5G 环境下无人机高清视频数据实时传输组网方式研究*

郑 杰，陈高亮，时海龙，余庆韶，杨晓旭，郭志彬

（河南浩宇空间数据科技有限责任公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

2019 年6 月6 日，工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电正式颁发5G 牌照，中国正式进入5G 商用元年，“信息视频化、视频超高清化”成为全球信息产业发展的大趋势。从增长和规模来看，到2022 年，超高清（或4K）的视频点播IP 流量将占全球IP 视频流量的22%，超高清占视频点播IP 流量的百分比将高达35%。从技术演进来看，视频已经从标清、高清进入4K，即将进入8K、AR/VR 时代[1]。

无人驾驶航空器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）能够为政府、企业提供众多领域的解决方案，广泛应用于农林植保、电力/石油/天然气管线巡查、水利工程管理、环保督查、矿产勘查、海洋水文监测、市政管理、消防应急、灾害评估、遥感测绘、治安反恐和消费娱乐等领域[2]。第五代移动通信技术为无人机赋予实时超高清图传能力，将催生无人机超高清视频实时传输服务，颠覆4G 时代的思维方式和工作习惯，重塑行业流程和作业规范。

1 存在的问题

在4G 通信条件下，无人机高清视频实时传输组网受到无人机设备、图传电台、网络带宽、网络延时等诸多方面的限制，传输1 080 P 高清图像会出现延时、卡顿、数据丢失等问题。经过多次测试，归纳为以下几个主要问题。

1.1 图传距离有限

目前，市面上常见的多旋翼无人机厂家提供的视频传输链路采用的是传统的图传电台。无人机设备在没有向无线电管理部门报备的情况下，受相关法律的约束不能使用大功率电台。因此，理想情况下，大多数市售多旋翼无人机图传有效距离在2 km 内。

1.2 图像分辨率低

图像分辨率受视频采集设备、传输链路、展示平台等多方因素限制。市售多旋翼无人机的视频采集设备可以达到4K 或更高的图像采集能力，但仅限于存储在无人机的存储设备里，若通过传输链路，图像分辨率将会受到限制。

1.3 直播图像延时卡顿严重

用4G 网络作为通信链路，将多旋翼无人机采集的1 080 P 分辨率的视频推流到播平台上，实测效果会出现直播图像延迟、图像卡顿、花屏现象，导致直播视频无法正常观看。因此，此种方式不能作为视频直播应用。

1.4 多旋翼无人机供电和有效载荷受限

市售的多旋翼无人机设备，单组电池飞行时间在45 min 以内比较常见，原因是单纯增加多旋翼无人机机载电池的数量或者单组电池功率并不能有效增加该无人机的飞行时间。

1.5 机载数据传输设备受限

市售的多旋翼无人机，大都是通过自身的图传电台传输视频数据，且只有部分无人机设备开放机载视频接口。因此，目前的较优选择是采用多旋翼无人机厂家原配的图传电台作为数据传输链路传输视频数据。经过比对，大多数多旋翼无人机厂家最高只支持1 080 P 的高清视频数据传输。

1.6 传输链路带宽受限

若视频分辨率为1 920×1 080，帧率为50，那么每秒的数据量为103.68 Mb。按照H.265 格式编码压缩，实测大致为60 ～70 Mb/s 的带宽可以满足该制式的视频传输。可见，4G 条件下无法满足1 080 P 高清视频传输链路要求，更无法满足4K、8K或更高的视频传输要求。

综上所述，4G 条件下无法满足多旋翼无人机高清视频实时传输的要求，只能在5G eMBB[3]的场景里寻找合适的组网方案。

2 组网方案研究

无人机高清视频数据传输组网由无人机视频数据采集设备、无人机图传电台、无人机地面站、5G CPE、5G 基站以及骨干通信网络6 个主要环节组成。其中，影响传输效果的关键是无人机图传电台、无人机地面站、5G CPE 之间的传输效率。通过组网方案的对比测试，需选择高清视频传输效果好的组网方案。

