5G新空口技術在網聯無人機的應用研究

童 偉

（海口經濟學院，海南 海口 570127）

0 引 言

隨著5G商用節奏的整體加快，5G時代已越來越近。無人機利用5G網絡的超高可靠性、超低時延及超大寬帶等特性，使航拍高清畫面可流暢、無損地傳送至云端，秒級生成3D地形圖，極大地提升了地形勘測和地圖繪制工作效率；同時打破了距離瓶頸，為普及無人機物流和無人機賑災提供高可靠性通信保障。

5G網絡提供了從無線網到核心網的整體網絡解決方案，以適配各種復雜應用場景的網絡實現[1]。5G網聯無人機的無人機終端和地面控制終端均通過5G網絡進行數據傳輸和控制指令傳輸，并通過業務服務器加載各類場景，如圖1所示。

1 5G新空口技術

5G新空口技術包括大規模多入多輸出（MIMO）天線技術、波束成形技術、新頻譜、基于OFDM的可擴展波形、基于低時延時隙結構的全新靈活設計及5G的網絡切片技術[2]。

1.1 大規模多入多輸出（MIMO）天線技術

當前網絡面臨著容量需求激增和站址資源難尋的矛盾，可使用5G大規模多路輸入/多路輸出（MIMO）天線方案解決。MIMO（多輸入/多輸出）是一種用于提高無線數據傳輸速度和傳輸質量的技術，使用多個天線發送和接收不同的數據，大幅提升了網絡容量。商用網絡中，天線準確對準高空作業的無人機和地面終端，增強傳輸信號，并減少各種復雜環境干擾和上下行干擾，提升低空覆蓋能力。

圖1 5G網聯無人機數據傳輸與控制

1.2 波束成形技術

5G Massive MIMO支持模擬式波束賦形，也可支持基于預編碼的數字式波束賦形。波束賦形技術加大了無線信號的覆蓋范圍，能讓能量極小的波束集中在一塊小型區域，極大地減少了干擾。波束賦形技術可與小區分裂、小區分簇相結合，并與毫米波高頻段共同應用于無線短距離傳輸系統，將信號強度集中于特殊方向和特定用戶群，從廣度和深度上無縫覆蓋，實現信號的可靠高速傳輸。

1.3 新頻譜

5G以用戶級下行導頻替代小區級下行導頻，降低了無人機在低負載網絡下受到的下行干擾。5G靈活Numerology在時域、頻域、碼域、空域及功率域等采用靈活的資源調度來減少無人機的上下行干擾。5G空口云化包括上下行解耦技術和以用戶為中心的網絡技術，上下行解耦打破了上下行綁定與同一頻段的傳統限制，以5G高頻段與4G中低頻共站部署增強小區覆蓋，5G下行傳輸利用高頻段，上行傳輸與4G的低頻段進行頻譜共享，根據4G空閑程度靈活分配給5G上行使用，實現5G覆蓋增強[3]。

1.4 基于OFDM的可擴展波形

波形是一項創新的5G技術，OFDM具有非常靈活的頻域結構和較好的MIMO整合特性，利用零散窄帶資源，滿足不同業務類型對資源的需求。對于低SHF頻段（如厘米波、3.5～10 GHz），OFDM能抵抗多徑衰落且具有較高的復用增益，幫助用戶根據多業務需求靈活配置空口資源。遠離基站的離散用戶可使用能效高的基于SC-FDM的波形來擴展覆蓋，而基站近處的用戶則可受益于基于OFDM的波形的靈活性，為5G物聯網的規模建設奠定了技術基礎。

1.5 基于低時延時隙結構的全新靈活設計

5G NR引入了較多策略，以減少時延。承載網進行扁平化改造，實現多路徑通達，減少網絡層次和設備跳數，以進一步降低時延。5G可實現與基站的快速連接。在對時延極其敏感的5G前傳網絡中，采用OTN承載，計算智能可在實地用于對象識別以輔助導航。無人機無需攜帶功能強大的計算機和運行所需的電池，可在運送包裹時飛得更長或者攜帶更好但更重的相機[4]。

1.6 5G的網絡切片技術

5G的網絡切片技術，可針對不同類型業務靈活分配不同的網絡資源，動態優化網絡連接。在傳送平面，能在波長、ODU及VC等硬管道上進行切片，也能在分組的軟管道上進行切片。通過光網絡SDN化，可開展帶寬按需分配BOD和光虛擬專網OVPN等應用，支持跨層、跨域的協同以降低整網的建設成本和運營成本，支持端到端的網絡切片，為智能化運營做好了充足準備。

為滿足多行業的多樣化業務需求，按需實現網絡切片資源分配，為不同切片提供相應的QOS保障。網絡切片使一張5G網絡上同時承載無人機大帶寬、低時延及高可靠的應用[5]。圖2為5G網聯無人機新空口技術。

圖2 5G網聯無人機新空口技術

2 結 論

5G網絡接入低空移動通信網絡的網聯無人機，可實現設備的監管、航線的規范及效率的提升，促進了空域的合理利用。5G網絡具有超高帶寬、低時延、高可靠、廣覆蓋及大連接的特性，將為網聯無人機賦予實時超高清圖傳、遠程低時延控制、永遠在線等重要能力，大大擴展了無人機的應用場景，無人機聯網后的應用將是一個跨越式發展[6]。