基于5G的低空網(wǎng)聯(lián)無人機體系研究與應用探討

韓 玲，朱雪田，遲永生

(中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司研究院，北京 100176)

0 引言

近年來無人機技術和產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，應用領域不斷擴大。在中國，“十三五”期間無人機等通航新技術得到推廣應用，通航新業(yè)態(tài)發(fā)展迅猛，截至2020年底，我國實名登記無人機52.36萬架，年飛行量達到159.4萬小時，同比增速達到27.5%[1]。Intelligence預計2021年無人機市場將超過120億美元，Gartner預計到2023年全球物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)企業(yè)無人機全球出貨量將達到130萬臺，低空經(jīng)濟將迎來未來高增長期，結合第五代移動通信技術(the 5th Generation Mobile Communication Technology，5G)發(fā)展大勢，推動低空網(wǎng)聯(lián)無人機發(fā)展，是實現(xiàn)我國無人機產(chǎn)業(yè)突破性發(fā)展、建設新基礎設施和發(fā)展低空經(jīng)濟的重大契機。本文對低空網(wǎng)聯(lián)無人機的關鍵技術進行了研究和分析，提出了基于5G的低空網(wǎng)絡建設方案和部署方案，對基于5G和eSIM技術體系的無人機安全管控和能力平臺的發(fā)展進行了探索。最后，對5G網(wǎng)聯(lián)無人機的應用進行了探討。

1 概述

無人機是無人駕駛飛行器(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)的簡稱，以無人機為主要代表的低空飛行器近年來在軍事、民用及商業(yè)等領域獲得了突飛猛進的發(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)絡替代傳統(tǒng)的點對點測控鏈路，為無人機飛行提供測控通道以及業(yè)務應用提供實時的數(shù)據(jù)回傳通道，是一種不受距離限制的廣域無人機應用模式，可以實現(xiàn)設備的監(jiān)管、航線的規(guī)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(chǎn)生巨大經(jīng)濟價值。網(wǎng)聯(lián)無人機是通過移動通信網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)的無人機，無人機通信網(wǎng)絡包括衛(wèi)星通信網(wǎng)、根據(jù)無人機載荷需求專屬設計的通信網(wǎng)、蜂窩移動通信網(wǎng)等。其中，低空網(wǎng)聯(lián)無人機以公共或專用蜂窩移動通信網(wǎng)作為承載網(wǎng)絡，基于5G新一代蜂窩移動通信技術為網(wǎng)聯(lián)無人機賦予的實時超高清圖傳、遠程低時延控制、永遠在線等重要能力，可以實現(xiàn)無人機分級、分類、分區(qū)域連續(xù)管理的目標，助力建設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技術的低空網(wǎng)聯(lián)無人機體系主要包括網(wǎng)聯(lián)無人機終端、無人機云能力平臺、地面控制站和業(yè)務終端、無人機通信網(wǎng)絡五部分[2]。

圖1 基于蜂窩移動通信網(wǎng)絡的低空網(wǎng)聯(lián)無人機系統(tǒng)架構

其中，網(wǎng)聯(lián)無人機終端包括飛控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、機載計算機系統(tǒng)、任務載荷系統(tǒng)以及安全飛行管理系統(tǒng)等，無人機通過移動蜂窩網(wǎng)絡實現(xiàn)和地面基站間的數(shù)據(jù)雙向交互。網(wǎng)聯(lián)無人機云能力平臺與網(wǎng)聯(lián)無人機進行交互，接收無人機的遙測和視頻數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、分發(fā)、處理，接收各類無人機地面站對無人機的遙控指令。無人機地面控制站與無人機云平臺進行交互，完成無人機遙測指令的接收和地面遙控信息的發(fā)送。業(yè)務終端接收和處理能力平臺轉發(fā)和處理后的視頻信息、遙測信息等業(yè)務信息。