2.1 组网方案对比

组网方案一：利用自组无人机系统的图传电台，高清视频信号传回地面站。地面站有网络接口，通过双绞线链接5G CPE，再用5G CPE 接入5G 基站，通过骨干通信网传回终端。图传电台要选择满足高清视频传输带宽和传输距离的要求。

测试结果：通信设备拉距500 m 左右开始出现视频信号卡顿，延迟在5 s 左右；800 m 左右信号中断；返回到650 m 处开始有信号，500 m 处信号恢复。

组网方案二：采用具备网络接口视频输出的4K 高清摄像设备，通过网络接口（RJ45）接到5G CPE 设备。无人机搭载CPE 设备，在空中实现5G信息链路的链接，将机载4K 视频数据直接传输到5G 基站。通过5G 基站利用骨干通信网传输到终端，实现4K高清视频的实时传输。组网方案如图1所示。

图1 组网方案

方案优势：（1）不受图传电台的限制，只要有5G 信号就可以传输数据；（2）高清视频传输距离仅受限于5G 基站的信号覆盖能力，实测可以达到1 000 m，可以在多个5G 基站之间切换，实现高清视频的流畅传输；（3）平均延时低于方案一，较少了中间传输设备和环节。测试数据如表1 所示。

表1 数据传输测试表

测试结论：经过方案的优化和设备选型，在现有技术设备条件下，利用方案二组网是可行的方法。

2.2 硬件设备选择

多旋翼无人机选择有效载荷在2 000 g 的设备，其中需要搭载的5G CPE 设备约700 g，3 000 mAh 12 V 锂电电池约300 g，4K 摄像机和云台约800 g。

3 应用场景

经过实际测试，1 080 P 高清视频传输延时在1 s 左右，不影响正常使用，画面流畅无卡顿。4K超高清视频传输延时在2 s 以内，基本不影响正常使用，画面流畅无卡顿。同城传输测试图像传输质量稳定。多旋翼无人机飞行时间在20 min 左右。这个组网方案基本可以满足常规作业任务。目前，该方案已经在河南省多地环保巡查工作中使用。

4 仍需解决的问题

4.1 多旋翼无人机载荷较重，飞行时间短

由于无人机搭载的设备接近2 000 g，无人机操控难度增加，安全性能随之降低，飞行时间短。因此，建议减轻无人机的载荷，降低故障风险，提高工作效率。

4.2 多旋翼无人机挂载设备多，容易出故障

该方案存在链接故障的隐患较多，尤其是飞行准备阶段，工作较为繁琐。设备多、接线口多在空中出现问题的几率相应增大，因此建议减少无人机挂载设备，小型化集约化相关设备。

4.3 需要两个人同时操控

由于无人机和摄像机是两个独立的控制单元，在执行任务时需要两个操作手，一人负责操作无人机，另一人负责操作摄像头。因此，建议改进飞控，使得地面站可以同时操控无人机和摄像头。

4.4 飞行前准备时间长，不够灵活

飞行前需要往无人机上搭载设备，组装需要时间，还要多次检查以避免出现飞行事故，所以准备时间较长。执行任务时的灵活度不够，转场飞行效率偏低。因此，建议在可能的情况下减少无人机载荷。

4.5 5G 信号的空中分布仍需研究

5G RAN侧组网方式可总体上分为独立部署（SA，Stand alone）和非独立部署（NSA，non-Stand-alone）两种[4]。NSA 组网方式并没有完全脱离4G 网络，5G 信号的自干扰现象仍需优化。5G 信号在空中尤其是在50 m 以上空间的分布情况以及信号强度情况都需要进一步的研究。

5 结 语

通过实际组网测试，在现有技术条件下可以实现多旋翼无人机超高清视频的实时传输，基本满足高清视频无人机直播的应用需求。超高清视频直播对网络环境的要求较高，不仅分辨率要达到4K 甚至8K，帧率要求50 帧/秒以上，图像量化精度提升到10 bit，同时图像增加HDR 标准[5]。作为中国移动5G 联合创新中心（河南）开放实验室、中国联合网络通信有限公司（郑州）5G+AI+UAV 联合创新实验室成员单位，笔者将进一步致力于无人机5G 超高清数据传输设备的研发。