韓 玲,朱雪田,遲永生
(中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院,北京 100176)
近年來無人機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在中國,“十三五”期間無人機(jī)等通航新技術(shù)得到推廣應(yīng)用,通航新業(yè)態(tài)發(fā)展迅猛,截至2020年底,我國實(shí)名登記無人機(jī)52.36萬架,年飛行量達(dá)到159.4萬小時(shí),同比增速達(dá)到27.5%[1]。Intelligence預(yù)計(jì)2021年無人機(jī)市場將超過120億美元,Gartner預(yù)計(jì)到2023年全球物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)企業(yè)無人機(jī)全球出貨量將達(dá)到130萬臺(tái),低空經(jīng)濟(jì)將迎來未來高增長期,結(jié)合第五代移動(dòng)通信技術(shù)(the 5th Generation Mobile Communication Technology,5G)發(fā)展大勢,推動(dòng)低空網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)發(fā)展,是實(shí)現(xiàn)我國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)突破性發(fā)展、建設(shè)新基礎(chǔ)設(shè)施和發(fā)展低空經(jīng)濟(jì)的重大契機(jī)。本文對低空網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和分析,提出了基于5G的低空網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案和部署方案,對基于5G和eSIM技術(shù)體系的無人機(jī)安全管控和能力平臺(tái)的發(fā)展進(jìn)行了探索。最后,對5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。
無人機(jī)是無人駕駛飛行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)的簡稱,以無人機(jī)為主要代表的低空飛行器近年來在軍事、民用及商業(yè)等領(lǐng)域獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,其對通信能力的“網(wǎng)聯(lián)化”需求也日益迫切。
利用通信網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)測控鏈路,為無人機(jī)飛行提供測控通道以及業(yè)務(wù)應(yīng)用提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)回傳通道,是一種不受距離限制的廣域無人機(jī)應(yīng)用模式,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)管、航線的規(guī)范、效率的提升,促進(jìn)空域的合理利用,從而極大延展無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域,產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)是通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)的無人機(jī),無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星通信網(wǎng)、根據(jù)無人機(jī)載荷需求專屬設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)、蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)等。其中,低空網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)以公共或?qū)S梅涓C移動(dòng)通信網(wǎng)作為承載網(wǎng)絡(luò),基于5G新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)為網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)賦予的實(shí)時(shí)超高清圖傳、遠(yuǎn)程低時(shí)延控制、永遠(yuǎn)在線等重要能力,可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)分級、分類、分區(qū)域連續(xù)管理的目標(biāo),助力建設(shè)高效低成本的新通航安全飛行體系。
一般地,如圖1所示,基于5G技術(shù)的低空網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)體系主要包括網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)終端、無人機(jī)云能力平臺(tái)、地面控制站和業(yè)務(wù)終端、無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)五部分[2]。
圖1 基于蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的低空網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)
其中,網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)終端包括飛控系統(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)等,無人機(jī)通過移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)和地面基站間的數(shù)據(jù)雙向交互。網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)云能力平臺(tái)與網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)進(jìn)行交互,接收無人機(jī)的遙測和視頻數(shù)據(jù),對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分發(fā)、處理,接收各類無人機(jī)地面站對無人機(jī)的遙控指令。無人機(jī)地面控制站與無人機(jī)云平臺(tái)進(jìn)行交互,完成無人機(jī)遙測指令的接收和地面遙控信息的發(fā)送。業(yè)務(wù)終端接收和處理能力平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)和處理后的視頻信息、遙測信息等業(yè)務(wù)信息。
