5G商用无人机业务感知优化实践

李 凌，姚赛彬，付 智，常士乐（中国联通上海分公司，上海 200080）

1 概述

2018 年，上海联通与上海天然气管网公司签署天然气主干网5G 无人机巡线战略合作协议。为推动合作项目尽快上线，上海联通与中国联通研究院组建联合项目组，选定在崇明岛开展试验。在网络方面，建成天然气主干网沿线5G 无人机专网，覆盖长度超过100 km。在终端方面，按照飞行高度400 m 和飞行速度120 km/h 的设计方案，完成机载任务计算机和5G CPE 的集成，挂载4K 超高清光电吊舱，支持4K 超高清视频流的实时编码及传输。在实时操控方面，为满足5G 无人机实时操控和4K 超高清视频实时回传的需求，网络侧部署边缘云MEC，与云端无人机业务平台有效协同，端到端时延低于20 ms。

1.1 无人机巡检优势

工业管线巡检是指对供电线路、输油管道、燃气管道等进行定期检查。早期，工业管线的巡检以人力巡检方式为主。由于此类设施大多处于环境恶劣的区域，传统的人工巡检方案受环境及天气等影响，工作量大、工作效率较低、成本较高，且存在一定的人身安全风险。为了弥补人力巡检的局限性，无人机巡检应运而生。

图1示出的是无人机巡检发展趋势。

图1 无人机巡检发展趋势

1.2 首个商用5G无人机项目

中国信通院发布《5G 无人机应用白皮书》，从无人机应用场景和通信需求、4G 网络能力、5G 网络能力、网联无人机终端通信能力、5G 应用案例、无人机安全飞行、标准进展等方面阐述了5G 无人机应用的情况，标志着5G无人机技术已完成实验环境测试。

上海联通与天然气管网公司签订《5G 无人机战略协议》，天然气主干网5G 工业无人机巡线于2019 年3月31 日首飞成功，成为全球首个商用5G 无人机业务，获得客户高度认可。无人机巡检范围包括83 km 管道中心两侧200 m 内的房屋、建筑、水库等的占压，通过5G 传送所拍摄影像资料，进行实时对比分析判断控制保护区变化情况。

本项目的三大亮点在于：主要实现识别控制保护区范围，并针对此范围开展巡查工作；项目主要实现三大功能，一是自动巡检，使用无人机巡线方案后，显著提升效率、降低成本。从原本的人工作业需要12 h，缩短至2 h，效率提升6 倍；并保障了作业人员人身安全。二是智能分析，实时传送所拍摄的4K 高清影像资料，通过智能识别技术，对无人机前后2 次拍摄影像资料进行对比分析，判断控制保护区变化情况；三是实用价值，工业无人机采用航空柴油供能，具备飞行时间长、距离远的特点，通过5G 网络完成80 km 超长距离飞行控制，行业实用价值远高于小型电池驱动无人机。

2 无人机新型业务对网络能力带来挑战

2.1 飞行速度凸现的多普勒效应

多普勒效应是指随着移动物体与基站距离的远近，合成频率会在中心频率上下偏移的现象：当移动物体和基站越来越近时，频率增加，波长变短，频偏减小，频偏的变化增大；当移动物体和基站越来越远时，频率降低，波长变长，频偏增大，频偏的变化减小；高速移动的用户频繁改变与基站之间的距离，频移现象非常严重；运动速度越快影响越大。

多普勒效应显著，进而影响无线通信质量，主要是频偏的变化程度呈非线性关系，也就是说频偏的变化越大对无线质量的影响越大，所以在无人机通过基站的过程中，经过与基站垂直距离最近的点时多普勒效应最显著。

根据ITU 要求TDD 网络移动速度达到120 km/h，要求FDD 网络移动速度达到500 km/h。在规划5G 站点的锚点时，FDD 是连续控制的系统，TDD 是时间分隔控制的系统，在目前芯片处理速度和算法的基础上，与FDD 网络相比，TDD 网络还有一定差距。选择FDD系统作为5G锚点，在业务感知体验方面更有技术优势保证。

2.2 高空飞控信号更易受干扰衰减

对于高空飞行所涉及空域，需要确保网络能够在地面和空中飞行区域内的连续覆盖。同时，高空信号的干扰问题也不容忽视，一般基站天线都会设置有下倾角，包括机械或电子倾角，因此，天线的第一上旁瓣处于水平位置或高于水平位置。无人机飞行高度达到400 m 时，极易出现干扰衰减。在考虑连续覆盖部署时，希望第一上旁瓣信号尽量弱一些。通过抑制上旁瓣来解决频率干扰问题。通常情况下要求上旁瓣小于18 dB。

对于时延敏感的业务，减少频率干扰的另一种常用方法，是规划专用频率系统，即专网模式，该频率仅为连续覆盖区域内的基站使用，并需要保证在一定地域和空域范围内，没有其他基站采用相同频率工作。同时，利用菲涅尔区原理对5G工业无人机场景的天馈进行了特殊改造，即将上支架螳螂臂反向安装在下支架处，以达到专网对空覆盖的效果。

2.3 4K超高清视频的无卡顿感知要求

不同的应用场景和业务类型对网络速率有着不同层次的要求。例如，对于控制信令和状态监测信息的传输，上行及下行100 kbit/s 就可以满足，而数据传输的速率需求则随着信息渲染方式的持续演进而不断提升。无人机巡检要求实时回传4K高清视频，上行传输速率要至少达到40 Mbit/s。在原有4G 网络环境下，很难满足1K、2K 视频回传的业务感知需求，对于4K 视频回传无法保障零卡顿的业务体验。5G 的两大关键技术也赋予了无人机商用自动巡检能力。

