基于5G 的无人机智能组网的应急通信技术开发及应用

广东省电信规划设计院有限公司 陈振龙

应急事件的处理过程中，通信技术的先进性和智能化程度对于应急事件处理效果的达成有非常重要的促进作用。5G 技术支持下，无人机智能组网的应急通信技术，成为现阶段应急事件处理中发挥核心作用的技术与系统。结合5G 技术的基本应用特征和功能要点，针对无人机智能组网、应急通信系统的关键技术进行分析，进一步的合理应用通信技术，为提升无人机智能组网通信的质量提供支持。具体来说，5G 网络支持下的应急通信技术包括智能化的部署控制技术、协议数据融合技术、无人机编队控制技术、自适应路由技术。针对上述关键技术进行分析，有利于利用5G 通信网络，达到更好的应急通信技术应用效果。

无人机在现阶段的地形测绘、侦查通信等多个领域都发挥着重要的作用。尤其是对于应急通信通道和网络的搭建来说，无人机能够以高端的技术支持和最小化的人力成本支出，获得应急事件处理的良好效果。通过突破客观环境困难的技术支撑，为突发事件处理中应急通信环节的工作提供重要的支持。5G 网络作为网络覆盖面大、信号质量高的网络系统，与无人机智能组网应急通信技术实现联动开发应用，有利于提升这项技术的应用成效、优化应急事件的处理工作质量。

1 应急通信系统的基本架构分析

1.1 总体架构分析

5G 网络支持下的智能组网应急通信平台多为高空平台。若对应急通信系统的基本架构进行进一步细分，可分为非系留式和系留式两种类型。其中，非系留式架构的系统结构中，包括了基础基站高空平台、区域核心网络区域、回传终端区域等[1]。在实践应用中，主要通过高空平台完成通信网络的搭建。由回传终端和机载基站进行应急通信网络的回传和覆盖，实现用户数据信息向核心网络区域的传达。而核心网络区域，主要承担会话管理接入管理和用户数据的转发与管理功能。而对于系留式应急通信系统而言，其整体架构的连接，需要借助专用电缆和电源[2]。

1.2 高空平台区域分析

高空平台在应急通信系统中具有非常严格的功能性要求。具体来说，此平台在实践应用中，需要满足长时间续航的要求。同时，运输和部署环节也应当快速而便捷。现阶段，无人机在高中平台中的应用，也相对更加集中而广泛。在无人机应用于高空平台进行通信传输时，需结合无人机的不同类型进行合理选择[3]。专业无人机，由于其能够长时间不间断地进行供电，因此，在应用的持续性和稳定性上更强。目前，专用无人机中，旋翼无人机是应用在高空平台进行通讯信息传输的主要无人机类型。

1.3 机载基站系统分析

机载基站系统的基本结构中包括了光电复合缆、基站天线和轻量化基站三部分基本结构。其中，轻量化基站的通信主要依托一体化通信网络发挥作用。基站的基本结构中，包括了电源模块、基带控制单元两部分[4]。在实践操作的过程中，主要根据无人机升高后的悬停点位进行基站覆盖范围的网络定位。而在机载基站结构中，光电复合缆主要用来连接地面通信车与高空平台机载站，实现信息的传输。基站天线一般发挥接收和发射信号的作用，通常情况下，天线角度可实现360°旋转，另外，垂直角度最高不超过20°。

2 5G 网络支持下无人机智能组网应急通信系统的应用优势分析

2.1 有利于提高网络传输的基本性能

在5G 信息技术的支持下，无人机设备的应用灵活性会更进一步地增强。另外，网络传输背景下，5G 信号的稳定性和信号质量也能够达到更高的水平层次。不仅能够促使无线网络的整体覆盖面积有所增大，网络传输的性能状态也会得到优化。信息传输的效果能够更好地满足整个网络通信系统的通信要求，应急事件的处理工作也可在相关技术的支持下，获得更加稳定良好的效果。

