5G 環境下無人機高清視頻數據實時傳輸組網方式研究*

鄭 杰，陳高亮，時海龍，余慶韶，楊曉旭，郭志彬

（河南浩宇空間數據科技有限責任公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

2019 年6 月6 日，工信部向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電正式頒發5G 牌照，中國正式進入5G 商用元年，“信息視頻化、視頻超高清化”成為全球信息產業發展的大趨勢。從增長和規模來看，到2022 年，超高清（或4K）的視頻點播IP 流量將占全球IP 視頻流量的22%，超高清占視頻點播IP 流量的百分比將高達35%。從技術演進來看，視頻已經從標清、高清進入4K，即將進入8K、AR/VR 時代[1]。

無人駕駛航空器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）能夠為政府、企業提供眾多領域的解決方案，廣泛應用于農林植保、電力/石油/天然氣管線巡查、水利工程管理、環保督查、礦產勘查、海洋水文監測、市政管理、消防應急、災害評估、遙感測繪、治安反恐和消費娛樂等領域[2]。第五代移動通信技術為無人機賦予實時超高清圖傳能力，將催生無人機超高清視頻實時傳輸服務，顛覆4G 時代的思維方式和工作習慣，重塑行業流程和作業規范。

1 存在的問題

在4G 通信條件下，無人機高清視頻實時傳輸組網受到無人機設備、圖傳電臺、網絡帶寬、網絡延時等諸多方面的限制，傳輸1 080 P 高清圖像會出現延時、卡頓、數據丟失等問題。經過多次測試，歸納為以下幾個主要問題。

1.1 圖傳距離有限

目前，市面上常見的多旋翼無人機廠家提供的視頻傳輸鏈路采用的是傳統的圖傳電臺。無人機設備在沒有向無線電管理部門報備的情況下，受相關法律的約束不能使用大功率電臺。因此，理想情況下，大多數市售多旋翼無人機圖傳有效距離在2 km 內。

1.2 圖像分辨率低

圖像分辨率受視頻采集設備、傳輸鏈路、展示平臺等多方因素限制。市售多旋翼無人機的視頻采集設備可以達到4K 或更高的圖像采集能力，但僅限于存儲在無人機的存儲設備里，若通過傳輸鏈路，圖像分辨率將會受到限制。

1.3 直播圖像延時卡頓嚴重

用4G 網絡作為通信鏈路，將多旋翼無人機采集的1 080 P 分辨率的視頻推流到播平臺上，實測效果會出現直播圖像延遲、圖像卡頓、花屏現象，導致直播視頻無法正常觀看。因此，此種方式不能作為視頻直播應用。

1.4 多旋翼無人機供電和有效載荷受限

市售的多旋翼無人機設備，單組電池飛行時間在45 min 以內比較常見，原因是單純增加多旋翼無人機機載電池的數量或者單組電池功率并不能有效增加該無人機的飛行時間。

1.5 機載數據傳輸設備受限

市售的多旋翼無人機，大都是通過自身的圖傳電臺傳輸視頻數據，且只有部分無人機設備開放機載視頻接口。因此，目前的較優選擇是采用多旋翼無人機廠家原配的圖傳電臺作為數據傳輸鏈路傳輸視頻數據。經過比對，大多數多旋翼無人機廠家最高只支持1 080 P 的高清視頻數據傳輸。

1.6 傳輸鏈路帶寬受限

若視頻分辨率為1 920×1 080，幀率為50，那么每秒的數據量為103.68 Mb。按照H.265 格式編碼壓縮，實測大致為60 ～70 Mb/s 的帶寬可以滿足該制式的視頻傳輸。可見，4G 條件下無法滿足1 080 P 高清視頻傳輸鏈路要求，更無法滿足4K、8K或更高的視頻傳輸要求。

綜上所述，4G 條件下無法滿足多旋翼無人機高清視頻實時傳輸的要求，只能在5G eMBB[3]的場景里尋找合適的組網方案。

2 組網方案研究

無人機高清視頻數據傳輸組網由無人機視頻數據采集設備、無人機圖傳電臺、無人機地面站、5G CPE、5G 基站以及骨干通信網絡6 個主要環節組成。其中，影響傳輸效果的關鍵是無人機圖傳電臺、無人機地面站、5G CPE 之間的傳輸效率。通過組網方案的對比測試，需選擇高清視頻傳輸效果好的組網方案。

