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導讀：無人機行業(yè)高速發(fā)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(jié)合使得正在蓬勃發(fā)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(wǎng)聯(lián)化、實時化、智能化等方向快速發(fā)展。通過應用創(chuàng)新，構(gòu)建一個豐富多彩的“網(wǎng)聯(lián)天空”，將大幅度提升無人機在各行業(yè)的應用體驗，創(chuàng)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(xiàn)在已經(jīng)成為商業(yè)、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(yè)和農(nóng)業(yè)等領域。無線通信在過去20年經(jīng)歷了突飛猛進的發(fā)展，目前正在步入萬物互聯(lián)的5G時代。5G以全新的網(wǎng)絡架構(gòu)，提供10Gbps以上的帶寬、毫秒級時延、超高密度連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡性能新的躍升。

無人機行業(yè)高速發(fā)展的同時，也對無人機通信鏈路提出了新需求，呈現(xiàn)出與蜂窩移動通信技術緊密結(jié)合的發(fā)展趨勢，形成“網(wǎng)聯(lián)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(shù)字化是一塊有待開發(fā)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(jié)合使得實現(xiàn)這些原本天馬行空的想法成為可能，將給產(chǎn)業(yè)界帶來10倍的商業(yè)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(xiàn)出“無人機+行業(yè)應用”的蓬勃發(fā)展勢頭。無人機在農(nóng)林植保、電力及石油管線巡查、應急通信、氣象監(jiān)視、農(nóng)林作業(yè)、海洋水文監(jiān)測、礦產(chǎn)勘探等領域應用的技術效果和經(jīng)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(wǎng)絡指標需求(數(shù)據(jù)來源于IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書)

圖1 5G網(wǎng)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(wǎng)絡的網(wǎng)聯(lián)無人機，可以實現(xiàn)設備的監(jiān)視和管理、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。

無人機應用體系通常包含四個實體要素：運營調(diào)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(tǒng)高效、安全的運行。下表對無人機各應用領域的網(wǎng)絡指標需求進行概述。

現(xiàn)有4G網(wǎng)絡在無人機應用中面臨的挑戰(zhàn)

蜂窩連接對于無人機的控制和協(xié)同操作非常重要，并能實現(xiàn)更多樣化的使用場景。目前4G網(wǎng)絡已經(jīng)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(zhàn)，4G網(wǎng)絡在帶寬、時延、干擾協(xié)同上都存在一定的優(yōu)化空間。

飛行航線上的信號質(zhì)量問題

低空50～300m區(qū)間信號強度RSRP在-80～-90dbm之間，屬于較好覆蓋，室外能夠發(fā)起各種業(yè)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(nèi)，空中信號雜亂，且無主覆蓋小區(qū)，造成基站下行干擾較大，在部分區(qū)域可能出現(xiàn)終端無法解調(diào)，出現(xiàn)斷線失聯(lián)問題。

速率問題

根據(jù)《5G無人機應用白皮書》分析可知，上行TCP業(yè)務速率測試結(jié)果顯示，在低空50～300m區(qū)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(tài)信息采集通信需求(30～50kbps)。但是，從表1的分析結(jié)果可知，未來有一半以上的業(yè)務場景，對傳輸速率的需求超過6Mbps。

時延問題

根據(jù)《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(jié)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(wǎng)絡能力

5G 網(wǎng)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(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的多種應用場景。同時，5G網(wǎng)絡通過提供多樣化業(yè)務需求和業(yè)務特征的能力，適應不同應用場景的靈活性和多樣化的業(yè)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(wǎng)聯(lián)無人機整體解決方案

在5G網(wǎng)聯(lián)無人機網(wǎng)絡整體解決方案中，5G網(wǎng)聯(lián)無人機的無人機終端和地面控制終端均通過5G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸，并通過業(yè)務服務器加載各類場景的應用，其中5G網(wǎng)絡提供了從無線網(wǎng)到核心網(wǎng)的整體網(wǎng)絡解決方案。

