5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

常艷祥 李赫/ 中航華東光電深圳有限公司， 深圳市 羅湖區(qū) 518001

導(dǎo)讀：無(wú)人機(jī)行業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)無(wú)人機(jī)通信鏈路提出了新需求，5G蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)與無(wú)人機(jī)的結(jié)合使得正在蓬勃發(fā)展的直播、安防、巡檢、應(yīng)急等領(lǐng)域如虎添翼。未來(lái)，無(wú)人機(jī)應(yīng)用必將向網(wǎng)聯(lián)化、實(shí)時(shí)化、智能化等方向快速發(fā)展。通過(guò)應(yīng)用創(chuàng)新，構(gòu)建一個(gè)豐富多彩的“網(wǎng)聯(lián)天空”，將大幅度提升無(wú)人機(jī)在各行業(yè)的應(yīng)用體驗(yàn)，創(chuàng)造更大的價(jià)值。

在過(guò)去十年中，無(wú)人機(jī)在全球市場(chǎng)的銷量大幅增長(zhǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)成為商業(yè)、政府和消費(fèi)應(yīng)用的重要工具，可以廣泛應(yīng)用于建筑、石油、天然氣、能源、公用事業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

無(wú)線通信在過(guò)去20年經(jīng)歷了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前正在步入萬(wàn)物互聯(lián)的5G時(shí)代。5G以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供10Gbps以上的帶寬、毫秒級(jí)時(shí)延、超高密度連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能新的躍升。

無(wú)人機(jī)行業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)無(wú)人機(jī)通信鏈路提出了新需求，呈現(xiàn)出與蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)緊密結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)，形成“網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)”。以往無(wú)線信號(hào)主要覆蓋地面的人和物，沒(méi)有專門為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)空中覆蓋，低空數(shù)字化是一塊有待開(kāi)發(fā)的寶藏。在即將到來(lái)的5G時(shí)代，5G蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)與無(wú)人機(jī)的結(jié)合使得實(shí)現(xiàn)這些原本天馬行空的想法成為可能，將給產(chǎn)業(yè)界帶來(lái)10倍的商業(yè)機(jī)會(huì)。

無(wú)人機(jī)的通信需求

目前，在中國(guó)乃至世界各地，諸多領(lǐng)域已顯現(xiàn)出“無(wú)人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用”的蓬勃發(fā)展勢(shì)頭。無(wú)人機(jī)在農(nóng)林植保、電力及石油管線巡查、應(yīng)急通信、氣象監(jiān)視、農(nóng)林作業(yè)、海洋水文監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)勘探等領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。此外，無(wú)人機(jī)在災(zāi)害評(píng)估、生化探測(cè)及污染采樣、遙感測(cè)繪、緝毒緝私、邊境巡邏、治安反恐、野生動(dòng)物保護(hù)等方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。

表1 無(wú)人機(jī)各應(yīng)用領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)需求(數(shù)據(jù)來(lái)源于IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G無(wú)人機(jī)應(yīng)用白皮書(shū))

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)能力圖(來(lái)源于IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G無(wú)人機(jī)應(yīng)用白皮書(shū))

接入低空移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)視和管理、航線的規(guī)范、效率的提升，促進(jìn)空域的合理利用，從而極大延展無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

無(wú)人機(jī)應(yīng)用體系通常包含四個(gè)實(shí)體要素：運(yùn)營(yíng)調(diào)度中心、地面控制站、無(wú)人機(jī)終端、移動(dòng)接受終端。各要素之間的低延時(shí)、大帶寬通信能保障無(wú)人機(jī)系統(tǒng)高效、安全的運(yùn)行。下表對(duì)無(wú)人機(jī)各應(yīng)用領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)需求進(jìn)行概述。

現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人機(jī)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

蜂窩連接對(duì)于無(wú)人機(jī)的控制和協(xié)同操作非常重要，并能實(shí)現(xiàn)更多樣化的使用場(chǎng)景。目前4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備支持無(wú)人機(jī)部分場(chǎng)景的通信需求，但同樣具有很多挑戰(zhàn)，4G網(wǎng)絡(luò)在帶寬、時(shí)延、干擾協(xié)同上都存在一定的優(yōu)化空間。

飛行航線上的信號(hào)質(zhì)量問(wèn)題

低空50～300m區(qū)間信號(hào)強(qiáng)度RSRP在-80～-90dbm之間，屬于較好覆蓋，室外能夠發(fā)起各種業(yè)務(wù)。但由于飛行沿線的基站主要為地面覆蓋建設(shè)，無(wú)人機(jī)所處高度不在地面站天線主瓣范圍內(nèi)，空中信號(hào)雜亂，且無(wú)主覆蓋小區(qū)，造成基站下行干擾較大，在部分區(qū)域可能出現(xiàn)終端無(wú)法解調(diào)，出現(xiàn)斷線失聯(lián)問(wèn)題。