2 技術體系

2.1 組網(wǎng)架構

低空智聯(lián)網(wǎng)是在低空空域(通常3 000 m以下)依托蜂窩移動通信網(wǎng)絡、低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡及地面互聯(lián)網(wǎng)等基礎設施，構建適合低空業(yè)務運營的實體網(wǎng)絡，是物聯(lián)網(wǎng)技術向低空的延伸。泛在低空智聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)聯(lián)無人機行業(yè)應用的基礎設施，5G作為新一代的信息技術，是移動通信技術發(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)的建設是低空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎，對打造數(shù)字經(jīng)濟新興產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

如圖2所示，5G低空智聯(lián)網(wǎng)的建設需要實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡從傳統(tǒng)二維平面覆蓋向三維立體覆蓋的轉變。長期以來，蜂窩移動通信網(wǎng)絡主要針對地面終端進行設計，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)關系復雜等，導致低空覆蓋復雜化和移動性管理失效。第四代移動通信(the 4th Generation Mobile Communication Technology，4G)網(wǎng)絡主要為地面覆蓋進行組網(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)絡的建設需求。5G通過引入大規(guī)模多天線、新頻譜、新編碼、新的幀結構等新空口特性，使得地面網(wǎng)絡的對空覆蓋能力大大增強；通過聯(lián)合處理、自動鄰區(qū)關系等已有技術的增強，以及測量報告、功率控制等機制的針對性優(yōu)化，為低空智聯(lián)網(wǎng)絡提供有效的解決方案[4-6]。經(jīng)過實際測試，目前的5G公共蜂窩移動通信網(wǎng)可以滿足300 m以下絕大部分區(qū)域的無人機安全飛行業(yè)務鏈路指標需求[7]。對于低空網(wǎng)聯(lián)無人機300～3 000 m高度的需求，較難使用公網(wǎng)覆蓋，可通過建設5G專網(wǎng)的方式提供低空網(wǎng)絡覆蓋。

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無人機泛在低空測試基地，共同開展了低空3 000 m以下通航飛機5G網(wǎng)聯(lián)飛行測試，通過依托地面移動網(wǎng)絡基礎設施搭建的5G專網(wǎng)測試環(huán)境，實現(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。此次測試驗證是國內首次在5G低空網(wǎng)絡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，在實際建設部署時，應根據(jù)業(yè)務類型、支撐網(wǎng)絡服務的差異性以及投入成本等綜合考慮建設模式。

圖3提出了一種可行的5G低空專用網(wǎng)絡組網(wǎng)方案。該方案通過建設5G網(wǎng)絡無人機專網(wǎng)基站和5G核心網(wǎng)(5G Core Network，5GC)，采用核心網(wǎng)獨立部署、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)相對獨立，可以各自獨立建設接入和移動性管理功能(Access and Mobility Management Function，AMF)、會話管理功能(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，實現(xiàn)輕量化、本地簡化運維以及行業(yè)定制增強的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，通過切片標識選擇公網(wǎng)或專網(wǎng)的AMF。專網(wǎng)基站只連接專網(wǎng)5GC。在上述組網(wǎng)架構下，公網(wǎng)用戶不能使用5G專網(wǎng)，無人機專網(wǎng)用戶可以使用專網(wǎng)基站接入網(wǎng)絡，也可以使用公網(wǎng)共享基站接入5G專網(wǎng)，必要時無人機專網(wǎng)用戶可以在公網(wǎng)共享基站與專網(wǎng)基站之間切換，對無人機的控制數(shù)據(jù)流和業(yè)務數(shù)據(jù)流分別進行服務質量(Quality of Service，QoS)保障。該方案能夠提供較專有的低空網(wǎng)絡保障能力，適用于對網(wǎng)絡環(huán)境要求較高的無人機聯(lián)網(wǎng)場景。