关键技术一：大规模天线技术（Massive MIMO）。它最早由美国贝尔实验室研究人员提出，研究发现，当小区的基站天线数目趋于无穷大时，加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面影响全都可以忽略不计，数据传输速率能得到极大提高。

关键技术二：移动边缘计算（MEC）。MEC 运行于网络边缘，逻辑上并不依赖于网络的其他部分，这点对于安全性要求较高的应用来说非常重要。另外，MEC服务器通常具有较高的计算能力，因此特别适合于分析处理4K 视频类大数据。同时，由于MEC 在地理上距离用户或信息源非常近，使得网络响应用户请求的时延大大减小，也降低了传输网和核心网部分发生网络拥塞的可能性，改善用户的业务感知体验。

3 商用5G工业无人机专网规建维优实践

3.1 5G无人机专网覆盖规划

为了满足5G 连续覆盖，使业务感知最优，上海联通与华为X-lab 实验室合作进行了规划仿真，整个飞行线路共规划了5个站点。

站点信息如表1所示。小区信息如表2所示。

表1 无人机专网基站信息

表2 无人机专网小区基础信息

通过仿真在无人机处于400 m 高度时，仿真了天线倾角为0/-2/-4/-6/-8°时的性能，结果显示天线倾角为-6°时性能最好。

所选站点均为单杆塔，高度为35 m，通过天面整合，腾出最高平台用于无人机专网覆盖，5G AAU 安装方向与默认安装标注相反，即红色箭头向上，4G 锚点站天线采用基于菲涅尔区原理的天线安装结构。它包括天线、上支架和下支架，天线的背面上下端分别固定有上支架和下支架，通过增大天馈下支架的机械下倾角，实现对空覆盖。

3.2 5G无人机专网锚点频率选择

无人机的飞行控制系统属于时延敏感度较高的业务，为保证实时控制的精确性，确保控制指令能够及时由地面传输到无人机控制系统，网络的端到端时延需要小于20 ms。

端到端时延低于20 ms，意味着空口到核心网时延低于10 ms，通过对崇明陈海公路沿线进行DT 测试模拟结果的分析，需要保证无人机5G 模组平均SINR 大于11，SINR 小于0 比例低于2%，才能满足无卡顿的要求。据此，单纯依靠天线调整上仰、上旁瓣抑制等方案无法达到要求，故需要对沿线5G专网锚点小区进行专网频点规划。4 种锚点频率选择方案优缺点对比如表3所示。

表3 锚点频率选择方案对比

最终经过网发、网优专家联合讨论，选定对公客用户影响最小的方案3 作为最终方案，即压缩WCDMA室分频点10663 的5M 带宽用于5G 专网的锚点频点使用，重耕为FDD-LTE（5M）。

3.3 5G无人机专网测试及优化

由于无人机载荷有限，在安装了华为CPE 1.0 后，现场环境已经不能连接笔记本电脑测试软件。通过无人机业务平台采集经纬度、RSRP、SINR、RSRQ 等主要无线信号数据，代替传统测试软件，完成了全航线的一对一无人机的5G覆盖测试数据分析。

由于无人机是按照固定航线进行飞行，并且站间的距离比较远，首飞出现2 处明显的视频卡顿问题（cluster1和cluster2）。

从测试情况来看，cluster1位于电信育德与移动双津基站之间、cluster2 位于进化村与堡北基站之间，站间距相对较大，RSRP 衰减至-105 dBm，SINR 在0 左右，未达到规划预期的覆盖效果。

在崇陈南基站进行天馈倾角试验，按-2/-4/-6°的倾角进行了实测对比，当天线倾角设置为-4°时，崇陈南至堡北段覆盖最优，针对实测数据进行分析，判断5G 仿真工具未考虑地球曲率的影响，出现推荐倾角偏大的情况，如图2 和图3 所示，仿真结果如未考虑地球球面曲率，推荐倾角会大于同等高度位置条件下考虑地球球面曲率的仿真结果。

图2 对空小区天线倾角纠偏前（-6°）

图3 对空小区天线倾角纠偏后（-4°）

通过对空小区天线调整，完成了天线倾角的纠偏，同时也根据实地勘察情况，对天线进行了方向角微调，结果如表4所示。

经过天线优化调整及小区合并后进行覆盖测试，航线覆盖明显提升，平均RSRP 由95.54 提升至90.50，SINR 由5.8 提升至11.8。进一步分析航线的主控小区PCI 分布，与规划信息完全一致，从后台信令分析，切换成功率100%，未发现问题。

2019年5月崇明科技节期间，天然气主干网5G 工业无人机巡线项目顺利通过了客户的验收测试。

表4 优化后的无人机专网小区参数信息

4 结论与展望

本次针对5G 工业无人机业务的研究和试验结果表明，Massive 3D MIMO、高增益、自适应、多波束等特点，结合上海联通原有《基于菲涅尔区原理的天线安装结构》天线专利技术，能够有效解决目标快速跟踪和高空干扰抑制等难题，借助5G边缘计算协同可实现端到端时延低至13 ms，5G 无人机业务场景已具备商用条件。本次业务优化的成功不仅提升了客户的口碑，也有力促进了5G无人机、高清直播等新型应用的发展。凭借5G 无限的发展潜力，移动网络将为无人机带来全新级别的高可靠性、强大的安全性、无处不在的覆盖和无缝的移动性。随着5G SA 技术的进一步成熟，NR 时延进一步逼近1 ms，整体端到端时延有望达到10 ms，网络切片能力保证端到端网络时延稳定性。基于多天线等5G 先进新技术，5G 体验速率可达1 Gbit/s。5G网络可以为无人机赋予实时超高清图传、远程低时延控制、永远在线等重要能力，满足航拍、送货、勘探等各种各样的个人及行业服务需求，进而构成一个全新的、丰富多彩的“网联天空”。