网通信中的优势。WebRTC不仅在传输层表现出色，还在逻辑通道层实现了稳定的低延迟传输。尽管WebSocket在某些情况下具有更低的最小延迟，但WebRTC在整体性能上更为优越。未来的研究将探索WebRTC在Wi-Fi 6e、Wi-Fi 7和5G网络中的应用潜力。

7. 结论

本文通过实验验证了WebRTC在无人机载物联网中的低延迟传输能力。结果表明，WebRTC能够在不同网络条件下实现低于10毫秒的端到端延迟，显著优于传统的WebSocket协议。WebRTC的高性能和稳定性使其成为时间敏感性物联网应用的理想选择。未来的研究将聚焦于更先进的无线网络技术，以进一步优化无人机载物联网的通信性能。