无人机基站技术在大区域灾害现场通信保障方面的应用探索

韩丽琼 郭亚娇 景敏 保德坤 殷继艳

摘要：目前基层森林消防队伍在大区域灾害现场遂行任务中，经常会出现无线信号传输信息慢、覆盖面积小等通信联络不畅的情况。文章结合大区域灾害现场通信保障的困难和应急通信需要具备的特点，从无人机基站的相关技术出发，通过研究无人机基站的无人机平台、网络架构、数据传输、无线信号覆盖范围等方面的问题，探索了无人机基站技术在基层队伍遂行大区域灾害现场救援任务中作为应急通信保障补充的可行性。

关键词：大区域灾害;应急通信;森林消防;无人机;高空基站

通信畅通是应急救援的关键，从指挥调度、信息传送、兵力部署、物资协调到宣传动员，通信始终是救援最重要的一环[1]。森林消防队伍基层单位在遂行大区域灾害现场救援任务时，由于地形、植被、灾害破坏等因素影响会导致无线通信不畅等情况。而将通信基站升高，可以减小地面环境对电磁波的干扰，扩大无线信号的覆盖范围，甚至可以将超视距通信变为视距通信，显著改善通信链路质量[2]。

近年来，无人机技术发展日趋成熟，在摄像、探测等领域应用越来越广泛。无人机具有灵活、操控性强、覆盖范围广、续航时间长等特点，是携带基站升空的最佳设备。因此，无人机基站技术利用无人机搭载4G基站升空可以有效解决这些困难，理论上是大区域灾害现场通信保障的有力补充。

一、无人机概述

无人机是无人驾驶飞行器的简称（Unmanned Aerial Vehicle），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制裝置的不载人飞机，包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。无人机按不同使用领域分为军用、民用和消费级三大类，三个类型对于无人机的性能各有偏重;按不同平台构型分为固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机三大平台，其他小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船等[3]。

其中，固定翼无人机的特点是飞行速度快;无人直升机特点是灵活性强，可以原地起飞和悬停;多旋翼（多轴）无人机的灵活性介于固定翼和无人直升机之间，起降需要推力，但操纵简单、成本较低[4]。

二、无人机高空基站技术探索

无人机基站技术采用无人机搭载一体化小型基站升空，基站在空中接收地面信号再传输到接收端。该技术可以有效扩大信号覆盖范围、提高数据传输速率，有效提高灾害现场森林消防队伍各单位的实时通信能力，实现数据共享，从而提高救灾效率。同时，多机组升空还可以在空中组建局域网络，在该单位内部实现互联互通，并能提高灾区现场信号传输范围，将数据传输到指挥中心，为指挥中心现场研判灾情、制定战术、兵力部署等决策提供实时的信息支持。

（一）无人机平台特点分析

根据大区域灾害现场应急救援的通信保障需要，搭载基站的无人机应具有以下特点：

1.能够快速部署

由于通信畅通是顺利展开救援的关键，应急救援是分秒必争的行动，越早在灾害现场构建完善畅通的通信体系，就能挽回越多的损失。这就要求无人机高空基站便于携带、能在灾害现场迅速部署，当出现突发情况时能在短时间内开始运行。

2.续航时间长

由于灾害现场的应急救援是一个长时间的过程，长时间的通信保障要求无人机高空基站有长时间的续航能力，才能保证通信链路不中断。

3.稳定的滞空能力

由于基站信号是毫米波，并且有一定的覆盖范围，如果无人机在空中不能稳定滞空，电磁波信号在无人机移动过程中产生的多普勒效应会产生多普勒频移，导致信号不断变化，信号覆盖不稳定，使地面连接设备处于信号不稳定状态。因此，无人机在空中稳定的滞空可以使高空基站能持续不间断地保障通信链路。

4.大质量的荷载能力

无人机的荷载能力应该大于小型化基站的质量，并且还应该有余力搭载电池、传感器、摄像头等必要设备。

（二）高空基站组网架构

1.无人机高空基站机载的设备组成

无人机高空基站机载的设备主要由无人机平台、机载一体化小型基站、回传终端组成[5]。机载一体化小型基站选用基于TD-LTE制式的一体化小基站，回传终端采用Relay无线回传设备。

2.无人机高空基站的地面设备组成

无人机高空基站的地面设备主要由地面移动式现网宏站、核心网、安全网关组成。地面移动式现网宏站用于接收和转发高空基站信号，核心网用来控制用户权限、提供接入服务和数据转发等功能，安全网关用于数据解密。

3.无人机高空基站的组网架构

将用户终端设备接入机载基站，基站接收数据信号后对信号进行加密处理，数据经过加密处理后通过Relay回传终端传输到地面移动式现网宏站，再由安全网关对数据进行解密处理，经由核心网进行用户识别，再通过宏站将数据接入互联网，如图1所示。

