基于5G传输的无人机实时视频分析系统设计及应用

陶君军

（上海日辉掌眼智能科技有限公司，上海 200434）

0 引 言

近年来，无人机凭借自身投入成本低和操作简单等显著优势，在各行各业得到了广泛应用。第五代移动通信系统在现有的通信技术下支持增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量机器类通 信（Massive MachineType Communication，mMTC）以及超高可靠低时延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）3大类应用场景，进一步拓展了无人机的应用领域。无人机实时视频传输作为当前5G技术的应用之一，是5G高速率特点的直观体现。本文从5G网络架构、技术发展和应用以及无人机视频传输出发，分析5G对无人机视频传输分析系统和应用的巨大影响。

1 无人机实时视频传输的现状与存在的问题

在传统通信限制下，无人机实时视频传输因受到网络传输带宽不足、自身设备以及网络延时大导致视频卡顿等多方面的限制，在传统通信条件工作下传输的音视频经常出现数据丢失的情况[1]。

1.1 人机设备受限，无法满足信号覆盖需求

随着市场需求的不断增加，无人机的种类不断增多。在现有条件下，民用的无人机多为旋翼无人机，其特点为飞行高度低和航行距离较近等，自身携带电量无法提供无人机长时间飞行，活动半径不超16 km，且飞行高度限制在1 km以内，但单纯增加无人机搭载电池数量或者供电设备的供电功率并不能有效增加无人机的飞行时间和飞行距离。通常实时视频传输场景需要无人机具备特殊的飞行高度和稳定的飞行状态，飞行的空间形态是立方体模式。这种立方体空间模式需要无人机设施具备对立方体空间形态各象限的无线信号覆盖能力，其信号需要无死角地覆盖整个立方体空间，对5G无线信号覆盖能力的发展也提出了更高的要求[2]。

1.2 机载设备数据传输能力有限

通信技术的高速发展对视频的清晰度有了更高的要求，高清视频对网络传输带宽的需求与日俱增。无人机实时视频传输系统大多是通过将摄像设备搭载到无人机上进行工作，然后通过搭载的图传设备将摄像设备拍摄的视频回传，同时无人机实时视频传输场景业务需要现场直播，数据实时回传。然而目前无人机机载设备无法满足高清视频实时传输需求[3]。

1.3 无人机机载设备覆盖能力有限

当前，民用无人机实时视频传输系统主要利用设备厂家自身研发的图传电台进行数据传输。这种电台功率较小，无法满足无人机设备远距离飞行要求。同时按照无线电管理条例，民用设备在没有向当地无线电管理部门报备的情况下，禁止使用大功率电台设备[4]。

1.4 无人机实时视频传输延时卡顿现象严重

利用民用超近程无人机设备的图像采集能力采集视频并储存在无人机的储存设备里，可顺利回放采集的储存视频。但将采集的视频通过传输链路进行网路回传时，实时播放到直播平台上可能会出现图像卡顿、网络延迟以及花屏等现象，从而导致直播视频无法正常观看。因此，无人机实时视频传输要想得到更好地应用，必须创新通信链路[5]。

1.5 传输链路带宽不能满足需求

若无人机实时视频传输的视频分辨率为1080P，帧率为50，那么每秒的数据量为104 Mb。按照视频传输的标准格式编码进行压缩，实测满足该制式的视频传输带宽至少需要65 Mb/s，可见传统通信链路条件下无法满足无人机实时视频传输的链路需求。根据以上数据显示，无人机实时视频传输的组网方案有望在5G的场景下实现[6]。

2 组网方案研究

2.1 5G组网方案概述

5G组网模式分为独立组网（Standalone，SA）和非独立组网（Non-Standalone，NSA）。其中独立组网（如图1）新建5G核心网和5G基站，是5G的标准组网模式，所有的工作都需要在5G组网方案下进行。5G核心技术需在独立组网模式下进行，以满足现有5G下各种业务的需求。4G和5G之间采用相互独立的操作方法，两者之前无需链接。非独立组网新建5G基站，以4G基站作为控制操作点，采用5G或4G核心网的组网模式，两者之间无需互操作，可同时在两者网络发起任务。现有的组网模式主要是在4G基站点下进行工作，而5G基站的大部分功能并不能在融合组网方案中实现。此链接方式需要支持4G/5G双链接，同时5G需要接入4G网络才能进行融合组网（如图2），也就是说非独立组网模式是一种现有发展组网的过渡方案，当前多数移动通信系统都是在非独立组网的方式下进行工作[7]。

图1 5G独立组网方式

图2 4G/5G融合组网方式

2.2 采用无人机图传电台组网

无人机可采用自身系统所携带的图传电台进行组网，架构如图3所示。利用此组网方式可以将实时视频传回地面移动网络接入节点。地面移动网络接入节点有无人机数据网络接口，通过互联网网络将无人机视频数据信息网传回PC终端，然后智能分析传回的数据以获取分析结果。同时，此组网方式要求必须满足无人机视频数据传输距离和实时视频传输带宽的要求[8]。无人机自身携带的图传电台设备通过此组网方式进行通信时，在通信距离达到600 m左右开始出现实时视频数据传输不稳定的情况，信号延迟大约在3 s。当无人机与地面移动网络接入节点距离达到900 m时数据传输信号中断，当返回到750 m时检测到有信号，700 m处信号完全恢复[9]。