2.2 有利于通过数据计算获得最优的飞行路线选项

无人机飞行的过程中，飞行路线和飞行速率是影响无人机工作效果的关键指标。无人机实践飞行的过程中，最佳路线的选择需要依托专业的智能化算法进行获得。而5G 通信信号的覆盖，能够使得学习和计算的过程更进一步地在效率上获得提升[5]。具体的系统设计和技术应用人员，需结合无人机飞行的基本原理，以及5G 信号覆盖后的信息传输状态有效接收相关的数据信息。并结合科学的算法对数据信息传达的内容进行合理的确认和定位。确保5G 通信技术支持下的数据计算和网络通信系统，在学习过程和效果上更加稳定而有效。

2.3 有利于在通信不便或设备毁坏的状态下实现应急通信的稳定保障

通信状态不变，或设备毁坏会直接造成通信的中断。因此，需要通过应急通信系统的搭建，达到预期的信息传输效果。在具体实践的过程中，5G 信息系统的覆盖，能够保证在通信基础设施发生损坏的情况下，依旧供应5G 级别的应急通信服务。这对于应急通信的保障力度具有针对性地提升作用。另外，5G 通信技术，现阶段具有先进性和完善性更强的特征，与人工智能技术也可实现有效地融合。这与无人机这种智能设备的应用有非常显著的匹配性，对于取得更好的信息传输效果和故障排除效果有非常重要的提升作用[6]。

3 5G 网络支持下的无人机智能组网应急通信关键模块分析

3.1 5G 通信模块分析

5G 通信模块的基本结构包括了5G 射线电路和通信处理器两部分。在通信功能发挥的过程中，需选择临近地面的应急通信方舱车进行基站的装配和无人机的搭载。这一模块的设置，形成了通信汇聚节点，而5G 射频电路可直接与天线相连，实现5G 射频信号的收发。通信模块的频率水平达到3.5GHz[7]，此模块在发挥作用的过程中，主要依托5G 无线网络接入通信模块。在具体应用过程中，5G 通信模块在获取用户信号后，可通过通信处理器将信号实现转换，传送至组网模块中，由组网模块根据用户的实际身份信息和性质实现信息的重组，并下发给用户终端。

3.2 组网模块分析

此模块的基本结构包括组网射频电路和组网处理器两部分。其中，射频电路与电线直接相连，主要承担信息收发功能。组网处理器则负责组网和飞控信息的有效处理以及非控协议的正常运行维持。这一模块在5G 通信系统的支撑下，能够对网间中继信息进行基于协议的有效转换，随后，再完成不同组网模块之间的信息交互。无人机将搭载着经过转换处理的信息，到达通信汇聚节点，完成获取的信息，向地面的直接传输。传输的过程，也意味着用户终端与通信系统之间形成了有效的连接。除此之外，组网模块还能够实现飞控系统的飞行指令传输协议的转换。随后建立空地控制通路，对无人机与地面控制台之间的联系状态进行有效的调整控制。在组网模块实践应用的过程中，信号传输频率设置为5.8GHz，在信息传输连接时，选用全向天线技术做支持。

4 5G 与无人机联动应用背景下的智能组网应急通信系统关键技术分析

4.1 5G 通信技术

此技术在实践应用中，通过无人机与5G 基站的搭载联动应用（如图1 所示），实现基站的深空组网操作，构建具有应用适宜性的5G 应急通信网络。5G 信号可实现对整个通信网络的全面覆盖，解决了其他频率可能出现的干扰问题。在整个5G 通信网络中，无人机主要发挥通信节点作用。针对一部分应急问题发挥治愈与抗毁功能，实现对全网节点信息的稳定和共享。这对于提升应急救援信息系统的效能有非常重要的促进作用。

