基于5G傳輸的無人機實時視頻分析系統設計及應用

陶君軍

（上海日輝掌眼智能科技有限公司，上海 200434）

0 引 言

近年來，無人機憑借自身投入成本低和操作簡單等顯著優勢，在各行各業得到了廣泛應用。第五代移動通信系統在現有的通信技術下支持增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量機器類通 信（Massive MachineType Communication，mMTC）以及超高可靠低時延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）3大類應用場景，進一步拓展了無人機的應用領域。無人機實時視頻傳輸作為當前5G技術的應用之一，是5G高速率特點的直觀體現。本文從5G網絡架構、技術發展和應用以及無人機視頻傳輸出發，分析5G對無人機視頻傳輸分析系統和應用的巨大影響。

1 無人機實時視頻傳輸的現狀與存在的問題

在傳統通信限制下，無人機實時視頻傳輸因受到網絡傳輸帶寬不足、自身設備以及網絡延時大導致視頻卡頓等多方面的限制，在傳統通信條件工作下傳輸的音視頻經常出現數據丟失的情況[1]。

1.1 人機設備受限，無法滿足信號覆蓋需求

隨著市場需求的不斷增加，無人機的種類不斷增多。在現有條件下，民用的無人機多為旋翼無人機，其特點為飛行高度低和航行距離較近等，自身攜帶電量無法提供無人機長時間飛行，活動半徑不超16 km，且飛行高度限制在1 km以內，但單純增加無人機搭載電池數量或者供電設備的供電功率并不能有效增加無人機的飛行時間和飛行距離。通常實時視頻傳輸場景需要無人機具備特殊的飛行高度和穩定的飛行狀態，飛行的空間形態是立方體模式。這種立方體空間模式需要無人機設施具備對立方體空間形態各象限的無線信號覆蓋能力，其信號需要無死角地覆蓋整個立方體空間，對5G無線信號覆蓋能力的發展也提出了更高的要求[2]。

1.2 機載設備數據傳輸能力有限

通信技術的高速發展對視頻的清晰度有了更高的要求，高清視頻對網絡傳輸帶寬的需求與日俱增。無人機實時視頻傳輸系統大多是通過將攝像設備搭載到無人機上進行工作，然后通過搭載的圖傳設備將攝像設備拍攝的視頻回傳，同時無人機實時視頻傳輸場景業務需要現場直播，數據實時回傳。然而目前無人機機載設備無法滿足高清視頻實時傳輸需求[3]。

1.3 無人機機載設備覆蓋能力有限

當前，民用無人機實時視頻傳輸系統主要利用設備廠家自身研發的圖傳電臺進行數據傳輸。這種電臺功率較小，無法滿足無人機設備遠距離飛行要求。同時按照無線電管理條例，民用設備在沒有向當地無線電管理部門報備的情況下，禁止使用大功率電臺設備[4]。

1.4 無人機實時視頻傳輸延時卡頓現象嚴重

利用民用超近程無人機設備的圖像采集能力采集視頻并儲存在無人機的儲存設備里，可順利回放采集的儲存視頻。但將采集的視頻通過傳輸鏈路進行網路回傳時，實時播放到直播平臺上可能會出現圖像卡頓、網絡延遲以及花屏等現象，從而導致直播視頻無法正常觀看。因此，無人機實時視頻傳輸要想得到更好地應用，必須創新通信鏈路[5]。

1.5 傳輸鏈路帶寬不能滿足需求

若無人機實時視頻傳輸的視頻分辨率為1080P，幀率為50，那么每秒的數據量為104 Mb。按照視頻傳輸的標準格式編碼進行壓縮，實測滿足該制式的視頻傳輸帶寬至少需要65 Mb/s，可見傳統通信鏈路條件下無法滿足無人機實時視頻傳輸的鏈路需求。根據以上數據顯示，無人機實時視頻傳輸的組網方案有望在5G的場景下實現[6]。

2 組網方案研究

2.1 5G組網方案概述

5G組網模式分為獨立組網（Standalone，SA）和非獨立組網（Non-Standalone，NSA）。其中獨立組網（如圖1）新建5G核心網和5G基站，是5G的標準組網模式，所有的工作都需要在5G組網方案下進行。5G核心技術需在獨立組網模式下進行，以滿足現有5G下各種業務的需求。4G和5G之間采用相互獨立的操作方法，兩者之前無需鏈接。非獨立組網新建5G基站，以4G基站作為控制操作點，采用5G或4G核心網的組網模式，兩者之間無需互操作，可同時在兩者網絡發起任務。現有的組網模式主要是在4G基站點下進行工作，而5G基站的大部分功能并不能在融合組網方案中實現。此鏈接方式需要支持4G/5G雙鏈接，同時5G需要接入4G網絡才能進行融合組網（如圖2），也就是說非獨立組網模式是一種現有發展組網的過渡方案，當前多數移動通信系統都是在非獨立組網的方式下進行工作[7]。

圖1 5G獨立組網方式

圖2 4G/5G融合組網方式

2.2 采用無人機圖傳電臺組網

無人機可采用自身系統所攜帶的圖傳電臺進行組網，架構如圖3所示。利用此組網方式可以將實時視頻傳回地面移動網絡接入節點。地面移動網絡接入節點有無人機數據網絡接口，通過互聯網網絡將無人機視頻數據信息網傳回PC終端，然后智能分析傳回的數據以獲取分析結果。同時，此組網方式要求必須滿足無人機視頻數據傳輸距離和實時視頻傳輸帶寬的要求[8]。無人機自身攜帶的圖傳電臺設備通過此組網方式進行通信時，在通信距離達到600 m左右開始出現實時視頻數據傳輸不穩定的情況，信號延遲大約在3 s。當無人機與地面移動網絡接入節點距離達到900 m時數據傳輸信號中斷，當返回到750 m時檢測到有信號，700 m處信號完全恢復[9]。

