2019年度“嘉環杯”獲獎論文二等獎基于無人機燈光秀創新保障及5G應用無人機測試優化研究

王 新 宋 峻 張國光 湯浩然

中國聯通江蘇省南京分公司

0 研究背景

無人機燈光表演為2019年青奧藝術燈會最大亮點，600架無人機騰空而起，五彩的燈光秀展示了南京長江大橋、莫愁女、雙子樓、古城墻等南京標志性符號，為南京市民和外地游客奉上一場視覺盛宴。此次無人機燈光秀由南京聯通獨家提供網絡資源，為有效保障本次活動的網絡環境，并且能最大化地節省成本，需在保障過程中應用新手段、新技術。

1 保障過程

1.1 保障面臨的挑戰

保障主要面臨以下三個方面的挑戰：

（1）高并發：600架無人機同時升空并進行動作變換、燈光變化等一系列指令，業務并發率達100%；青奧眼景點游客眾多，且有大量聯通用戶觀看燈光秀，加劇了網絡負荷。

（2）高干擾：無人機表演高度達100米以上，高空信號雜亂，質量差；青奧眼周邊站點密集，同頻干擾大；青奧眼周邊樓宇密集，無線環境復雜，導致網絡重疊覆蓋高。

（3）低時延：無人機動作要求整齊劃一，對網絡時延要求較高，要求同步誤差低于10ms；觀眾觀看燈光秀時進行圖片發送、視頻直播等網絡互動，要保證感知流暢，網絡零卡頓。

1.2 保障優化思路

為應對燈光秀帶來的挑戰，團隊從業務高并發、質量高干擾、感知低時延等方面針對性地提升優化區域內的4G網絡覆蓋、容量和質量，以確保燈光秀期間4G網絡的穩定。

1.2.1 利用RF優化解決下行重疊覆蓋

如圖1所示，用戶1和用戶2都位于小區A、B的邊緣交界區域，且同時使用相同的頻段。用戶1正在接收基站A為其發送的下行有用數據，由于基站B也正在用相同的頻段為用戶2發送下行數據，因此基站B此時發送的數據就成為了用戶1的下行干擾。可通過RF優化手段控制覆蓋，嚴格控制人流密集區主控小區的覆蓋范圍，規避重疊覆蓋，提升網絡質量，優化速傳時延，改善用戶感知。

圖1 RF優化方案示意圖

1.2.2 利用異頻組網解決高并發業務

如圖2所示，多用戶進行業務時，并發情況高，相互間產生的干擾也更大，造成PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）利用率高，影響小區下所有用戶感知。就解決方案來說，可以利用異頻組網分擔用戶。多載波組網分流密集區主控小區的用戶承載，規避因用戶數集中造成的互相干擾，提升網絡容量的同時，改善用戶感知。

圖2 異頻組網解決高并發示意圖

1.2.3 利用小區間協調干擾技術解決高干擾

ICIC（Inter-Cell Interference Coordination小區間干擾協調）是解決同頻組網時，小區間干擾問題的技術。概括來說是一種根據LTE各小區無線資源（PRB的時域資源、頻域資源、功率資源）的使用情況及小區邊緣的負荷情況，協調分配本小區與鄰區的時頻資源并控制信號發射功率的技術。ICIC能夠有效地規避、降低小區間存在的同頻干擾問題，提高小區邊緣速率、覆蓋及信噪比。

ICIC主要使用軟頻率復用技術（SFR）來解決小區邊緣的干擾問題。SFR核心的思想是將頻率復用和功率控制相結合，小區中心的用戶可以使用全部的頻帶資源，但是要對其功率加以控制；小區邊緣的用戶可以全功率使用全部的頻譜資源。