图3 图传电台组网架构图

2.3 搭载摄像设备

摄像设备通过搭载的方式与无人机进行组网。此组网方式要求无人机设备具有视频传输接口，在无人机进行工作时实时传输画面。通过网络接口接收无人机搭载摄像设备传输的画面，然后将画面传输到地面信号接收基站。通过地面移动网络接入节点利用互联网网络传输到PC终端，实现无人机监控画面的实时传输[10]。无人机实时视频传输架构如图4所示。

图4 无人机实时视频传输架构图

此组网方案的优点包括两个方面。一方面是虽然传输距离受5G信号覆盖能力的限制，但可以通过多个5G基站之间的数据互传，实现无人机实时视频的远距离传输且数据稳定。另一方面是不受无人机自身条件限制，只要飞行区域覆盖有5G信号就可以实时传输无人机视频数据。无人机实时视频传输测试结果如表1所示，根据测试结果可知，在现有无人机设备条件下，4K高清视频传输组网方案的可行性更高。

表1 无人机实时视频传输测试表

3 应用场景

经过实际测试，4K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，无人机飞行时间可达20 min。这个组网方案基本可以满足日常工作的需要。

3.1 无人机在农业方面的应用

无人机在农业方面的应用越来越广泛，如农作物播种、农药喷洒、农田灌溉、农业信息监测、污染控制以及空气监测等，极大地提高了农业生产效率。无人机播种比人工播种的均匀程度高，能够确保农药的喷洒质量，减少农药对土壤和环境的污染。利用无人机监测传回的数据和数据库里面的信息进行对比，判断农作物是否需要灌溉，从而达到科学灌溉和节约用水的目的。无人机农业示意图如图5所示。

图5 无人机农业示意图

3.2 无人机在安防和巡检方面的应用

无人机监控视频实时传输在安全防护和各行业的巡检场景中发挥了重要作用。无人机安防和巡检的需求包括无人机飞行距离与操控能力的协调、无人机飞行状态的操控、无人机的定位以及最重要的视频数据传输能力。随着安防和巡检工作对无人机飞行时间、距离、减噪度以及视频清晰度等方面的需求越来越高，无人机需要实现长时间飞行、远距离飞行以及近距离无噪监测等功能，同时还需要实时传输4K和8K高清视频，对5G网络在传输速率、传输带宽、网络覆盖以及时延等方面提出了更高的要求。无人机智慧巡检示意图如图6所示，巡检方面还需要无人机搭载一种或多种传感设备。搭载的无人机传感设备通过地面移动网络接入节点将数据传输到PC服务端，用户即可通过PC观看实时传输数据，实现巡查监控视频的实时传输。

图6 无人机智慧巡检示意图

3.3 无人机在应急通信救援方面的应用

我国地大物博，幅员辽阔，环境和气候复杂多变，各种自然灾害时有发生，灾难发生后的应急通信快速恢复对救援工作起着至关重要的作用。由于无人机具有机动灵活的特点，因此被广泛应用在灾害之后的救援工作中。如图7所示，当灾害发生之后，利用无人机搭载功能建立临时通信基站，通过临时建立的通信基站和接入的被困人员手机确定被困人员身份信息及被困位置。同时可利用无人机搭载摄像设备和5G系统的高宽带传输能力，通过摄像头将航拍视频实时传输到PC端进行查看，结合AI技术和边缘计算技术，快速实现周边环境的监控与分析，实时掌控受灾区域的环境变化，以便于救援人员快速有针对性地展开营救工作。此外，可将无人机在应急通信和救援方面的应用与传统救援方式相结合，保障受灾群众能够第一之间得到救援，最大程度减少人员伤亡和灾害损失。

图7 无人机应急通信救援应用示意图

4 5G场景下无人机视频传输需改进的不足

4.1 无人机搭载能力有限且搭载过程烦琐

随着搭载设备重量的增加，无人机的飞行时间和飞行距离随之减少，操作难度大幅增加，安全性也无法保障。因此，无人机不可搭载过重设备，以降低飞行风险，保障设备及飞行安全。5G场景下无人机视频传输需要搭载摄像和定位等设备，存在的操作隐患较多，另外由于组装需要消耗大量的时间，同时需要对搭载设备进行多次检查避免飞行期间出现事故，所以飞行之前的准备阶段消耗时间长，工作流程较为烦琐，需尽可能地减少无人机载荷。

4.2 5G组网的信号覆盖系统略显不足

5G组网总体上分为独立组网（SA）和非独立组网（NSA）。非独立组网方式必须融合4G网络进行作业，而5G信号本身的自干扰缺点还未得到改善，因此在空中的覆盖能力还需要进一步研究。

5 结 论

通过研究组网方案，在现有的条件下无人机搭载摄像设备可实现无人机实时视频传输，满足无人机实时监测和视频直播的应用需求。目前5G网络无人机高清视频传输仍处于试点操作阶段，本文结合5G无人机测试结果分析和应用场景，研究基于5G的无人机实时视频传输的可行性及网络优化，为深入研究5G无人机高清视频实时传输提供了可行性方案和依据。