圖3 圖傳電臺組網架構圖

2.3 搭載攝像設備

攝像設備通過搭載的方式與無人機進行組網。此組網方式要求無人機設備具有視頻傳輸接口，在無人機進行工作時實時傳輸畫面。通過網絡接口接收無人機搭載攝像設備傳輸的畫面，然后將畫面傳輸到地面信號接收基站。通過地面移動網絡接入節點利用互聯網網絡傳輸到PC終端，實現無人機監控畫面的實時傳輸[10]。無人機實時視頻傳輸架構如圖4所示。

圖4 無人機實時視頻傳輸架構圖

此組網方案的優點包括兩個方面。一方面是雖然傳輸距離受5G信號覆蓋能力的限制，但可以通過多個5G基站之間的數據互傳，實現無人機實時視頻的遠距離傳輸且數據穩定。另一方面是不受無人機自身條件限制，只要飛行區域覆蓋有5G信號就可以實時傳輸無人機視頻數據。無人機實時視頻傳輸測試結果如表1所示，根據測試結果可知，在現有無人機設備條件下，4K高清視頻傳輸組網方案的可行性更高。

表1 無人機實時視頻傳輸測試表

3 應用場景

經過實際測試，4K高清視頻傳輸延時在2 s以內，基本不影響正常使用，畫面流暢無卡頓，無人機飛行時間可達20 min。這個組網方案基本可以滿足日常工作的需要。

3.1 無人機在農業方面的應用

無人機在農業方面的應用越來越廣泛，如農作物播種、農藥噴灑、農田灌溉、農業信息監測、污染控制以及空氣監測等，極大地提高了農業生產效率。無人機播種比人工播種的均勻程度高，能夠確保農藥的噴灑質量，減少農藥對土壤和環境的污染。利用無人機監測傳回的數據和數據庫里面的信息進行對比，判斷農作物是否需要灌溉，從而達到科學灌溉和節約用水的目的。無人機農業示意圖如圖5所示。

圖5 無人機農業示意圖

3.2 無人機在安防和巡檢方面的應用

無人機監控視頻實時傳輸在安全防護和各行業的巡檢場景中發揮了重要作用。無人機安防和巡檢的需求包括無人機飛行距離與操控能力的協調、無人機飛行狀態的操控、無人機的定位以及最重要的視頻數據傳輸能力。隨著安防和巡檢工作對無人機飛行時間、距離、減噪度以及視頻清晰度等方面的需求越來越高，無人機需要實現長時間飛行、遠距離飛行以及近距離無噪監測等功能，同時還需要實時傳輸4K和8K高清視頻，對5G網絡在傳輸速率、傳輸帶寬、網絡覆蓋以及時延等方面提出了更高的要求。無人機智慧巡檢示意圖如圖6所示，巡檢方面還需要無人機搭載一種或多種傳感設備。搭載的無人機傳感設備通過地面移動網絡接入節點將數據傳輸到PC服務端，用戶即可通過PC觀看實時傳輸數據，實現巡查監控視頻的實時傳輸。

圖6 無人機智慧巡檢示意圖

3.3 無人機在應急通信救援方面的應用

我國地大物博，幅員遼闊，環境和氣候復雜多變，各種自然災害時有發生，災難發生后的應急通信快速恢復對救援工作起著至關重要的作用。由于無人機具有機動靈活的特點，因此被廣泛應用在災害之后的救援工作中。如圖7所示，當災害發生之后，利用無人機搭載功能建立臨時通信基站，通過臨時建立的通信基站和接入的被困人員手機確定被困人員身份信息及被困位置。同時可利用無人機搭載攝像設備和5G系統的高寬帶傳輸能力，通過攝像頭將航拍視頻實時傳輸到PC端進行查看，結合AI技術和邊緣計算技術，快速實現周邊環境的監控與分析，實時掌控受災區域的環境變化，以便于救援人員快速有針對性地展開營救工作。此外，可將無人機在應急通信和救援方面的應用與傳統救援方式相結合，保障受災群眾能夠第一之間得到救援，最大程度減少人員傷亡和災害損失。

圖7 無人機應急通信救援應用示意圖

4 5G場景下無人機視頻傳輸需改進的不足

4.1 無人機搭載能力有限且搭載過程煩瑣

隨著搭載設備重量的增加，無人機的飛行時間和飛行距離隨之減少，操作難度大幅增加，安全性也無法保障。因此，無人機不可搭載過重設備，以降低飛行風險，保障設備及飛行安全。5G場景下無人機視頻傳輸需要搭載攝像和定位等設備，存在的操作隱患較多，另外由于組裝需要消耗大量的時間，同時需要對搭載設備進行多次檢查避免飛行期間出現事故，所以飛行之前的準備階段消耗時間長，工作流程較為煩瑣，需盡可能地減少無人機載荷。

4.2 5G組網的信號覆蓋系統略顯不足

5G組網總體上分為獨立組網（SA）和非獨立組網（NSA）。非獨立組網方式必須融合4G網絡進行作業，而5G信號本身的自干擾缺點還未得到改善，因此在空中的覆蓋能力還需要進一步研究。

5 結 論

通過研究組網方案，在現有的條件下無人機搭載攝像設備可實現無人機實時視頻傳輸，滿足無人機實時監測和視頻直播的應用需求。目前5G網絡無人機高清視頻傳輸仍處于試點操作階段，本文結合5G無人機測試結果分析和應用場景，研究基于5G的無人機實時視頻傳輸的可行性及網絡優化，為深入研究5G無人機高清視頻實時傳輸提供了可行性方案和依據。