系留無人機智簡專網技術分析及應用

馬 丹，田 軍

（中國聯合網絡通信有限公司 山東省分公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

近幾年，業內廠家將無人機與通信基站結合起來，借助系留式無人機長時間飛行的特性和基站產品深度結合，提出了系留式無人機高空基站解決方案，可滿足應急救災指揮、熱點覆蓋等應急通信場景下的應用。然而，現有的系留式無人機高空基站解決方案主要是基于4G的系統。受限于5G基站重量、天線復雜度等因素，迄今尚未有成熟的5G系留式無人機高空基站產品，且從未考慮過實際的應急業務需求。

1 系留無人機智簡專網方案技術介紹

系留無人機因其靈活機動、部署快捷等特點，在應急通信保障領域受到越來越多的重視，并發揮了不可替代的作用。基于4G系留式無人機高空基站和5G通信系統的研發及應用經驗，佰才邦公司與中興公司聯合研發了一款全新的5G無人機高空基站解決方案。該解決方案基于大載重系留式無人機飛行平臺、專門為無人機場景打造的輕量化5G基站以及結合無人機與基站需求定制的5G機載基站天線系統，具有更加強大的應急通信保障能力。結合中興通訊最新推出的算計基站/視頻網關方案和中山智能車研究院的智能操控無人車技術，在高空無人機覆蓋場景下，構建起一套完整的應急網絡解決方案，大大提高了設備的投資效率。

1.1 總體解決方案

5G無人機高空基站解決方案由系留式無人機系統、5G高空基站系統、機載基站定制天線系統等組成[1]。機載5G射頻拉遠單元（Radio Remote Unit，RRU）設備通過系留無人機系統的光纖線路與地面5G室內基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）設備相連，繼而再通過衛星通信車或便攜式衛星終端將信號接入遠端核心網，從而實現受災地區移動信號的快速覆蓋，極大地滿足組網及擴容的帶寬要求。在基站V9200 BBU上安裝算力板卡，支持本地分流等功能，通過本地分流將無人機航拍視頻，無人車的IP攝像頭和串行數字接口（Serial Digital Interface，SDI）攝像頭視頻回傳到本地應急指揮服務器，并能完成應急指揮服務器遠程控制無人車的操作。

1.2 系留無人機解決方案

系留無人機系統由系留無人機空中系統、系留無人機地面系統、系留無人機控制系統組成，其中系留無人機空中系統依靠系留無人機地面系統通過線纜的供電實現長時間的飛行，并將系留無人機空中系統的飛行數據和載荷數據通過系留無人機地面系統內的線纜光纖回傳到地面端。

整套系留無人機系統可分裝在2個箱體內，可由普通的皮卡等車輛運輸，其中無人機飛行平臺單獨收納于航空箱中，航空箱和系線纜收線箱可各自單獨安放。在使用系留無人機外出作業時，由車輛裝載系留無人機系統到達作業地點后，只須將系留無人機由車上搬至地面，然后由操作人員通過地面站/遙控器控制其起飛并開展作業即可。

SkyCells-T15kg200m系留無人機飛行平臺為多旋翼無人機，采用了六旋翼布局的升力系統設計方案，此布局具有負載大和穩定性高的優點，與一般的四旋翼無人機相比搭載能力性能突出[2]。

1.3 5G高空基站解決方案

考慮到系留無人機平臺的實際載重能力和飛行安全，4G/5G基站的選型主要考慮PAD RRU的體積、重量、功耗等因素作為關鍵選型要素。R9115 M2135做為雙頻雙模PAD RRU是中興公司根據全新的場景開發的平臺和產品，能夠滿足燈桿站以及無人機應急通信場景的要求。