速率問(wèn)題

根據(jù)《5G無(wú)人機(jī)應(yīng)用白皮書(shū)》分析可知，上行TCP業(yè)務(wù)速率測(cè)試結(jié)果顯示，在低空50～300m區(qū)間，速率均值可達(dá)5Mbps以上。5Mbps以上速率占比超過(guò)70%，速率低于1Mbps占比在1%左右，可以滿足無(wú)人機(jī)安全飛行的狀態(tài)信息采集通信需求(30～50kbps)。但是，從表1的分析結(jié)果可知，未來(lái)有一半以上的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)傳輸速率的需求超過(guò)6Mbps。

時(shí)延問(wèn)題

根據(jù)《5G無(wú)人機(jī)應(yīng)用白皮書(shū)》分析可知，Ping包(32B)和TCP小包(100B)時(shí)延測(cè)試結(jié)果顯示，時(shí)延范圍基本在200～300ms之間，300m高度時(shí)延會(huì)達(dá)到500～600ms。

此外，無(wú)人機(jī)終端和地面終端的差異性，帶來(lái)的干擾增多、移動(dòng)性管理復(fù)雜化、身份驗(yàn)證識(shí)別難等技術(shù)問(wèn)題。

5G網(wǎng)絡(luò)能力

5G 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)提供人人通信、人機(jī)通信和機(jī)器之間通信的多種方式，支持移動(dòng)因特網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的多種應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)提供多樣化業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)特征的能力，適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的靈活性和多樣化的業(yè)務(wù)需求，例如超寬帶、超低時(shí)延、海量連接、超高可靠性等。5G超高速、超低時(shí)延和超高可靠性的顯著特征，將為無(wú)人機(jī)應(yīng)用注入更強(qiáng)大的生命力。

圖2 5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)整體解決方案

在5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)整體解決方案中，5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的無(wú)人機(jī)終端和地面控制終端均通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸，并通過(guò)業(yè)務(wù)服務(wù)器加載各類場(chǎng)景的應(yīng)用，其中5G網(wǎng)絡(luò)提供了從無(wú)線網(wǎng)到核心網(wǎng)的整體網(wǎng)絡(luò)解決方案。

5G網(wǎng)絡(luò)具備的能力包括以下幾個(gè)方面：

(1) 覆蓋能力。5G網(wǎng)絡(luò)能解決有用信號(hào)強(qiáng)度不差，但是干擾信號(hào)強(qiáng)度大，從而SINR低的問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)降低下行干擾的方式來(lái)提高覆蓋能力，例如：1)采用大規(guī)模天線形成較窄波束對(duì)準(zhǔn)服務(wù)用戶，減少小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾；2)采用協(xié)作傳輸?shù)姆绞剑炊鄠€(gè)小區(qū)間協(xié)調(diào)在時(shí)、頻、空、碼、功率域的資源來(lái)減少干擾；3)采用不同帶寬部分(Bandwidth Part，簡(jiǎn)稱BWP)分頻接入，使得地面和空域采用不同的BWP資源，減少空地間的干擾。

(2) 無(wú)人機(jī)端下行容量。低空無(wú)人機(jī)的下行業(yè)務(wù)速率要求較低，如果因?yàn)槲磥?lái)無(wú)人機(jī)的密度增大，5G基站具有大規(guī)模天線能力，大規(guī)模天線增加水平和垂直面發(fā)射通道數(shù)，使得水平垂直面的波束更加準(zhǔn)確的指向用戶，更窄的波束有利于控制干擾，提升用戶的信噪比，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)更多用戶的空分復(fù)用，提高下行容量。同時(shí)，5G擁有更大帶寬單載波帶寬，相比4G頻譜有5～20倍提升。此外，5G不再使用小區(qū)參考信號(hào)，減少了開(kāi)銷，避免了小區(qū)間CRS干擾，提升了頻譜效率。

(3) 無(wú)人機(jī)端上行容量。無(wú)人機(jī)具有明顯的上下行業(yè)務(wù)不對(duì)稱性，無(wú)人機(jī)應(yīng)用的上行要求100Mbps的速率。與下行容量提升一樣，5G通過(guò)大帶寬、大規(guī)模天線精準(zhǔn)波束、高階調(diào)制等技術(shù)，相對(duì)4G大幅提升了上行容量，以用戶為中心的無(wú)邊界網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供上行高速率、低時(shí)延，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫的移動(dòng)性和隨時(shí)隨地的極致體驗(yàn)。

表2 5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)用通信需求滿足度

(4) 時(shí)延。無(wú)人機(jī)的指揮與控制數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要較低時(shí)延，同時(shí)高清視頻的回傳也需要盡可能的減少傳輸時(shí)延。對(duì)于無(wú)人機(jī)傳輸時(shí)延，可以通過(guò)高效的時(shí)、頻、空、碼域等維度的資源調(diào)度來(lái)提高傳輸鏈路的質(zhì)量，減少重傳次數(shù)；5G新空口可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)時(shí)延需求調(diào)度不同子載波間隔和時(shí)隙符號(hào)數(shù)目的BWP，結(jié)合前置導(dǎo)頻、迷你時(shí)隙、靈活幀結(jié)構(gòu)、上行免調(diào)度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延傳輸。針對(duì)C&C數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以使用自包含子幀結(jié)構(gòu)，傳輸和反饋可以在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成，大大減少反饋和重傳時(shí)間。