5G網(wǎng)絡具備的能力包括以下幾個方面：

(1) 覆蓋能力。5G網(wǎng)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(guī)模天線形成較窄波束對準服務用戶，減少小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾；2)采用協(xié)作傳輸?shù)姆绞剑炊鄠€小區(qū)間協(xié)調(diào)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(yè)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(guī)模天線能力，大規(guī)模天線增加水平和垂直面發(fā)射通道數(shù)，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(xiàn)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(qū)參考信號，減少了開銷，避免了小區(qū)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(yè)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(guī)模天線精準波束、高階調(diào)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(wǎng)絡架構(gòu)，提供上行高速率、低時延，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡無縫的移動性和隨時隨地的極致體驗。

表2 5G網(wǎng)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(shù)據(jù)業(yè)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(diào)度來提高傳輸鏈路的質(zhì)量，減少重傳次數(shù)；5G新空口可以根據(jù)不同的業(yè)務時延需求調(diào)度不同子載波間隔和時隙符號數(shù)目的BWP，結(jié)合前置導頻、迷你時隙、靈活幀結(jié)構(gòu)、上行免調(diào)度設計實現(xiàn)低時延傳輸。針對C&C數(shù)據(jù)業(yè)務，可以使用自包含子幀結(jié)構(gòu)，傳輸和反饋可以在一個時隙內(nèi)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(xiàn)：1)通過時、頻、碼、空域等多維度資源的協(xié)調(diào)調(diào)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(qū)協(xié)作，多個小區(qū)或者發(fā)射節(jié)點聯(lián)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(qū)連接數(shù)。隨著未來5G網(wǎng)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(diào)度，如多用戶多天線來實現(xiàn)資源的高效利用，提高小區(qū)連接數(shù)，也可以通過多種正交和非正交多址接入方式提高小區(qū)容量。(7) 地面與低空定位。5G基站具有大規(guī)模的天線陣列，尤其是在垂直方向的天線數(shù)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(xié)同的方式來進行定位，因此蜂窩網(wǎng)絡的3D定位精度將大大提高。相較于4G網(wǎng)絡，5G網(wǎng)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(lián)網(wǎng)，已經(jīng)先在4G網(wǎng)絡中實現(xiàn)的部分應用，用5G能夠做得更好、更完善，網(wǎng)聯(lián)無人機將驅(qū)動多類場景應用升級。

圖3 網(wǎng)聯(lián)無人機終端通信能力

表3 三類機載終端主要功能規(guī)格

圖4 5G無人機在安防和應急領域的應用場景

未來網(wǎng)聯(lián)無人機終端通信能力及應用潛力

未來網(wǎng)聯(lián)無人機包括六大部分：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)。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(yè)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(fā)揮更大價值：(1)直播(1)(2)城市、園區(qū)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(wǎng)聯(lián)無人機對比傳統(tǒng)無人機將在應用中具有明顯優(yōu)勢：(1) 網(wǎng)聯(lián)無人機可以采用自主駕駛和遠程人員操控相結(jié)合的控制方式，及實現(xiàn)“人在環(huán)”的控制回路，可穿越叢林、樓宇、房屋等復雜的環(huán)境，可以在無法事先了解的環(huán)境下精準作業(yè)。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(shù)據(jù)融合并實時傳輸，依賴5G通信網(wǎng)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(guī)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(xiàn)智能化精細化作業(yè)。

(4) 可以采用多機協(xié)同作業(yè)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。

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(jīng)有目共睹，無人機5G應用的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，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(jié)合，通過應用創(chuàng)新，構(gòu)成一個全新的、豐富多彩的“網(wǎng)聯(lián)天空”，將大幅度提升無人機在各行業(yè)的應用體驗，創(chuàng)造更大的價值。未來，無人機應用必將向網(wǎng)聯(lián)化、實時化、智能化等方向快速發(fā)展。

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