1.4 智簡專網方案

本次智簡專網方案中，首次在應急通信場景使用中興自研新一代邊緣計算產品NodeEngine和中興的一款低時延視頻網關產品SE9102。

NodeEngine又稱創新基站引擎，將算力下沉至基站側；硬件只涉及一塊單板，部署簡單即開即用；提供更好的無線能力支撐且成本可控。

NodeEngine采用單BBU部署，BBU增加VGC單板，提供基站級流量卸載（Traffic Offload Function，TOF）功能及低時延視頻、孤站自治等附加網絡能力，滿足各種突發場景下應急通信臨時專網搭建服務。

SmartEdge 9102（SE 9102）是一款業界領先的低時延視頻網關，可提供視頻編碼、數據回傳等各類業務。得益于強大的內置算力及先進的產品設計，可提供高性能、多樣化服務支撐，且外形緊湊、可靠性高，同時可與各種通用工業輸入輸出（Input/Output，I/O）接口完美對接。

SE9102支持多樣的部署場景、配備豐富的工業接口、具有超強的業務能力并且組網方案較為靈活。

對于無人車視頻業務，SE9102收到下掛的海康IP攝像頭和SDI攝像頭視頻報文后，通過5G網絡分流至NE連接的視頻播放端播放。其中SDI攝像頭的視頻數據會在SE9102側完成編碼，然后通過分流網絡發送，顯著降低視頻時延。

為保障業務連續性開啟孤站自治功能，當基站到核心網NG-C斷鏈時，對于連接態終端保持Connected不釋放，配置通過切片+5QI選擇特定用戶，可使其已有業務不中斷，提高網絡整體穩定性。

1.5 機載基站定制天線解決方案

本次使用的5G基站支持4T4R的特性，為了更好地測試5G基站在高空條件下的覆蓋效果，找到最優的覆蓋條件。在本次測試中，使用的天線配置如下：4根單極化全向天線，每根天線最大增益8 dBi；在無人機兩側安裝天線，每側2根，同側2根天線之間的夾角為45°。

2 系留無人機智簡專網測試驗證

為了驗證系留無人機智簡專網的實際效果，山東聯通聯合中興通訊、佰才幫及中山智能研究院在濟南市長清區文昌水利站構建智簡專網。本次課題針對無人機5G下行覆蓋效果、無人機5G上行覆蓋效果、本地分流功能測試、低時延視頻回傳功能測試以及孤站自治功能測試測試，為后續無人機組網、實現空天一體化的通信演進提供了技術基礎。

2.1 5G下行覆蓋效果驗證

無人機基站開通3.5 GHz新空口（New Radio，NR），配上4根單極化全向天線進行覆蓋，采用地面光纖的回傳方式接入核心網[3]。固定天線傾角，無人機分別懸停于100 m高空、120 m高空、150 m高空進行5G網絡覆蓋，5G小區配置商用功率，測試車輛停靠在無人機單小區中心位置，固定終端位置，并進行FTP下載或下行灌包業務，以相對固定的低速（小于30 km/h）沿小區主瓣覆蓋方向向遠處移動，直至掉線，重復測試2次。

下行媒體訪問控制（Medium Access Control，MAC）定點峰值速率能達到1103 Mb/s，PAD RRU采用了高帶寬（100 MHz）高效GaN功放的全新技術，峰值速率較高。不同高度的下行拉遠測試結果比較如表1所示。

表1 不同高度下行拉遠測試結果的比較（濟南測試現場）

無人機高度越高，覆蓋距離表現越好，但速率性能會有一定的損失[4]。通過數據對比，150 m的時候覆蓋距離約為3.4 km，平均參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP） 相 比 于100 m、120 m時低了大約6 dBm。由于隨著覆蓋距離延伸，大部分處于差點點位，導致速率和平均電平都會降低。

2.2 5G上行覆蓋效果驗證

無人機基站開通3.5 GHz NR，配上4根單極化全向天線進行覆蓋，基站采用地面光纖的回傳方式接入核心網。固定天線傾角，無人機懸停于150 m高空進行5G網絡覆蓋，5G小區配置商用功率，測試車輛停靠在無人機單小區中心位置，固定終端位置，并進行文件傳輸協議（File Transfer Protocol，FTP）上傳或上行灌包業務，以相對固定的低速（小于30 km/h）沿小區主瓣覆蓋方向向遠處移動，直至掉線，重復測試2次。上行拉遠測試結果的比較如表2所示。

