基于無人機的海上寬帶5G通信技術研究及專利分析

摘? 要：通過基于無人機的海上寬帶5G通信技術，分析無人機平臺搭載5G智能寬帶設備進行海上通信和中繼的可行性，探討相應的通信方案、技術體系及實際應用。通過實驗法和數據分析法對無人機海上寬帶5G通信技術進行研究。海上5G通信技術利用無人機搭載5G通信設備，可以對海上圖像進行采集和實時分析，用于海上搜救、海上巡檢等工作，提高海上搜救、海上巡檢等工作效率。基于無人機的海上寬帶5G通信技術，可以保證海上作業通信的高效、穩定，為各種海上項目提供通信技術支持，并增強應對災害和突發事故的能力。

關鍵詞：無人機;5G網絡;智能寬帶;通信技術;專利分析

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0025-05

Abstract： Through the maritime broadband 5G communication technology based on UAV， the feasibility of carrying 5G intelligent broadband equipment on UAV platform for maritime communication and relay is analyzed， and the corresponding communication scheme， technical system and practical application are discussed. The UAV maritime broadband 5G communication technology is studied by experimental method and data analysis method. Maritime 5G communication technology uses UAV to carry 5G communication equipment to collect and analyze maritime images in real time， which can be used for maritime search and rescue， maritime patrol inspection and other work， so as to improve the efficiency of maritime search and rescue， maritime patrol inspection and other work. The maritime broadband 5G communication technology based on UAV can ensure the efficiency and stability of maritime operation communication， provide communication technology support for various maritime projects， and enhance the ability to deal with disasters and emergencies.

Keywords： UAV; 5G network; intelligent broadband; communication technology; analysis on patent

0? 引? 言

在十三五期間，我國的無人機產業得到迅猛發展，截至2020年底實名登記的無人機超過52萬架，2021年無人機市場將達到120億美元。海上作業面臨復雜困難的外部環境，能夠依靠的技術支持相對有限，傳統的通信方式依賴于船只、島嶼為基站，缺乏地面基站的支持，覆蓋范圍有限，難以滿足海上搜救等工作的要求。智能機械代替人工是海上作業轉型升級的必要途徑，可以降低成本，提高工作效率和應急處理能力。無人機作為數據采集、應急救援工具，成本低、效率高，可以大大擴大覆蓋范圍。以無人機為平臺搭載5G通信設備，可以彌補海上通信環境的劣勢，緩解海上搜救等工作通信不暢的窘境，對各種海上作業具有積極的推動作用。同時通過專利分析，國內機構還需及時掌握5G相關技術和產業發展趨勢，將其利用于無人機中，提高核心競爭力。

1? 無人機海上寬帶5G通信技術的可行性分析

無人機集智能控制技術、傳感器技術、航空動力技術、通信技術等先進技術于一體，是空中作業的重要平臺，“無人機+”可以滿足不同領域的應用需求，在遙感測繪、能源巡檢、基建工程、應急救援等領域有著十分廣泛的應用。我國是全球無人機產業大國，大疆無人機已經成為中國制造的名片之一。

無人機主要采用“點對點”模式的信號傳輸，在地面基站和無人機上均安裝信號收發裝置，在通信網絡支持下傳輸遙控信號和視頻圖像等數據信息。傳統的4G網絡可以滿足遙控信號的傳輸要求，并提供百萬高清的圖像數據傳輸，但無法滿足4K等高清圖像的傳輸需求。4G網絡的定位精度為幾十米范圍，對于需要高精度定位的應用需要增加基站輔助，且只能滿足5 km短距離信號傳輸，在高空作業、遠程作業中難以滿足場景需求。因此，4G通信技術已經無法滿足無人機應用的需求，需要使用超寬帶、超高速、低延時的5G通信技術來實現超遠距離通信。5G通信技術可以使無人機具備實時超高清圖像傳輸的能力，并實現遠程低時延控制，使“無人機+”應用具有更好的適用性。基于無人機的海上寬帶5G通信技術，即是利用5G通信技術和無人機各自的優勢，以無人機為終端平臺搭載5G智能寬帶設備，不僅可以實現無人機自身的超遠程控制，還可以構建無人機通信網絡。