2.1 組網方案對比

組網方案一：利用自組無人機系統的圖傳電臺，高清視頻信號傳回地面站。地面站有網絡接口，通過雙絞線鏈接5G CPE，再用5G CPE 接入5G 基站，通過骨干通信網傳回終端。圖傳電臺要選擇滿足高清視頻傳輸帶寬和傳輸距離的要求。

測試結果：通信設備拉距500 m 左右開始出現視頻信號卡頓，延遲在5 s 左右；800 m 左右信號中斷；返回到650 m 處開始有信號，500 m 處信號恢復。

組網方案二：采用具備網絡接口視頻輸出的4K 高清攝像設備，通過網絡接口（RJ45）接到5G CPE 設備。無人機搭載CPE 設備，在空中實現5G信息鏈路的鏈接，將機載4K 視頻數據直接傳輸到5G 基站。通過5G 基站利用骨干通信網傳輸到終端，實現4K高清視頻的實時傳輸。組網方案如圖1所示。

圖1 組網方案

方案優勢：（1）不受圖傳電臺的限制，只要有5G 信號就可以傳輸數據；（2）高清視頻傳輸距離僅受限于5G 基站的信號覆蓋能力，實測可以達到1 000 m，可以在多個5G 基站之間切換，實現高清視頻的流暢傳輸；（3）平均延時低于方案一，較少了中間傳輸設備和環節。測試數據如表1 所示。

表1 數據傳輸測試表

測試結論：經過方案的優化和設備選型，在現有技術設備條件下，利用方案二組網是可行的方法。

2.2 硬件設備選擇

多旋翼無人機選擇有效載荷在2 000 g 的設備，其中需要搭載的5G CPE 設備約700 g，3 000 mAh 12 V 鋰電電池約300 g，4K 攝像機和云臺約800 g。

3 應用場景

經過實際測試，1 080 P 高清視頻傳輸延時在1 s 左右，不影響正常使用，畫面流暢無卡頓。4K超高清視頻傳輸延時在2 s 以內，基本不影響正常使用，畫面流暢無卡頓。同城傳輸測試圖像傳輸質量穩定。多旋翼無人機飛行時間在20 min 左右。這個組網方案基本可以滿足常規作業任務。目前，該方案已經在河南省多地環保巡查工作中使用。

4 仍需解決的問題

4.1 多旋翼無人機載荷較重，飛行時間短

由于無人機搭載的設備接近2 000 g，無人機操控難度增加，安全性能隨之降低，飛行時間短。因此，建議減輕無人機的載荷，降低故障風險，提高工作效率。

4.2 多旋翼無人機掛載設備多，容易出故障

該方案存在鏈接故障的隱患較多，尤其是飛行準備階段，工作較為繁瑣。設備多、接線口多在空中出現問題的幾率相應增大，因此建議減少無人機掛載設備，小型化集約化相關設備。

4.3 需要兩個人同時操控

由于無人機和攝像機是兩個獨立的控制單元，在執行任務時需要兩個操作手，一人負責操作無人機，另一人負責操作攝像頭。因此，建議改進飛控，使得地面站可以同時操控無人機和攝像頭。

4.4 飛行前準備時間長，不夠靈活

飛行前需要往無人機上搭載設備，組裝需要時間，還要多次檢查以避免出現飛行事故，所以準備時間較長。執行任務時的靈活度不夠，轉場飛行效率偏低。因此，建議在可能的情況下減少無人機載荷。

4.5 5G 信號的空中分布仍需研究

5G RAN側組網方式可總體上分為獨立部署（SA，Stand alone）和非獨立部署（NSA，non-Stand-alone）兩種[4]。NSA 組網方式并沒有完全脫離4G 網絡，5G 信號的自干擾現象仍需優化。5G 信號在空中尤其是在50 m 以上空間的分布情況以及信號強度情況都需要進一步的研究。

5 結 語

通過實際組網測試，在現有技術條件下可以實現多旋翼無人機超高清視頻的實時傳輸，基本滿足高清視頻無人機直播的應用需求。超高清視頻直播對網絡環境的要求較高，不僅分辨率要達到4K 甚至8K，幀率要求50 幀/秒以上，圖像量化精度提升到10 bit，同時圖像增加HDR 標準[5]。作為中國移動5G 聯合創新中心（河南）開放實驗室、中國聯合網絡通信有限公司（鄭州）5G+AI+UAV 聯合創新實驗室成員單位，筆者將進一步致力于無人機5G 超高清數據傳輸設備的研發。