（三）高空基站信号传输模型

无人机高空基站采用TD-LTE制式的基站和Relay回传方式[6]。LTE是Long Term Evolution（长期演进）的缩写。LTE根据双工方式不同，分为LTE-TDD（时分双工）和LTE-FDD（频分双工）两种制式，其中LTE-TDD又称为TD-LTE[7-8]。Relay是LTE R10版本引入的新型设备，是同时具备LTE无线接入和无线回传能力的独立基站设备。Relay位于宏基站和终端之间，起到扩展网络覆盖的作用。Relay回传可以使基站支持D/F频段，为基站提供面向核心网的无线回传服务。

（四）高空基站信号覆盖模型

1.单无人机信号覆盖模型

我们假设这样一个救援现场：在某一受灾地区，灾害破坏通信线路、基站，导致灾区通信受阻，首先到达灾区进行救援的当地中队级消防救援力量，采用单架无人机升空为地面救援人员提供无线信号覆盖，同时连接运行正常的地面基站，保证灾区信息向外界传输通畅。这一模型中应使用能快速部署、方便携带的无人机。

2.无人机集群信号覆盖模型

无人机集群信号覆盖模型主要应用于多个消防救援中队在灾害现场参加救援行动，多架无人机升空后，可以建立无人机集群。同时，在群集中设置总机（指挥官）、路由器（团队领导）和终端（士兵）以完成通信区域扩展工作[9]。同时结合组网技术，在灾害现场搭建应急通信无线自组网，联通指挥中心、中队指挥员、战斗员，实现任务部署直达一线救援人员的数字化指挥目标。

该模型可以用于以支队级单位在灾害现场实施救援，支队设立指挥中心，支队的无人机基站升空后作为总机，建立支队自组网链路，以各中队无人机基站为路由器和终端，联通灾害现场支队救援范围内的无线自组网链路，实现点对点、一点对多点、多点对多点的通信。

无人机基站配备在支队以下级一部分单位，可以完全满足灾害现场支队级人数的通信保障需要。装配无人机基站后，大区域的灾害现场支队级指挥能力将获得很大提升，主要体现在以下几方面：

（1）无人机基站补充进入应急通信网络，解决了卫星通信和现有无线通信设备传输数据速率低的问题，扩大了4G公共网络用户容量上限，降低通信阻塞问题发生的可能性。

（2）基层单位可以通过4G信号覆盖的契机，建立内部的自组网链路传输数据。通过装备4G单兵图传、平板电脑指挥终端、小型入耳式公网对讲机等设备，建立中队内部、中队与中队之间、中队与支队之间的实时语音、视频通信。

三、无人机基站技术亟须解决的问题

无人机应急通信补充原有的应急通信系统的相关研究出现比较晚，其中还有许多问题亟待解决。一是优化无人机平台，增强无人机续航能力、稳定性，提高其巡航速度和巡航距离，降低使用成本[10-11]。二是消防队伍专用4G自组网链路的建设。三是无人机基站动态部署问题。为了满足自然灾害救援现场“看得见、呼得通、调得动”的需求，未来应急通信将向海量数据传输、智能化方向发展。

参考文献：

[1]张昊，吕欣驰.论重特大灾害消防应急通信技术[J].消防科学与技术，2011（02）：132-136.

[2]吴侹.系留多旋翼无人机通信系统在应急救灾通信中的应用[J].移动通信，2016，40（15）：68-71.

[3]刘鹏德.蔡济众.无人机在消防灭火救援工作中的应用研究[J].数字通信世界，2019（11）：180.

[4]袁雪琪.云翔.李娜.基于5G的固定翼无人机应急通信覆盖能力研究[J].电子技术应用，2020，46（02）：5-8.

[5]辛国华.地震应急平台及应急通信体系研究[J].数字通信世界，2010，19（07）：54-57.

[6]李威，李躍军.利用无人机搭建高空基站的研究[J].通讯世界，2017（09）：12-13.

[7]张水军.TD-LTE制式4G移动通信网络应用研究[J].信息通信，2012（02）：228.

[8]韩斌， 彭木根.TD-LTE链路预算研究[J].数据通信，2011（01）：39-42.

[9]Sun Jinyang，Li Huaiyi.Application Prospect of Uav Technology in Fire Emergency Communication Field[J].Advances in Computer， Signals and Systems，2019，5.

[10]李滨，王宏宇，杨笑天.无人机系统在森林防火方面的应用及其发展[J].电子技术，2015（05）：15-18.

[11]马瑞升，杨斌，张利辉，等.微型无人机林火监测系统的设计与实现[J].浙江农林大学学报，2012，29（05）：783-789.