圖3 5G低空專用網(wǎng)絡組網(wǎng)方案

除了提升無人機在空中的移動性和覆蓋范圍，5G網(wǎng)絡實現(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(Software Defined Network，SDN)和網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Functions Virtualisation，NFV)實現(xiàn)網(wǎng)絡切片關鍵服務，提供以網(wǎng)絡切片和兩級QoS映射等新技術組成的端到端業(yè)務質量保障體系，滿足網(wǎng)聯(lián)無人機應用的多樣化網(wǎng)絡性能需求。基于5G靈活的網(wǎng)絡開放和應用創(chuàng)新能力，5G低空智聯(lián)網(wǎng)可根據(jù)網(wǎng)聯(lián)無人機具體應用需求探索多層次分布式的組網(wǎng)架構及形態(tài)，根據(jù)網(wǎng)絡基礎和數(shù)據(jù)中心規(guī)劃等因素進行靈活部署網(wǎng)絡。

一種可行的5G低空專用網(wǎng)絡建設方案如圖4所示，該建設方案通過將UPF、移動邊緣計算(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)絡邊緣，可以進一步降低傳輸時延，優(yōu)化傳輸網(wǎng)絡負載，滿足特定場景的無人機行業(yè)應用場景。

圖4 5G低空專用網(wǎng)絡建設方案

2.2 協(xié)同安全管控

網(wǎng)聯(lián)無人機終端是網(wǎng)聯(lián)無人機體系架構最前端的功能設備，無人機應用可根據(jù)具體業(yè)務需求和場景適配適宜的終端類型，通過植入機載通信模組接入蜂窩移動網(wǎng)絡實現(xiàn)廣域聯(lián)網(wǎng)能力，并根據(jù)差異化的應用需求搭載不同的功能載荷模塊，實現(xiàn)對應用需求的支持。

作為5G網(wǎng)聯(lián)無人機終端核心組件的機載通信模組，承擔無人機接入蜂窩移動通信網(wǎng)絡的基礎功能，關鍵功能要求包括支持4G/5G無線技術，支持非獨立組網(wǎng)(Non-Standalone，NSA)和獨立組網(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)的機卡接口，支持定位能力、5G網(wǎng)絡切片功能等。當前無人機機載通信模組產(chǎn)品尚處于起步階段，產(chǎn)品的標準化有待進一步提高；缺乏大規(guī)模的測試驗證，隨著5G技術的不斷演進和發(fā)展，機載終端還需進一步加強對新技術的快速響應。

當前，結合eSIM的5G無人機通信模組解決方案已在業(yè)界開始了初步的應用探索。eSIM不僅在物理特性上適用于無人機接入移動通信網(wǎng)絡的場景，嵌入式提供高穩(wěn)定性，能夠適應環(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能力，能夠提供高可靠高安全的架構體系、遠程數(shù)據(jù)的配置管理能力以及對終端設備的全生命周期管理[8]，如圖5所示。eSIM技術的應用將為網(wǎng)聯(lián)無人機終端設備的生產(chǎn)及測試認證管理、產(chǎn)品注冊登記、身份標識能力、認證與鑒權能力等提供解決方案；此基礎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。無人機終端與eSIM架構體系的深度融合，與運營商資源、能力及流程的貫通，將有力推動監(jiān)管機制的建立與完善。

圖5 5G eSIM終端全生命周期遠程管理

2.3 能力平臺

無人機能力平臺提供5G無人機管控與業(yè)務服務，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，構建未來整體低空生態(tài)；另一方面，無人機飛行后產(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)應用提供差異化的要求而不同，需要由統(tǒng)一的無人機能力平臺來進行管理。如圖6所示，無人機能力平臺應至少具備基礎服務功能，包括飛行實施、數(shù)據(jù)存儲、管理認證、數(shù)據(jù)使用等；在此基礎之上，隨著5G無人機應用的發(fā)展，為更好地支持無人機的管理和應用，應支持飛行安全、數(shù)據(jù)處理、智能分析、空域代理等功能。