表2 上行拉遠測試結果的比較（濟南測試現場）

可以看出，上行峰值速率可達312 Mb/s，測試的拉遠距離達到2.97 km左右，和下行拉遠距離存在一些差距，這是由于基站周邊存在同頻干擾，在遠點的時候上行更容易受到干擾而導致終端拖網，所以拉遠距離和下行存在一定差距，上行平均速率在30 Mb/s左右。

后續覆蓋測試可考慮提升無人機高度，由于此次測試無人機載重受限，最大高度飛到了150 m，后期建議可以飛到200 m高度，測試最大覆蓋距離；同時增加天線與垂直方向5°、10°、15°、20°夾角的遍歷。此次測試無人機天線結構件只支持45°夾角，而對于天線覆蓋增益來說，不同角度的測試覆蓋數據更加全面。

2.3 本地分流功能測試

2.3.1 靜態NAT功能驗證

無人機基站開通3.5 GHz NR，基站采用地面光纖的回傳方式接入核心網。通過BBU增加VGC單板構建算力基站，將客戶終端設備（Customer Premise Equipment，CPE）注冊到5G網絡，開啟移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）協同配置和隔離區（Demilitarized Zone，DMZ）配置，將本地服務器與NE本地接口連通，在本地分流模塊上配置設備相關的靜態網絡地址轉換（Network Address Translator，NAT）規則，將分流用戶的源地址轉換為固定的本地網地址，終端通過NAT轉換后的地址訪問本地應用[5]。配置靜態NAT規則后，算力基站能將無人機上CPE上動態獲取的廣域網（Wide Area Network，WAN）地址NAT映射為固定的本地網地址192.168.10.99，簡化本地應急指揮服務器組網。

2.3.2 層二數據轉發（VxLAN）功能驗證

無人車控制主機網線連接SE9102的ETH2端口，內部網絡地址為192.168.1.100。本地服務器直連NE面板端口，服務器配置成和無人車同網段的192.168.1.167地址，從本地服務器ping無人車。從本地服務器端通過分流網絡控制無人車，可以成功控制車輛行駛。

2.4 SE9102低時延視頻回傳功能驗證

在SE9102視頻網關上面，連接SDI高清攝像頭和海康威視IP攝像頭，能夠成功發現設備。在本地服務器側，使用配套軟件FlashVideo，能夠成功播放兩個攝像頭的視頻。

使用網頁計時器粗略計算視頻時延：將SDI攝像頭和海康IP攝像頭同時拍攝筆記本上的網頁計時器，在播放端筆記本上也打開網頁計時器，對回傳視頻畫面進行截屏，根據回傳視頻中的計時器時間和播放端上計時器的時間差能粗略計算出視頻時延，根據回傳視頻中兩個攝像頭拍攝的計時器時間差能計算出SDI攝像頭時延和海康IP攝像頭的時延差。

測試得出SDI視頻時延小于100 ms，SDI低時延攝像頭時延較IP攝像頭小約200 ms，能夠大幅降低視頻的回傳時延，在應急救災場景中可有效進行實時監控救援。

2.5 孤站自治功能驗證

孤站自治功能滿足各種突發場景下應急通信臨時專網搭建服務，在傳輸中斷的條件下實現數據業務和操控的穩定運行。方案初步具備了應急公網和專網結合的能力，為解決救災現場系統終端互相不兼容等問題提供了一種可行性方案。

3 結 論

本文從系留無人機解決方案、5G高空基站方案、智簡專網方案及定制化天線方案等方面詳細介紹了系留無人機智簡專網方案的構成，解決了應急現場多系統終端不兼容的問題。