我國擁有幅員遼闊的海域，470萬平方公里的海域面積使得很多海上作業項目都存在大面積的信號弱覆蓋區和盲區。海上通信最大的難題在于覆蓋范圍有限，雖然有覆蓋廣的衛星通信來輔助，但衛星通信成本高、延時大，且帶寬低，制約了圖像傳輸和實時監測等工作的開展。傳統岸基通信手段主要是窄帶數據通信，難以滿足當前的應用需求，基于無人機的海上寬帶5G通信技術是解決這一問題的有效手段，具有低成本、高效率的優勢，和其他方式相比更加可靠、實用。具體可以使用相控陣天線技術，研制適用于無人機的小型智能天線，使用5G頻段進行數據傳輸。海上通信可以采用衛星通信+船載基站+無人機無線組網的方式，無人機搭載5G通信設備接入5G網絡，再通過船載基站和衛星通信系統實現網絡互連，確保通信傳輸不中斷，使海上通信不受時間、距離等限制，大大提高船載基站的網絡通信覆蓋范圍，可以為海域搜集、圖像數據采集等工作提供必要的技術支持。

2? 無人機海上寬帶5G通信技術相關專利分析

專利分析，是以專利文獻和專利信息為研究對象，將專利分析應用于某一技術的技術活動、技術能力的研究，能夠評價某一技術的發展歷程及研究現狀，并能為企業后期的專利布局提供有價值的情報。

2.1? 申請趨勢分析

通過對專利申請的年度趨勢進行分析，可掌握某個領域技術發展的歷程。本文通過對截至2019年之間的無人機海上寬帶5G通信技術相關專利進行檢索，利用incoPat平臺進行分析，結果如圖1所示。

通過上述申請趨勢，我們可以從宏觀層面把握該分析對象在各時期的專利申請熱度變化。申請數量的統計范圍是目前已公開的專利。

2.2? 申請人排名

圖2展示的是按照所屬申請人（專利權人）的專利數量統計的申請人排名情況。該分析可以發現創新成果積累較多的專利申請人，并據此進一步分析其專利競爭實力。

2.3? 技術構成

圖3展示的是分析對象在各技術方向的數量分布情況，通過該分析可以了解分析對象覆蓋的技術類別，以及各技術分支的創新熱度。

2.4? 技術構成功效

圖4展示的是各技術領域不同功效的專利的數量分布情況，有助于了解各類技術的主要應用特征，從而對研發路線進行適應性的調整。

2.5? 技術申請趨勢

圖5展示的是分析對象在不同技術方向專利申請量的分布情況和發展趨勢。分析各階段的技術分布情況，有助于了解特定時期的重要技術分布，挖掘近期的熱門技術方向和未來的發展動向，有助于對行業有一個整體認識，并對研發重點和研發路線進行適應性的調整。對比各技術方向的發展趨勢，有助于識別哪些技術發展更早、更快、更強。

2.6? 技術全球分布

圖6展示的是分析對象在不同技術方向的全球分布情況。

經過上述專利分析，我們可以看出將5G應用于無人機海上通信在2019年其專利申請達到其高峰，其研究的主要方向還是集中在B64C上，也即集中在無人機的結構及其配件的改進上，實現的技術效果和技術目標是提高穩定性，降低復雜性，提高安全性和速度，且美國和韓國的無人機領域的發展也非常蓬勃，中國企業在無人機領域要提前做好布局，盡早打造出牢固的專利壁壘。

3? 無人機海上寬帶5G通信方案與技術體系分析

海上作業以往使用巡邏艇，巡邏艇不僅成本高，而且速度慢、視野小，還需要使用燃油。和巡邏艇相比，無人機的成本更低，速度快、空中視野廣，覆蓋范圍大，且無須使用燃油，使用更簡便、可靠。無人機比船舶的輻射面積更大，巡航效率更高，但是對通信距離、帶寬要求更高，需要有高效、穩定的通信技術支持。5G技術和傳統的衛星、微波通信技術相比，高速率、低延時、低成本，將5G技術與無人機相結合可以大大拓展無人機的海上應用范圍。然而要實現這一技術手段，需要構建完善的組網架構，并研發相控陣天線通信技術等關鍵技術。

3.1? 組網架構

5G通信技術是新一代的信息技術，擁有更快的數據連接和超低的空口時延，可以滿足萬物互聯的需求。依托無人機構建5G通信網絡，可以實現從二維平面向三維立體的轉變，5G技術引入多天線、新頻譜等新空口特性，大大強化了網絡的對空覆蓋能力，可以滿足無人機安全飛行業務需求，并實現控制數據和視頻數據的有效傳輸。無人機5G通信可以采取無線接入無人機專網基站的方式組網，5G專網基站能夠提供專用化的對空覆蓋，無人機可以在專網基站與公網基站之間切換接入，可以保障無人機數據傳輸的質量和穩定性，適用于對網絡穩定性要求較高的海上作業場景。5G網絡不僅可以提高無人機覆蓋范圍，還可以引入全面云化部署，實現網絡切片關鍵服務，滿足無人機多樣化網絡性能需求，可以根據無人機應用需求建立多層次分布式組網架構，結合相關因素靈活部署網絡，滿足特定場景無人機應用的特定需求。