(5) 可靠性。無(wú)人機(jī)高可靠通信需求可通過(guò)幾個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：1)通過(guò)時(shí)、頻、碼、空域等多維度資源的協(xié)調(diào)調(diào)度，減少鏈路干擾，提高鏈路可靠性；2)通過(guò)分集的方式，如時(shí)域、頻域重復(fù)多次傳輸；3)通過(guò)多小區(qū)協(xié)作，多個(gè)小區(qū)或者發(fā)射節(jié)點(diǎn)聯(lián)合傳輸；4)控制信道高聚合等級(jí)、時(shí)隙聚合、Polor碼提升控制信道可靠性。

(6) 小區(qū)連接數(shù)。隨著未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，地面終端和無(wú)人機(jī)終端的接入需求都將日益增大，可以通過(guò)多用戶調(diào)度，如多用戶多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，提高小區(qū)連接數(shù)，也可以通過(guò)多種正交和非正交多址接入方式提高小區(qū)容量。

(7) 地面與低空定位。5G基站具有大規(guī)模的天線陣列，尤其是在垂直方向的天線數(shù)目增多，垂直方向的定位能力大大增強(qiáng)。無(wú)人機(jī)與基站之間主要以LOS信道為主，可以采用單站或者多站協(xié)同的方式來(lái)進(jìn)行定位，因此蜂窩網(wǎng)絡(luò)的3D定位精度將大大提高。

相較于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)能力滿足了絕大部分無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景的通信需求，無(wú)人機(jī)的聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)先在4G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)的部分應(yīng)用，用5G能夠做得更好、更完善，網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)將驅(qū)動(dòng)多類場(chǎng)景應(yīng)用升級(jí)。

圖3 網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)終端通信能力

表3 三類機(jī)載終端主要功能規(guī)格

圖4 5G無(wú)人機(jī)在安防和應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景

未來(lái)網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)終端通信能力及應(yīng)用潛力

未來(lái)網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)包括六大部分：飛控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)以及安全飛行管理系統(tǒng)。如圖3所示。

未來(lái)的機(jī)載終端歸納為ABC三類，以滿足不同行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景下需求：

A類：保障安全飛行；

B類：無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程超視距實(shí)時(shí)控制+保障安全飛行；

C類：超大帶寬，智能化分析。

無(wú)人機(jī)在5G加持的情況下，具備上述能力后，在以下領(lǐng)域必將發(fā)揮更大價(jià)值：

(1)直播(1)

(2)城市、園區(qū)安防

(3)電力巡檢

(4) 基站巡檢

(5)無(wú)人機(jī)水務(wù)

(6)無(wú)人機(jī)物流配送

(7)無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信

(8)無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援

(9)野外科學(xué)考察

采用5G加持后，網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)對(duì)比傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)將在應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)：

(1) 網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)可以采用自主駕駛和遠(yuǎn)程人員操控相結(jié)合的控制方式，及實(shí)現(xiàn)“人在環(huán)”的控制回路，可穿越叢林、樓宇、房屋等復(fù)雜的環(huán)境，可以在無(wú)法事先了解的環(huán)境下精準(zhǔn)作業(yè)。目前市面上的基于“自動(dòng)駕駛儀”的自動(dòng)飛行無(wú)人機(jī)需要提前獲取地理信息，全手動(dòng)控制的無(wú)人機(jī)又無(wú)法“盲飛”或遠(yuǎn)程操控。

(2) 可以裝備更多功能的傳感器，且對(duì)多傳感器信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并實(shí)時(shí)傳輸，依賴5G通信網(wǎng)絡(luò)的低延時(shí)和高帶寬特性，及時(shí)傳輸至地面。

(3) 實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像處理及路徑規(guī)劃，快速提取目標(biāo)重要特征、自動(dòng)識(shí)別關(guān)鍵特征并采取自主決策機(jī)制，實(shí)現(xiàn)智能化精細(xì)化作業(yè)。

(4) 可以采用多機(jī)協(xié)同作業(yè)的模式工作，例如采用通信中繼無(wú)人機(jī)攜帶5G通信模塊，解決復(fù)雜的實(shí)時(shí)通信問(wèn)題。

圖4展示了無(wú)人機(jī)結(jié)合5G在安防和應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。

未來(lái)展望

當(dāng)前，無(wú)人機(jī)與無(wú)線通信跨界融合的需求與趨勢(shì)已經(jīng)有目共睹，無(wú)人機(jī)5G應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在無(wú)人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景和通信需求、終端通信能力、無(wú)線技術(shù)等方面也初步成熟。通過(guò)將5G與無(wú)人機(jī)相結(jié)合，通過(guò)應(yīng)用創(chuàng)新，構(gòu)成一個(gè)全新的、豐富多彩的“網(wǎng)聯(lián)天空”，將大幅度提升無(wú)人機(jī)在各行業(yè)的應(yīng)用體驗(yàn)，創(chuàng)造更大的價(jià)值。未來(lái)，無(wú)人機(jī)應(yīng)用必將向網(wǎng)聯(lián)化、實(shí)時(shí)化、智能化等方向快速發(fā)展。 ■