5G網聯無人機系統

常艷祥 李赫/ 中航華東光電深圳有限公司， 深圳市 羅湖區 518001

導讀：無人機行業高速發展的同時，也對無人機通信鏈路提出了新需求，5G蜂窩移動通信技術與無人機的結合使得正在蓬勃發展的直播、安防、巡檢、應急等領域如虎添翼。未來，無人機應用必將向網聯化、實時化、智能化等方向快速發展。通過應用創新，構建一個豐富多彩的“網聯天空”，將大幅度提升無人機在各行業的應用體驗，創造更大的價值。

在過去十年中，無人機在全球市場的銷量大幅增長，現在已經成為商業、政府和消費應用的重要工具，可以廣泛應用于建筑、石油、天然氣、能源、公用事業和農業等領域。

無線通信在過去20年經歷了突飛猛進的發展，目前正在步入萬物互聯的5G時代。5G以全新的網絡架構，提供10Gbps以上的帶寬、毫秒級時延、超高密度連接，實現網絡性能新的躍升。

無人機行業高速發展的同時，也對無人機通信鏈路提出了新需求，呈現出與蜂窩移動通信技術緊密結合的發展趨勢，形成“網聯無人機”。以往無線信號主要覆蓋地面的人和物，沒有專門為無人機設計空中覆蓋，低空數字化是一塊有待開發的寶藏。在即將到來的5G時代，5G蜂窩移動通信技術與無人機的結合使得實現這些原本天馬行空的想法成為可能，將給產業界帶來10倍的商業機會。

無人機的通信需求

目前，在中國乃至世界各地，諸多領域已顯現出“無人機+行業應用”的蓬勃發展勢頭。無人機在農林植保、電力及石油管線巡查、應急通信、氣象監視、農林作業、海洋水文監測、礦產勘探等領域應用的技術效果和經濟效益非常顯著。此外，無人機在災害評估、生化探測及污染采樣、遙感測繪、緝毒緝私、邊境巡邏、治安反恐、野生動物保護等方面也有著廣闊的應用前景。

表1 無人機各應用領域的網絡指標需求(數據來源于IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書)

圖1 5G網絡能力圖(來源于IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書)

接入低空移動通信網絡的網聯無人機，可以實現設備的監視和管理、航線的規范、效率的提升，促進空域的合理利用，從而極大延展無人機的應用領域，產生巨大經濟價值。

無人機應用體系通常包含四個實體要素：運營調度中心、地面控制站、無人機終端、移動接受終端。各要素之間的低延時、大帶寬通信能保障無人機系統高效、安全的運行。下表對無人機各應用領域的網絡指標需求進行概述。

現有4G網絡在無人機應用中面臨的挑戰

蜂窩連接對于無人機的控制和協同操作非常重要，并能實現更多樣化的使用場景。目前4G網絡已經具備支持無人機部分場景的通信需求，但同樣具有很多挑戰，4G網絡在帶寬、時延、干擾協同上都存在一定的優化空間。

飛行航線上的信號質量問題

低空50～300m區間信號強度RSRP在-80～-90dbm之間，屬于較好覆蓋，室外能夠發起各種業務。但由于飛行沿線的基站主要為地面覆蓋建設，無人機所處高度不在地面站天線主瓣范圍內，空中信號雜亂，且無主覆蓋小區，造成基站下行干擾較大，在部分區域可能出現終端無法解調，出現斷線失聯問題。

速率問題

根據《5G無人機應用白皮書》分析可知，上行TCP業務速率測試結果顯示，在低空50～300m區間，速率均值可達5Mbps以上。5Mbps以上速率占比超過70%，速率低于1Mbps占比在1%左右，可以滿足無人機安全飛行的狀態信息采集通信需求(30～50kbps)。但是，從表1的分析結果可知，未來有一半以上的業務場景，對傳輸速率的需求超過6Mbps。

時延問題

根據《5G無人機應用白皮書》分析可知，Ping包(32B)和TCP小包(100B)時延測試結果顯示，時延范圍基本在200～300ms之間，300m高度時延會達到500～600ms。

此外，無人機終端和地面終端的差異性，帶來的干擾增多、移動性管理復雜化、身份驗證識別難等技術問題。

5G網絡能力

5G 網絡通過提供人人通信、人機通信和機器之間通信的多種方式，支持移動因特網和物聯網的多種應用場景。同時，5G網絡通過提供多樣化業務需求和業務特征的能力，適應不同應用場景的靈活性和多樣化的業務需求，例如超寬帶、超低時延、海量連接、超高可靠性等。5G超高速、超低時延和超高可靠性的顯著特征，將為無人機應用注入更強大的生命力。

圖2 5G網聯無人機整體解決方案

在5G網聯無人機網絡整體解決方案中，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的應用，其中5G網絡提供了從無線網到核心網的整體網絡解決方案。

5G網絡具備的能力包括以下幾個方面：

(1) 覆蓋能力。5G網絡能解決有用信號強度不差，但是干擾信號強度大，從而SINR低的問題。可以通過降低下行干擾的方式來提高覆蓋能力，例如：1)采用大規模天線形成較窄波束對準服務用戶，減少小區內和小區間干擾；2)采用協作傳輸的方式，即多個小區間協調在時、頻、空、碼、功率域的資源來減少干擾；3)采用不同帶寬部分(Bandwidth Part，簡稱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) 無人機端下行容量。低空無人機的下行業務速率要求較低，如果因為未來無人機的密度增大，5G基站具有大規模天線能力，大規模天線增加水平和垂直面發射通道數，使得水平垂直面的波束更加準確的指向用戶，更窄的波束有利于控制干擾，提升用戶的信噪比，同時可以實現更多用戶的空分復用，提高下行容量。同時，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不再使用小區參考信號，減少了開銷，避免了小區間CRS干擾，提升了頻譜效率。

