5G网联无人机系统

常艳祥 李赫/ 中航华东光电深圳有限公司， 深圳市 罗湖区 518001

导读：无人机行业高速发展的同时，也对无人机通信链路提出了新需求，5G蜂窝移动通信技术与无人机的结合使得正在蓬勃发展的直播、安防、巡检、应急等领域如虎添翼。未来，无人机应用必将向网联化、实时化、智能化等方向快速发展。通过应用创新，构建一个丰富多彩的“网联天空”，将大幅度提升无人机在各行业的应用体验，创造更大的价值。

在过去十年中，无人机在全球市场的销量大幅增长，现在已经成为商业、政府和消费应用的重要工具，可以广泛应用于建筑、石油、天然气、能源、公用事业和农业等领域。

无线通信在过去20年经历了突飞猛进的发展，目前正在步入万物互联的5G时代。5G以全新的网络架构，提供10Gbps以上的带宽、毫秒级时延、超高密度连接，实现网络性能新的跃升。

无人机行业高速发展的同时，也对无人机通信链路提出了新需求，呈现出与蜂窝移动通信技术紧密结合的发展趋势，形成“网联无人机”。以往无线信号主要覆盖地面的人和物，没有专门为无人机设计空中覆盖，低空数字化是一块有待开发的宝藏。在即将到来的5G时代，5G蜂窝移动通信技术与无人机的结合使得实现这些原本天马行空的想法成为可能，将给产业界带来10倍的商业机会。

无人机的通信需求

目前，在中国乃至世界各地，诸多领域已显现出“无人机+行业应用”的蓬勃发展势头。无人机在农林植保、电力及石油管线巡查、应急通信、气象监视、农林作业、海洋水文监测、矿产勘探等领域应用的技术效果和经济效益非常显著。此外，无人机在灾害评估、生化探测及污染采样、遥感测绘、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐、野生动物保护等方面也有着广阔的应用前景。

表1 无人机各应用领域的网络指标需求(数据来源于IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用白皮书)

图1 5G网络能力图(来源于IMT-2020(5G)推进组5G无人机应用白皮书)

接入低空移动通信网络的网联无人机，可以实现设备的监视和管理、航线的规范、效率的提升，促进空域的合理利用，从而极大延展无人机的应用领域，产生巨大经济价值。

无人机应用体系通常包含四个实体要素：运营调度中心、地面控制站、无人机终端、移动接受终端。各要素之间的低延时、大带宽通信能保障无人机系统高效、安全的运行。下表对无人机各应用领域的网络指标需求进行概述。

现有4G网络在无人机应用中面临的挑战

蜂窝连接对于无人机的控制和协同操作非常重要，并能实现更多样化的使用场景。目前4G网络已经具备支持无人机部分场景的通信需求，但同样具有很多挑战，4G网络在带宽、时延、干扰协同上都存在一定的优化空间。

飞行航线上的信号质量问题

低空50～300m区间信号强度RSRP在-80～-90dbm之间，属于较好覆盖，室外能够发起各种业务。但由于飞行沿线的基站主要为地面覆盖建设，无人机所处高度不在地面站天线主瓣范围内，空中信号杂乱，且无主覆盖小区，造成基站下行干扰较大，在部分区域可能出现终端无法解调，出现断线失联问题。

速率问题

根据《5G无人机应用白皮书》分析可知，上行TCP业务速率测试结果显示，在低空50～300m区间，速率均值可达5Mbps以上。5Mbps以上速率占比超过70%，速率低于1Mbps占比在1%左右，可以满足无人机安全飞行的状态信息采集通信需求(30～50kbps)。但是，从表1的分析结果可知，未来有一半以上的业务场景，对传输速率的需求超过6Mbps。

时延问题

根据《5G无人机应用白皮书》分析可知，Ping包(32B)和TCP小包(100B)时延测试结果显示，时延范围基本在200～300ms之间，300m高度时延会达到500～600ms。

此外，无人机终端和地面终端的差异性，带来的干扰增多、移动性管理复杂化、身份验证识别难等技术问题。

5G网络能力

5G 网络通过提供人人通信、人机通信和机器之间通信的多种方式，支持移动因特网和物联网的多种应用场景。同时，5G网络通过提供多样化业务需求和业务特征的能力，适应不同应用场景的灵活性和多样化的业务需求，例如超宽带、超低时延、海量连接、超高可靠性等。5G超高速、超低时延和超高可靠性的显著特征，将为无人机应用注入更强大的生命力。

图2 5G网联无人机整体解决方案

在5G网联无人机网络整体解决方案中，5G网联无人机的无人机终端和地面控制终端均通过5G网络进行数据传输和控制指令传输，并通过业务服务器加载各类场景的应用，其中5G网络提供了从无线网到核心网的整体网络解决方案。

5G网络具备的能力包括以下几个方面：

(1) 覆盖能力。5G网络能解决有用信号强度不差，但是干扰信号强度大，从而SINR低的问题。可以通过降低下行干扰的方式来提高覆盖能力，例如：1)采用大规模天线形成较窄波束对准服务用户，减少小区内和小区间干扰；2)采用协作传输的方式，即多个小区间协调在时、频、空、码、功率域的资源来减少干扰；3)采用不同带宽部分(Bandwidth Part，简称BWP)分频接入，使得地面和空域采用不同的BWP资源，减少空地间的干扰。