图1 5G 时代大数据无人机高空基站Fig.1 5G era big data UAV high altitude base station

4.2 无人机智能部署与控制技术

在无人机应用的过程中，任务的完成需要无人机协同发挥作用。因此，多个无人机的编队部署以及飞行控制，是充分发挥好其应急事件处理作用的重要前提条件。现阶段无人机的编队飞行要点在于，多架无人机需按照既定的队形排列要求进行相关任务的分配。并精准控制和定位任务执行的具体模式，在编队飞行的过程中，应当针对性地解决飞行中的数据信息融合问题，以及编队整个飞行过程的控制问题。而解决上述问题的具体技术要点包括以下几部分:（1）协议数据融合技术支持下的改进优化。本文探讨的具体协议为MAVLink 协议。此协议现阶段应用广泛性相对更强。另外，数据融合时，多架无人机的飞行控制指令，都需要按照协议数据的统一格式进行重新打包和传输。因此，协议数据要通过统一的融合处理，为更进一步的数据传输做好准备。（2）无人机编队控制技术分析。无人机的编队控制技术主要是指，在编队部署和编队控制的过程中，结合目标任务的整体区域范围对通信任务的距离、任务要求以及具体的约束条件进行系统性的部署。而编队控制，则强调通过合理地进行队形保持控制起落点位，控制防撞避障控制进行无人机飞行安全的保障。在编队部署的过程中，应用的具体技术和方法为相关群体的智能部署算法。通过数据计算，能够获得无人机运行路径的有效规划，规避一些风险和问题[8]。而在编队控制的具体执行落实环节，主要需要借助虚拟力的部署算法和虚拟力的感知算法，对设备的完整性以及可能出现的风险问题进行感知和捕捉。在具体实践中，预编程技术可进一步实现人工控制与无人机控制相结合的控制方式的应用，实现在5G网络支持下完成网络拓扑通信部署。同时，通过协议的优化改进，保证飞行指令按照协议数据完成二次打包。

4.3 动态分簇与自适应路由技术分析

从基本特征上分析可知，无人机的5G 空中通信网络在拓扑结构方面，处在动态变化的状态下。因此，无人机的地面控制站需要采用全智能节点部署算法，对无人机的编队飞行轨迹进行预期设计。在预期设计的多条轨迹中，选取能够实现信号精准覆盖且距离最短的路线设置为无人机在应急事件处理中的最佳飞行路线。以此为基础，应用自组网分组算法，对未能充分考虑的无人机编队网络拓扑结构进行进一步的细节性考虑。为了确保数据计算的可靠性和有效性，可通过引入加权分簇算法达到预期的目标。

完成了基础的分簇操作后，需要进一步针对无人机的自组网络进行分析。以解决现阶段网络协议与无人机空中通信动态无法完全适应，以及通信延时要求高的实际问题为目标，提出强化学习自适应路由协议。通过自适应路由协议的自主学习过程，提升点位信息与链路质量的整体水平。另外，距离最短的链路和信息传输质量最好的链路也能够在学习的过程中逐步发现并确认。

5 结语

结合实践分析可知，在具体的5G 通信技术应用的过程中，需要结合无人机应用的基本要求，以及具体的应急通信覆盖面积进行全面的分析。在此基础上，了解5G信号覆盖背景下无人机通信技术的应用要点，分别结合技术要点环节进行应用质量和应用效果的保障，优化5G通信技术的应用效果。充分发挥出应急事件处理的过程中，5G 信号覆盖对于无人机应急救援工作的指导和促进作用。

引用

[1] 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(2):5-8+13.

[2] 芒戈,朱雪田,侯继江.面向舰船编队的5G无人机基站群组网接入方案研究[J].电子技术应用,2020,46(3):19-22+27.

[3] 李雷雷,朱红青,丁晓文,等.危化品事故应急救援能力提升方法研究——基于天津港“8·12”瑞海公司危险品仓库特别重大火灾爆炸事故教训[J].中国安全生产科学技术,2020,16(11):71-76.

[4] 胡运强,曹云峰,庄丽葵,等.基于视觉导引的固定翼无人机自主着陆算法研究[J].激光与光电子学进展,2022,59(14):252-265.

[5] 张斌,杨勇,逯旺旺,等.Ku波段固定翼无人机全极化RCS统计特性研究[J].现代雷达,2020,42(6):41-47.

[6] 饶进军,高同跃,龚振邦,等.国外超小型固定翼无人机研究进展与关键技术[J].飞航导弹,2010(3):23-28.

[7] 刘真畅,唐胜景,李梦婷,等.固定翼垂直起降无人机过渡机动优化控制分配研究[J].兵工学报,2019,40(2):314-325.

[8] 贾向东,路艺,纪澎善,等.大规模无人机协助的多层异构网络设计及性能研究[J].电子与信息学报,2021,43(9):2632-2639.