低空智聯(lián)網(wǎng)是在低空空域(通常3 000 m以下)依托蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及地面互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施,構(gòu)建適合低空業(yè)務(wù)運(yùn)營的實(shí)體網(wǎng)絡(luò),是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向低空的延伸。泛在低空智聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施,5G作為新一代的信息技術(shù),是移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的新階段,它能提供更快的數(shù)據(jù)連接、百萬的連接數(shù)以及超低的空口時(shí)延,開啟了萬物互聯(lián)的新篇章[3]。5G低空智聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)是低空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ),對打造數(shù)字經(jīng)濟(jì)新興產(chǎn)業(yè)具有重要意義。
如圖2所示,5G低空智聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)二維平面覆蓋向三維立體覆蓋的轉(zhuǎn)變。長期以來,蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)主要針對地面終端進(jìn)行設(shè)計(jì),而低空網(wǎng)聯(lián)的無線通信環(huán)境與地面相比存在明顯差異,包括干擾源更多、小區(qū)覆蓋不規(guī)則、鄰區(qū)關(guān)系復(fù)雜等,導(dǎo)致低空覆蓋復(fù)雜化和移動(dòng)性管理失效。第四代移動(dòng)通信(the 4th Generation Mobile Communication Technology,4G)網(wǎng)絡(luò)主要為地面覆蓋進(jìn)行組網(wǎng)和優(yōu)化,并利用天線的旁瓣和背瓣提供低空覆蓋,無法滿足低空智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求。5G通過引入大規(guī)模多天線、新頻譜、新編碼、新的幀結(jié)構(gòu)等新空口特性,使得地面網(wǎng)絡(luò)的對空覆蓋能力大大增強(qiáng);通過聯(lián)合處理、自動(dòng)鄰區(qū)關(guān)系等已有技術(shù)的增強(qiáng),以及測量報(bào)告、功率控制等機(jī)制的針對性優(yōu)化,為低空智聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供有效的解決方案[4-6]。經(jīng)過實(shí)際測試,目前的5G公共蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)可以滿足300 m以下絕大部分區(qū)域的無人機(jī)安全飛行業(yè)務(wù)鏈路指標(biāo)需求[7]。對于低空網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)300~3 000 m高度的需求,較難使用公網(wǎng)覆蓋,可通過建設(shè)5G專網(wǎng)的方式提供低空網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
圖2 5G低空智聯(lián)網(wǎng)
2021年3月,中國聯(lián)通與中國商飛在河南安陽利用中國聯(lián)通打造的5G無人機(jī)泛在低空測試基地,共同開展了低空3 000 m以下通航飛機(jī)5G網(wǎng)聯(lián)飛行測試,通過依托地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施搭建的5G專網(wǎng)測試環(huán)境,實(shí)現(xiàn)了控制數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)在地面與空中之間的有效傳遞,為空中飛行器與地面的有效連接提供了服務(wù)。此次測試驗(yàn)證是國內(nèi)首次在5G低空網(wǎng)絡(luò)下開展高飛行速度和高飛行高度的飛行器飛行測試,打造了全球范圍內(nèi)3 000 m以下低空網(wǎng)聯(lián)案例,具有重要意義。
5G低空專用網(wǎng)絡(luò)的典型部署方案有共網(wǎng)共用、共網(wǎng)專用和專網(wǎng)專用等模式,在實(shí)際建設(shè)部署時(shí),應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)類型、支撐網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的差異性以及投入成本等綜合考慮建設(shè)模式。
圖3提出了一種可行的5G低空專用網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案。該方案通過建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)無人機(jī)專網(wǎng)基站和5G核心網(wǎng)(5G Core Network,5GC),采用核心網(wǎng)獨(dú)立部署、無線接入專用為主及按需共享的方式組網(wǎng)。其中,5G專網(wǎng)與5G公網(wǎng)的核心網(wǎng)相對獨(dú)立,可以各自獨(dú)立建設(shè)接入和移動(dòng)性管理功能(Access and Mobility Management Function,AMF)、會(huì)話管理功能(Session Management Function,SMF)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能(The Unified Data Management,UDM)、用戶面功能(The User Plane Function,UPF)等核心網(wǎng)網(wǎng)元;5G專網(wǎng)可以采用面向行業(yè)專網(wǎng)的輕量化5GC產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)輕量化、本地簡化運(yùn)維以及行業(yè)定制增強(qiáng)的5G核心網(wǎng)。5G專網(wǎng)基站提供專用化、優(yōu)先化的對空覆蓋,與5G公網(wǎng)基站相對獨(dú)立;公網(wǎng)共享基站分別連接公網(wǎng)及專網(wǎng)的5GC,通過切片標(biāo)識(shí)選擇公網(wǎng)或?qū)>W(wǎng)的AMF。專網(wǎng)基站只連接專網(wǎng)5GC。在上述組網(wǎng)架構(gòu)下,公網(wǎng)用戶不能使用5G專網(wǎng),無人機(jī)專網(wǎng)用戶可以使用專網(wǎng)基站接入網(wǎng)絡(luò),也可以使用公網(wǎng)共享基站接入5G專網(wǎng),必要時(shí)無人機(jī)專網(wǎng)用戶可以在公網(wǎng)共享基站與專網(wǎng)基站之間切換,對無人機(jī)的控制數(shù)據(jù)流和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流分別進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保障。該方案能夠提供較專有的低空網(wǎng)絡(luò)保障能力,適用于對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求較高的無人機(jī)聯(lián)網(wǎng)場景。