無人機終端是通信方案前端的功能設備，可以根據具體業務需求和場景特點選擇適用的終端，植入通信模組接入5G網絡，還可以搭載不同的功能載荷模塊來滿足差異化的需求。無人機機載通信模組具備接入5G通信網絡的功能，需要支持獨立組網和非獨立組網模式，擁有用戶身份模塊和定位能力等功能。當前機載通信模組尚處于研發的初始階段，相關技術還需要測試驗證，以統一技術標準，提升機載終端設備對新技術的快速響應能力。eSIM適用于無人機5G通信的使用場景，基于eSIM的通信模組解決方案具備不錯的穩定性，可以適應惡劣的飛行環境，并且具備可靠、安全的架構體系，可以實現對終端的全生命周期管理，能夠提供飛行監視、空域管理、信息安全等能力。

無人機能力平臺也是實現5G通信的重要環節，負責對無人機飛行數據、遙測數據等進行處理，提供數據存儲、數據使用等服務功能，并支持智能分析、飛行安全等功能。隨著5G技術與無人機的深度融合，無人機能力平臺需要充分利用人工智能、云計算等技術提升服務能力，強化數據處理分析與安全監管能力。

3.2? 技術體系

第一，相控陣天線通信技術。該技術從陣列天線技術發展而來，通過相位變化實現天線波束指向在空中移動或掃描。技術原理是利用微處理器接收控制信息，由控制軟件計算相移量，再借助天線控制器控制移相過程。隨著信號方向的變化，可以調整相移量來改變天線陣波束最大指向，以實現波束掃描和跟蹤。

第二，5G天線射頻技術，包括大規模MIMO技術、同頻全雙工技術、毫米波技術等：（1）大規模MIMO技術。采用大規模的天線陣列，實現多信號傳播路徑，提高射頻效率和可靠性。該技術能夠實現多用戶波束智能賦型，波束高度集中，空間分辨率提升，可以有效應對干擾，降低發射功率，提升頻譜效率。（2）同頻全雙工技術。該技術在5G通信射頻技術中發展潛力最大，和傳統技術形式相比，優勢在于實現同頻段的同時收發，充分挖掘頻譜資源，可以對無線網絡物理層進行優化。目前對這項技術的研發重點在于進一步挖掘頻譜資源，是5G技術的重點研究方向。（3）毫米波技術。該技術是未來5G通信的主要技術形式之一，可以實現多波束賦型，具有良好的空間分辨率，能夠提升頻譜效率。毫米波頻段信號傳播過程中的衰減較為嚴重，繞射能力不強，容易被障礙物抵擋，但可以拉近終端間的距離，通常選用60 GHz毫米波頻段來避免終端信號干擾。

第三，陣列天線波束成形技術。該技術屬于預編碼技術范疇，能夠對多天線系統陣列增益，利用信號中的空間方向信息，對特定方向信號進行相長干涉，對其他信號進行相消干涉，從而調整信號的幅值和相位，確保每個波束對準相應用戶，實現空間選擇性，提升接收信號的信干噪比，擴大信號覆蓋范圍。

4? 無人機海上寬帶5G通信技術的應用

本文研究的海上5G通信技術利用無人機搭載5G通信設備，可以對海上圖像進行采集和實時分析，實現現場圖像和分析結果的實時回傳，根據分析結果生成報告，從而采取相應的措施。該技術可以用于海上搜救、海上巡檢等工作，利用無人機的便捷性和機動性，能夠很好地實現現場信息收集工作，借助海上寬帶5G通信技術可以實現信息實時回傳，從而提高海上搜救、海上巡檢等工作效率。借助高清航拍攝像機等設備，可以實現海上大面積區域的高效巡檢，對違規排污、非法走私等行為進行觀察打擊，快速獲取海上搜救所需的現場信息，提高信息收集和處理的時效性。下面以海上搜救為典型案例，具體分析基于無人機的5G海上寬帶通信技術的實際應用情況。