如圖3所示，用戶A1和E1在小區的邊緣交界區域，為避開干擾，基站A為UEA1分配f3頻率，基站B為UEB1分配f2頻率。由于小區邊緣距離小區中心較遠，基站為UEA1和UEB1提供較高的發射功率；而UEB3位于基站B的小區中心，基站B為UEB3分配和UEA1一樣的頻率f3，只要基站B將f3頻率的發射功率低于一個閾值，就不會產生同頻干擾。此外，由于小區與小區中心之間的距離一般都比較遠，處于各自小區中心的UEA2和UEB2也可以使用基站低功率發射的相同f1頻率，而不必擔心小區之間形成干擾。

圖3 軟頻率復用技術方案示意圖

1.2.4 專網承載解決容量問題

只讓無人機承載在專網小區，其它觀眾用戶不能接入專網小區，但無人機能接入觀眾接入的小區，從而保證了飛行過程的穩定性和安全性，避免由于現場觀眾突發占用無線資源造成無人機無資源可用。

1.3 優化方案

優化方案主要有以下幾個方面：

（1）容量優化:如圖4所示，鐵塔金沙江西街C扇區擴容L2100小區，作為專用扇區覆蓋200米高空域，同時對鐵塔金沙江西街A/C扇區以及鐵塔城南水泥廠北綠化帶A扇區擴容L180020+10M多載波，增加網絡容量。

圖4 覆蓋空中區域硬件擴容示意圖

（2）專網承載:協調核心網，部署專用TAC位置區，并將600架無人機SIM信息配置于專屬TAC，設置普通用戶禁止接入。

（3）參數優化:針對青奧眼周邊5個干擾小區，進行功率參數優化，合理控制范圍，收縮覆蓋范圍，減小對主控小區的干擾；針對3個服務小區，適當提升功率，加強無人機空域的信號強度，提升無線質量。

（4）射頻優化:調整金沙江西街A/B/C小區，控制覆蓋范圍并加強燈光秀區域覆蓋；調整果園路一期LDA/B小區、江心洲小學B小區、青奧能源中心A/C小區，減少重疊覆蓋，提升質量；優化調整后區域內重疊覆蓋率降低到5%以下，無線質量得到明顯提升。

1.4 創新保障手段

1.4.15 G應用無人機測試，構筑通信產業低空數字化

隨著無人機產業的飛速發展，無人機的創新應用與通信

圖5 無人機測試組網和3D覆蓋效果圖

1.4.2 5G VR直播，提高品牌價值

采用5G網絡進行VR現場直播無人機燈光秀是“VR直播”業務的又一次成功應用，讓部分員工可以足不出戶就能欣賞青奧燈光秀的壯美。

5G網絡以用戶為中心，通過CoMP、Massive MIMO、網絡切片等技術，保證用戶隨處體驗100Mbps，5G大帶寬、低時延、大連接的特性使能萬物互聯的同時，將推動智慧生活的進一步發展，VR業務將在互動教學、遠程醫療等方面具有較大的應用空間。南京聯通作為江蘇省內國家發改委5G唯一落地試點城市，江北新區、長江大橋、玄武湖、雨花臺、南京眼、產業呈現出緊密結合的發展趨勢。無人機可以實現設備監管、航線規范，促進空域的合理利用，產生巨大的經濟價值。同時，5G技術具備的超高帶寬、低時延、高可靠、廣覆蓋、大連接等特性如果進一步與無人機特性相結合，將構建出強大的低空數字化技術領域，促使通信生產效率大幅提升。江蘇聯通網優中心協同網建部、南京分公司，攜手華為在南京眼進行無人機無線網絡測試應用研究，重點測試傳統路測無法到達的區域，記錄不同高度的5G覆蓋、質量、速率、時延、誤碼等關鍵指標參數，開展水域、空間立體覆蓋網絡研究分析,為國內各家運營商中首次應用。

對南京眼大橋中心半徑400米范圍內不同高度空域進行測試，分別在20米、40米、60米、80米、100米五種不同高度的空域進行無人機覆蓋評估，測試組網和效果圖如圖5所示。從3D覆蓋圖可以直觀地看出不同高度的網絡信號覆蓋情況，不僅為4G網絡提供研究數據，還為5G業務空域信號分析提供了很高的參考意義。新街口等區域都已部署了5G網絡覆蓋，測試速率達2.6Gbp。