圖3 5G低空專用網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案
除了提升無人機(jī)在空中的移動(dòng)性和覆蓋范圍,5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制與承載分離,引入全面云化部署,基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualisation,NFV)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵服務(wù),提供以網(wǎng)絡(luò)切片和兩級QoS映射等新技術(shù)組成的端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量保障體系,滿足網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)應(yīng)用的多樣化網(wǎng)絡(luò)性能需求?;?G靈活的網(wǎng)絡(luò)開放和應(yīng)用創(chuàng)新能力,5G低空智聯(lián)網(wǎng)可根據(jù)網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)具體應(yīng)用需求探索多層次分布式的組網(wǎng)架構(gòu)及形態(tài),根據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)中心規(guī)劃等因素進(jìn)行靈活部署網(wǎng)絡(luò)。
一種可行的5G低空專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案如圖4所示,該建設(shè)方案通過將UPF、移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing,MEC)和5G新空口(5G New Radio Access,5G NR)的集中單元(Centralized Unit,CU)部分控制面網(wǎng)元部署于網(wǎng)絡(luò)邊緣,可以進(jìn)一步降低傳輸時(shí)延,優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,滿足特定場景的無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用場景。
圖4 5G低空專用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案
網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)終端是網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)體系架構(gòu)最前端的功能設(shè)備,無人機(jī)應(yīng)用可根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求和場景適配適宜的終端類型,通過植入機(jī)載通信模組接入蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣域聯(lián)網(wǎng)能力,并根據(jù)差異化的應(yīng)用需求搭載不同的功能載荷模塊,實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用需求的支持。
作為5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)終端核心組件的機(jī)載通信模組,承擔(dān)無人機(jī)接入蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)功能,關(guān)鍵功能要求包括支持4G/5G無線技術(shù),支持非獨(dú)立組網(wǎng)(Non-Standalone,NSA)和獨(dú)立組網(wǎng)(Standalone,SA)模式,支持使用用戶身份模塊(Subscriber Identity Module,SIM)、嵌入式SIM(Embedded-SIM,eSIM)的機(jī)卡接口,支持定位能力、5G網(wǎng)絡(luò)切片功能等。當(dāng)前無人機(jī)機(jī)載通信模組產(chǎn)品尚處于起步階段,產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化有待進(jìn)一步提高;缺乏大規(guī)模的測試驗(yàn)證,隨著5G技術(shù)的不斷演進(jìn)和發(fā)展,機(jī)載終端還需進(jìn)一步加強(qiáng)對新技術(shù)的快速響應(yīng)。
當(dāng)前,結(jié)合eSIM的5G無人機(jī)通信模組解決方案已在業(yè)界開始了初步的應(yīng)用探索。eSIM不僅在物理特性上適用于無人機(jī)接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的場景,嵌入式提供高穩(wěn)定性,能夠適應(yīng)環(huán)境惡劣的飛行環(huán)境;更重要的是eSIM作為SIM卡的一種革新性的技術(shù)能力,能夠提供高可靠高安全的架構(gòu)體系、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的配置管理能力以及對終端設(shè)備的全生命周期管理[8],如圖5所示。eSIM技術(shù)的應(yīng)用將為網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)終端設(shè)備的生產(chǎn)及測試認(rèn)證管理、產(chǎn)品注冊登記、身份標(biāo)識(shí)能力、認(rèn)證與鑒權(quán)能力等提供解決方案;此基礎(chǔ)上提供信息安全保障,空域管理、航線規(guī)劃、流量管理、飛行監(jiān)視以及跟蹤和控制等能力。無人機(jī)終端與eSIM架構(gòu)體系的深度融合,與運(yùn)營商資源、能力及流程的貫通,將有力推動(dòng)監(jiān)管機(jī)制的建立與完善。
圖5 5G eSIM終端全生命周期遠(yuǎn)程管理
無人機(jī)能力平臺(tái)提供5G無人機(jī)管控與業(yè)務(wù)服務(wù),一方面,需要面向國家宏觀低空管控,提供基于5G的低空管控能力,構(gòu)建未來整體低空生態(tài);另一方面,無人機(jī)飛行后產(chǎn)生大量飛行數(shù)據(jù),如遙測數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)等,需要處理;飛行數(shù)據(jù)的處理也需要根據(jù)行業(yè)應(yīng)用提供差異化的要求而不同,需要由統(tǒng)一的無人機(jī)能力平臺(tái)來進(jìn)行管理。如圖6所示,無人機(jī)能力平臺(tái)應(yīng)至少具備基礎(chǔ)服務(wù)功能,包括飛行實(shí)施、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理認(rèn)證、數(shù)據(jù)使用等;在此基礎(chǔ)之上,隨著5G無人機(jī)應(yīng)用的發(fā)展,為更好地支持無人機(jī)的管理和應(yīng)用,應(yīng)支持飛行安全、數(shù)據(jù)處理、智能分析、空域代理等功能。