(3) 無人機端上行容量。無人機具有明顯的上下行業務不對稱性，無人機應用的上行要求100Mbps的速率。與下行容量提升一樣，5G通過大帶寬、大規模天線精準波束、高階調制等技術，相對4G大幅提升了上行容量，以用戶為中心的無邊界網絡架構，提供上行高速率、低時延，實現5G網絡無縫的移動性和隨時隨地的極致體驗。

表2 5G網絡對無人機應用通信需求滿足度

(4) 時延。無人機的指揮與控制數據業務需要較低時延，同時高清視頻的回傳也需要盡可能的減少傳輸時延。對于無人機傳輸時延，可以通過高效的時、頻、空、碼域等維度的資源調度來提高傳輸鏈路的質量，減少重傳次數；5G新空口可以根據不同的業務時延需求調度不同子載波間隔和時隙符號數目的BWP，結合前置導頻、迷你時隙、靈活幀結構、上行免調度設計實現低時延傳輸。針對C&C數據業務，可以使用自包含子幀結構，傳輸和反饋可以在一個時隙內完成，大大減少反饋和重傳時間。

(5) 可靠性。無人機高可靠通信需求可通過幾個途徑實現：1)通過時、頻、碼、空域等多維度資源的協調調度，減少鏈路干擾，提高鏈路可靠性；2)通過分集的方式，如時域、頻域重復多次傳輸；3)通過多小區協作，多個小區或者發射節點聯合傳輸；4)控制信道高聚合等級、時隙聚合、Polor碼提升控制信道可靠性。

(6) 小區連接數。隨著未來5G網絡的逐漸普及，地面終端和無人機終端的接入需求都將日益增大，可以通過多用戶調度，如多用戶多天線來實現資源的高效利用，提高小區連接數，也可以通過多種正交和非正交多址接入方式提高小區容量。

(7) 地面與低空定位。5G基站具有大規模的天線陣列，尤其是在垂直方向的天線數目增多，垂直方向的定位能力大大增強。無人機與基站之間主要以LOS信道為主，可以采用單站或者多站協同的方式來進行定位，因此蜂窩網絡的3D定位精度將大大提高。

相較于4G網絡，5G網絡能力滿足了絕大部分無人機的應用場景的通信需求，無人機的聯網，已經先在4G網絡中實現的部分應用，用5G能夠做得更好、更完善，網聯無人機將驅動多類場景應用升級。

圖3 網聯無人機終端通信能力

表3 三類機載終端主要功能規格

圖4 5G無人機在安防和應急領域的應用場景

未來網聯無人機終端通信能力及應用潛力

未來網聯無人機包括六大部分：飛控系統、通信系統、導航系統、機載計算機系統、任務載荷系統以及安全飛行管理系統。如圖3所示。

未來的機載終端歸納為ABC三類，以滿足不同行業應用場景下需求：

A類：保障安全飛行；

B類：無人機遠程超視距實時控制+保障安全飛行；

C類：超大帶寬，智能化分析。

無人機在5G加持的情況下，具備上述能力后，在以下領域必將發揮更大價值：

(1)直播(1)

(2)城市、園區安防

(3)電力巡檢

(4) 基站巡檢

(5)無人機水務

(6)無人機物流配送

(7)無人機應急通信

(8)無人機應急救援

(9)野外科學考察

采用5G加持后，網聯無人機對比傳統無人機將在應用中具有明顯優勢：

(1) 網聯無人機可以采用自主駕駛和遠程人員操控相結合的控制方式，及實現“人在環”的控制回路，可穿越叢林、樓宇、房屋等復雜的環境，可以在無法事先了解的環境下精準作業。目前市面上的基于“自動駕駛儀”的自動飛行無人機需要提前獲取地理信息，全手動控制的無人機又無法“盲飛”或遠程操控。

(2) 可以裝備更多功能的傳感器，且對多傳感器信息進行數據融合并實時傳輸，依賴5G通信網絡的低延時和高帶寬特性，及時傳輸至地面。

(3) 實時進行圖像處理及路徑規劃，快速提取目標重要特征、自動識別關鍵特征并采取自主決策機制，實現智能化精細化作業。

(4) 可以采用多機協同作業的模式工作，例如采用通信中繼無人機攜帶5G通信模塊，解決復雜的實時通信問題。

圖4展示了無人機結合5G在安防和應急領域的應用場景。

未來展望

當前，無人機與無線通信跨界融合的需求與趨勢已經有目共睹，無人機5G應用的產業生態，在無人機應用場景和通信需求、終端通信能力、無線技術等方面也初步成熟。通過將5G與無人機相結合，通過應用創新，構成一個全新的、豐富多彩的“網聯天空”，將大幅度提升無人機在各行業的應用體驗，創造更大的價值。未來，無人機應用必將向網聯化、實時化、智能化等方向快速發展。 ■