(2) 无人机端下行容量。低空无人机的下行业务速率要求较低，如果因为未来无人机的密度增大，5G基站具有大规模天线能力，大规模天线增加水平和垂直面发射通道数，使得水平垂直面的波束更加准确的指向用户，更窄的波束有利于控制干扰，提升用户的信噪比，同时可以实现更多用户的空分复用，提高下行容量。同时，5G拥有更大带宽单载波带宽，相比4G频谱有5～20倍提升。此外，5G不再使用小区参考信号，减少了开销，避免了小区间CRS干扰，提升了频谱效率。

(3) 无人机端上行容量。无人机具有明显的上下行业务不对称性，无人机应用的上行要求100Mbps的速率。与下行容量提升一样，5G通过大带宽、大规模天线精准波束、高阶调制等技术，相对4G大幅提升了上行容量，以用户为中心的无边界网络架构，提供上行高速率、低时延，实现5G网络无缝的移动性和随时随地的极致体验。

表2 5G网络对无人机应用通信需求满足度

(4) 时延。无人机的指挥与控制数据业务需要较低时延，同时高清视频的回传也需要尽可能的减少传输时延。对于无人机传输时延，可以通过高效的时、频、空、码域等维度的资源调度来提高传输链路的质量，减少重传次数；5G新空口可以根据不同的业务时延需求调度不同子载波间隔和时隙符号数目的BWP，结合前置导频、迷你时隙、灵活帧结构、上行免调度设计实现低时延传输。针对C&C数据业务，可以使用自包含子帧结构，传输和反馈可以在一个时隙内完成，大大减少反馈和重传时间。

(5) 可靠性。无人机高可靠通信需求可通过几个途径实现：1)通过时、频、码、空域等多维度资源的协调调度，减少链路干扰，提高链路可靠性；2)通过分集的方式，如时域、频域重复多次传输；3)通过多小区协作，多个小区或者发射节点联合传输；4)控制信道高聚合等级、时隙聚合、Polor码提升控制信道可靠性。

(6) 小区连接数。随着未来5G网络的逐渐普及，地面终端和无人机终端的接入需求都将日益增大，可以通过多用户调度，如多用户多天线来实现资源的高效利用，提高小区连接数，也可以通过多种正交和非正交多址接入方式提高小区容量。

(7) 地面与低空定位。5G基站具有大规模的天线阵列，尤其是在垂直方向的天线数目增多，垂直方向的定位能力大大增强。无人机与基站之间主要以LOS信道为主，可以采用单站或者多站协同的方式来进行定位，因此蜂窝网络的3D定位精度将大大提高。

相较于4G网络，5G网络能力满足了绝大部分无人机的应用场景的通信需求，无人机的联网，已经先在4G网络中实现的部分应用，用5G能够做得更好、更完善，网联无人机将驱动多类场景应用升级。

图3 网联无人机终端通信能力

表3 三类机载终端主要功能规格

图4 5G无人机在安防和应急领域的应用场景

未来网联无人机终端通信能力及应用潜力

未来网联无人机包括六大部分：飞控系统、通信系统、导航系统、机载计算机系统、任务载荷系统以及安全飞行管理系统。如图3所示。

未来的机载终端归纳为ABC三类，以满足不同行业应用场景下需求：

A类：保障安全飞行；

B类：无人机远程超视距实时控制+保障安全飞行；

C类：超大带宽，智能化分析。

无人机在5G加持的情况下，具备上述能力后，在以下领域必将发挥更大价值：

(1)直播(1)

(2)城市、园区安防

(3)电力巡检

(4) 基站巡检

(5)无人机水务

(6)无人机物流配送

(7)无人机应急通信

(8)无人机应急救援

(9)野外科学考察

采用5G加持后，网联无人机对比传统无人机将在应用中具有明显优势：

(1) 网联无人机可以采用自主驾驶和远程人员操控相结合的控制方式，及实现“人在环”的控制回路，可穿越丛林、楼宇、房屋等复杂的环境，可以在无法事先了解的环境下精准作业。目前市面上的基于“自动驾驶仪”的自动飞行无人机需要提前获取地理信息，全手动控制的无人机又无法“盲飞”或远程操控。

(2) 可以装备更多功能的传感器，且对多传感器信息进行数据融合并实时传输，依赖5G通信网络的低延时和高带宽特性，及时传输至地面。

(3) 实时进行图像处理及路径规划，快速提取目标重要特征、自动识别关键特征并采取自主决策机制，实现智能化精细化作业。

(4) 可以采用多机协同作业的模式工作，例如采用通信中继无人机携带5G通信模块，解决复杂的实时通信问题。

图4展示了无人机结合5G在安防和应急领域的应用场景。

未来展望

当前，无人机与无线通信跨界融合的需求与趋势已经有目共睹，无人机5G应用的产业生态，在无人机应用场景和通信需求、终端通信能力、无线技术等方面也初步成熟。通过将5G与无人机相结合，通过应用创新，构成一个全新的、丰富多彩的“网联天空”，将大幅度提升无人机在各行业的应用体验，创造更大的价值。未来，无人机应用必将向网联化、实时化、智能化等方向快速发展。 ■