4.1? 海上搜救通信方案

無人機應用于海上搜救，需要建立無人機基站與船基、岸基通過基準站相連的5G通信網絡，并依靠衛星定位系統對搜救區域進行精準定位。要實現基于無人機的海上寬帶5G通信技術，需要對無人機機載裝備模塊進行必要的改裝，主要設備包括成像雷達、航拍攝像機、海洋傳感器等，其中海洋傳感系統具備可見光、微波雙波段，能夠準確采集海洋環境中的溫度、風、浪等數據信息，建立航路節點并傳輸數據到船舶基站，由船基對數據整合分析后，發送氣象預報等信息到無人機終端，控制無人機調整高度、航速等飛行參數，提高無人機飛行的穩定性。航拍攝像機使用高清高倍率光學鏡頭，可以實現高空偵察，成像雷達可以基于岸基、船基數據，跟蹤海浪演變軌跡生成海浪波譜、風譜，對搜救區域多角度的大規模數據進行收集，通過海情分析判斷，實現對搜救目標的定位跟蹤，將信息處理結果傳送到船基，為制定救援方案提供可靠依據。

無人機編隊以三架為一個救援編組，利用端到端技術改善編隊內部通訊，實現分布式集群協同控制。每架無人機搭載獨立的5G通信模組和數據處理系統，可以進行無人機之間的協同通訊，提高無人機與船基的傳輸共享速度。救援編組可以提高無人機對復雜任務和環境的適應能力，提升無人機在海上環境的抗干擾能力。考慮到海上搜救的難度，通常需要多編組、多波次搜索，各編組可以同時在不同區域執行任務，通過協調各編組搜索路線提高協同通訊中繼性能。

4.2? 海上搜救的實施

船舶抵達搜救目標最后通信區域后，使用船載設備測定區域內的海洋氣象數據，測算搜救目標的漂移區域，劃定搜救區域和飛行路徑，傳輸相關數據到無人機編隊，開始搜救。無人機編隊對劃定區域進行搜掃，借助航拍攝像機、雷達等進行監控，搜救海洋數據和圖像信息，傳輸到船基。由指揮中心對數據進行計算分析，調整飛行方案。

發現目標后，對航拍圖像進行放大處理，避免誤判。目標確認后，將位置和圖像信息傳輸到指揮中心，由無人機跟蹤目標。指揮中心根據救援目標位置，制定航行路線，盡快趕到現場開展救援工作。

5? 結? 論

綜上所述，基于無人機的海上寬帶5G通信技術，能夠確保海上作業通信的高效、穩定，使人們有能力適應海上的復雜環境，為各種海上項目提供通信技術支持，提高海上作業效率和增強應對災害和突發事故的能力。無人機可以彌補傳統艦艇效率低、成本高的不足，不僅可以搭載5G通信模組實現遠程智能控制和實時數據傳輸，還可以搭載煙氣監測儀、喊話器等設備，滿足各種任務的需要，從空中視角提升海上作業項目的監管能力。同時通過專利分析，國內創新機構還需及時掌握5G相關技術和產業發展趨勢，將其利用于無人機中，提高核心競爭力。

參考文獻：

[1] 于海洋，董石磊，張學智.基于5G網聯無人機的智慧巡防應用研究 [J].電子技術應用，2021，47（5）：11-13+18.

[2] 韓玲，朱雪田，遲永生.基于5G的低空網聯無人機體系研究與應用探討 [J].電子技術應用，2021，47（5）：1-4+10.

[3] 羅瑤，羅進.基于5G的無人機智能組網的應急通信技術開發及應用 [J].電子測試，2021（7）：96-97.

[4] 寧悅，吳嘯晨.5G時代無線電監測站無人機云平臺技術研究 [J].網絡安全技術與應用，2021（1）：89-91.

[5] 陳慧玲，舒飛躍，周鑫鑫，等.基于“5G+無人機”的自然資源監測監管業務體系研究與探討 [J].國土資源信息化，2021（4）：9-15.

[6] 吳文博，唐艷.“5G+無人機”的應用與發展問題研究 [J].中國無線電，2021（4）：71-72.

[7] 鐘劍峰，王紅軍.基于5G和無人機智能組網的應急通信技術 [J].電訊技術，2020，60（11）：1290-1296.

[8] 韓將星.5G時代無線電監測站無人機云平臺建設方案研究 [J].通信技術，2020，53（2）：345-352.

[9] 夏如君.5G賦能海上無人值守平臺 [J].電信科學，2021，37（7）：148-154.

作者簡介：加玉（1984—），女，漢族，湖北隨州人，助理研究員，碩士研究生，主要研究方向：通信方向知識產權。