圖6 5G無人機云能力平臺

5G技術與低空產(chǎn)業(yè)的結合將推動低空新基建從傳統(tǒng)監(jiān)管到數(shù)據(jù)驅動的轉變。無人機能力平臺將進一步利用低空智聯(lián)基礎設施能力，通過云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術提升算力，提高服務能力。未來無人機能力平臺的數(shù)據(jù)業(yè)務與安全監(jiān)管能力將進一步深度融合，安全監(jiān)管所需的傳統(tǒng)空域管理、設備管理、人員管理監(jiān)管需求，與任務管理、設備管理及輔助決策等以數(shù)據(jù)規(guī)劃和數(shù)據(jù)驅動的方式有機融合在一起。

3 5G網(wǎng)聯(lián)無人機業(yè)務應用

近年來我國民用無人機行業(yè)發(fā)展迅速，市場規(guī)模持續(xù)擴張，低空網(wǎng)聯(lián)無人機在物流、農業(yè)植保、基礎設施巡檢、監(jiān)控、救援、直播等領域發(fā)揮了重要的作用。無人機物流和無人機農業(yè)植保需要飛行狀態(tài)上報以及高精度定位信息的下發(fā)；此外，無人機物流需要具備視頻回傳實時操控能力，農業(yè)植保有土地勘測圖片等大量數(shù)據(jù)實時回傳需求。在巡檢、安防、救援場景中，無人機的典型網(wǎng)絡需求包括實時視頻傳輸(多路)、飛行狀態(tài)監(jiān)控、遠程操控以及網(wǎng)絡定位，以保證無人機優(yōu)良的飛行穩(wěn)定性、較快的反應能力和連續(xù)實時的現(xiàn)場跟蹤。無人機測繪為智慧城市、智慧農業(yè)、勘察等多個領域提供了強大的擴展空間，在測繪場景下，除了典型的飛行狀態(tài)監(jiān)控、遠程操控以及網(wǎng)絡定位需求，對實時圖像傳輸、圖像處理的需求尤為迫切[6]。

對于上述領域的應用，4G網(wǎng)聯(lián)無人機僅能滿足現(xiàn)有的部分低速率、對時延不敏感的需求，5G新一代移動通信技術為無人機的發(fā)展注入了新的動能。5G具有超高速、超低時延和超高可靠性的顯著特性，為無人機賦予了遠程控制、高清圖傳、飛行狀態(tài)監(jiān)控、精確定位、網(wǎng)絡安全等關鍵能力，能夠支持多領域多類別的無人機應用，如8K的視頻傳輸能力能夠支持5G無人機在體育賽事、演藝活動等大型活動的VR直播和高清直播；5G還將促進各行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展。同時，云計算、AI技術的發(fā)展使得未來的自主飛行成為可能。

5G低空無人機新技術催生了廣闊的應用空間，當前，國家層面正在促進無人機產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展，相繼出臺了若干法律、規(guī)定和指導意見，低空經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將對社會經(jīng)濟增長產(chǎn)生積極影響。

4 結論

信息技術的發(fā)展催生了無人機產(chǎn)業(yè)的興起和快速發(fā)展。5G網(wǎng)聯(lián)無人機融合了移動終端、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等熱門技術，未來無人機的發(fā)展也必將向信息傳輸網(wǎng)絡化、運行空間數(shù)字化、飛行終端智能化的方向發(fā)展。

當前，無人機在實際應用中主要面臨測控與監(jiān)管兩大核心痛點問題的困擾，5G網(wǎng)聯(lián)無人機體系能夠提供數(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。但當前網(wǎng)聯(lián)無人機的基礎建設、產(chǎn)品和應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，組織實施相關技術研究和標準制定，加快推動5G網(wǎng)聯(lián)無人機關鍵技術突破，創(chuàng)新行業(yè)應用。