1.4.3 引入RPA工具，實現智能監控

為了能夠快速、多頻次的了解無人機編排飛行任務期間的移動網絡負荷、用戶數、用戶感知等KPI指標，江蘇聯通組織專業團隊，探索AI工人智能領域，并自主研發RPA(Robotic Process Automation，機器人流程自動化)工具。如圖6所示，RPA定時從專業網管獲取指標數據，并通過自動化程序進行數據分析，按不同場景、粒度，通過大屏與微信發布指標結合地理化信息呈現。

圖6 智能監控原理圖

2 保障效果

2.1 網絡保障效果

本次保障使600駕無人機飛行姿態和燈光控制信息零重傳，無人機間的同步誤差控制在10ms以內；下行單用戶平均速率5Mbps以上，上行單用平均速率1Mbps以上；游客發送圖片、視頻感知良好，無卡頓現象。具體可以從以下三個方面指標看出：

（1）負載均衡：經過精細的參數優化，反復的均衡策略驗證和無人機專網承載，實現了合理分流。無人機準備時間段是18:00-20:00，起飛實際點為20:15，飛行歷程共計10分鐘，從圖7平均用戶變化趨勢圖來看，策略很好地把控了飛行區域占用的用戶數，而又不影響觀賞區用戶；

（2）干擾控制：結合現場實際無線環境，優化周邊同頻鄰區干擾，且實施異頻組網后，保障區域內主服務小區下行SINR值良好，上行底噪干擾值最忙時約-105dbm左右，用戶感知良好；

（3）感知速率：實施合理負載均衡策略方案且有效控制干擾質差等問題，使得整個活動期間單用戶速率良好，600駕無人機飛行姿態和燈光控制信息零重傳。下行單用戶平均速率5Mbps以上，上行單用平均速率1Mbps以上。

圖7 平均用戶變化趨勢圖

2.2 保障的經濟效益

本次保障首創項目模式運作，并且首次展開了商務領域的談判，通過與主辦方多次的溝通、協商，明確雙方權利職責。對內來看，本次保障首次對成本進行逐項摸底排查，形成保障項目報價清單，最后達成了合同協議，直接為公司創造經濟效益。

3 經驗分享

3.1 用戶特點

無人機保障與其他聚會型保障最大的區別是并發業務高，用戶100%并發，且對時延要求極強。另外保障區域不屬于傳統的地面覆蓋，而是高空環境，對無線覆蓋要求更精確。

3.2 干擾特點

從圖8可以看到擬合上行干擾與用戶數的線性關系，可以發現，當用戶低于100人時，上行干擾值穩定在-115dbm以下；當用戶超過150人時，上行干擾明顯抬升；當用戶達到200人時，上行干擾值高于-110dbm；當用戶超過300時，則上行干擾接近-105dbm左右。

圖8 流量增長階段劃分

進一步分析干擾發現，100個RB資源中干擾嚴重的區域主要集中在5～35之間；輕微干擾區域主要集中35～80之間；80以上資源受干擾影響較小，如圖9所示。

圖9 流量增長階段劃分

3.3 專網的承載

利用核心網的專網承載設置可以避免觀眾占用到無人機主占小區資源，讓專網承載無人機業務，規避觀眾突發對無人機造成干擾。

4 總結

由于前期保障方案準備充分，南京聯通圓滿完成無人機燈光秀保障工作，并從中總結了幾點經驗，期望對后續網絡保障工作有一定的指導和借鑒意義。

（1）高并發業務保障中，建議采用異頻組網和專網承載，既可以解決容量問題，保證網絡穩定性，又可以降低干擾；

（2）嚴格控制鄰區間重疊覆蓋率，以免影響主控小區下用戶業務質量，以及速傳時延；

（3）多載波間用戶合理分配，建議配置負載均衡用戶門限為200人，避免因用戶過多造成的上行干擾抬升。