圖6 5G無人機(jī)云能力平臺(tái)
5G技術(shù)與低空產(chǎn)業(yè)的結(jié)合將推動(dòng)低空新基建從傳統(tǒng)監(jiān)管到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變。無人機(jī)能力平臺(tái)將進(jìn)一步利用低空智聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施能力,通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)提升算力,提高服務(wù)能力。未來無人機(jī)能力平臺(tái)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與安全監(jiān)管能力將進(jìn)一步深度融合,安全監(jiān)管所需的傳統(tǒng)空域管理、設(shè)備管理、人員管理監(jiān)管需求,與任務(wù)管理、設(shè)備管理及輔助決策等以數(shù)據(jù)規(guī)劃和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式有機(jī)融合在一起。
近年來我國民用無人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速,市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張,低空網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)在物流、農(nóng)業(yè)植保、基礎(chǔ)設(shè)施巡檢、監(jiān)控、救援、直播等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。無人機(jī)物流和無人機(jī)農(nóng)業(yè)植保需要飛行狀態(tài)上報(bào)以及高精度定位信息的下發(fā);此外,無人機(jī)物流需要具備視頻回傳實(shí)時(shí)操控能力,農(nóng)業(yè)植保有土地勘測圖片等大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳需求。在巡檢、安防、救援場景中,無人機(jī)的典型網(wǎng)絡(luò)需求包括實(shí)時(shí)視頻傳輸(多路)、飛行狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控以及網(wǎng)絡(luò)定位,以保證無人機(jī)優(yōu)良的飛行穩(wěn)定性、較快的反應(yīng)能力和連續(xù)實(shí)時(shí)的現(xiàn)場跟蹤。無人機(jī)測繪為智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、勘察等多個(gè)領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的擴(kuò)展空間,在測繪場景下,除了典型的飛行狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控以及網(wǎng)絡(luò)定位需求,對實(shí)時(shí)圖像傳輸、圖像處理的需求尤為迫切[6]。
對于上述領(lǐng)域的應(yīng)用,4G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)僅能滿足現(xiàn)有的部分低速率、對時(shí)延不敏感的需求,5G新一代移動(dòng)通信技術(shù)為無人機(jī)的發(fā)展注入了新的動(dòng)能。5G具有超高速、超低時(shí)延和超高可靠性的顯著特性,為無人機(jī)賦予了遠(yuǎn)程控制、高清圖傳、飛行狀態(tài)監(jiān)控、精確定位、網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵能力,能夠支持多領(lǐng)域多類別的無人機(jī)應(yīng)用,如8K的視頻傳輸能力能夠支持5G無人機(jī)在體育賽事、演藝活動(dòng)等大型活動(dòng)的VR直播和高清直播;5G還將促進(jìn)各行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展。同時(shí),云計(jì)算、AI技術(shù)的發(fā)展使得未來的自主飛行成為可能。
5G低空無人機(jī)新技術(shù)催生了廣闊的應(yīng)用空間,當(dāng)前,國家層面正在促進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展,相繼出臺(tái)了若干法律、規(guī)定和指導(dǎo)意見,低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將對社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長產(chǎn)生積極影響。
信息技術(shù)的發(fā)展催生了無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起和快速發(fā)展。5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)融合了移動(dòng)終端、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等熱門技術(shù),未來無人機(jī)的發(fā)展也必將向信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行空間數(shù)字化、飛行終端智能化的方向發(fā)展。
當(dāng)前,無人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中主要面臨測控與監(jiān)管兩大核心痛點(diǎn)問題的困擾,5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)體系能夠提供數(shù)字化監(jiān)管能力和安全飛行流程,為上述問題提供解決方案。但當(dāng)前網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的基礎(chǔ)建設(shè)、產(chǎn)品和應(yīng)用落地尚在摸索階段,存在規(guī)范不明確、管理不完善等問題,下一步需要進(jìn)一步完善管理規(guī)定,積極打造產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)合體,做好頂層規(guī)劃,組織實(shí)施相關(guān)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定,加快推動(dòng)5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)突破,創(chuàng)新行業(yè)應(yīng)用。