基于5G+無人機互聯環境下固定翼無人機的應急巡檢研究

黃志都，崔志美

（廣西電網有限責任公司 電力科學研究院，廣西 南寧 530023）

0 引 言

目前，國內的地面基站通信受到自然因素、外力因素以及人為因素的破壞等導致通信信號減弱，極大地影響了通信的穩定性。當發生緊急災難，如山區電力桿塔倒塌斷電、山火、山體滑坡以及地震等情況時很難滿足應急通信的需求。以往應急通信使用的是應急通信車，但在防災減災道路不通等極端場景下應急通信車無法安置，并且它的天線投射面積范圍有限[1]。因此我國啟動5G空天地一體化保障體系，即5G+無人機+衛星的模式。固定翼無人機基站擁有可靠的視距鏈路和自由部署等特點。

1 無人機+5G組網結構

為實現空天地一體化方案，無人機需要滿足長續航、靈活部署、運輸方便、可搭載大量的通信設備、穩定滯空、低成本以及高可靠性等條件。固定翼無人機升降操控存在一定的限制，承載能力強，續航持久，非常適合應急通信保障的使用[2]。

1.1 空天地一體方案

空天地一體應急通信方案使用固定翼無人機搭載無線基站，通過地面基站發射無線信號，然后由衛星信號回傳衛星地面信號站，最后通過光纖傳送到移動網絡，具體如圖1所示。

圖1 空天地一體應急通信示意圖

該無人機基站應急通信模式可在任意時刻提供大范圍可靠信號，有著高效、持久、遠距離傳輸信號以及載荷量大等特點。

1.2 無人機5G聯網關鍵技術

要實現5G空中通信網，需要使用固定翼無人機搭載任務載荷來實現5G網聯。5G通信模塊使用的是全雙工雙向中繼技術和定向天線覆蓋技術，實現信號的基本覆蓋。組網模塊包含了組網和飛行控制，使用的是全向天線技術，形成固定翼無人機組網鏈路，并且實現自主智能組網和智能部署。地面應急通信車配備5G宏基站和5G核心網關等，5G回程信號利用光纖接入應急通信車中的5G核心網關設備，5G核心網設備由光纜接到離得最近的沒阻斷公網固定通信站臺，可以跟應急指揮中心取得聯絡[3,4]。

應急通信指揮中心包括無人機中控、5G網絡管理和通信保障。其中，無人機中控的主要作用是實現無人機集群控制和無人機遠程控制，設置無人機控制指揮器，網管軟件系統設置在5G網管的服務器中。這兩樣都設置在應急指揮中心系統，以此來實現調配所有的5G通信應急網絡系統。

1.3 無人機系統載荷結構

1.3.1 5G通信模塊

5G通信模塊的組成部分包括5G射頻電路和通信處理器。通過選取就近應急通信車上搭載基站的5G通信模塊作為匯聚節點，通信模塊采用頻率為3.5 Hz，使用雙工雙向、中繼以及定向天線等技術，實現5G信號的基礎覆蓋，使得災區客戶端可以連接上5G無線信號[5-7]。

在共同子區內，相鄰各個終端的使用用戶能夠在通信時實現信息交互。當無法實現信息交互時，需要利用共同的通信模塊來實現信息交互。處在不同子區中進行信息交互時，作為源節點的5G通信模塊使用通信處理器將信號轉化成基帶信號后傳送至組網模塊，通過它來將用戶信息傳送到所連接的5G通信模塊，并在信息重組后下發給用戶。另外，當用戶終端與應急通信指揮中心信息交互，5G通信模塊收到用戶發來的信號后，將它轉化為基帶信號傳送到組網模塊，根據協議處理信號，然后再將這個信息傳輸到網絡中，交互至通信匯聚節點，實現與地面應急通信車中基站的交互。最后，通信匯聚節點傳送信息基帶到組網模塊中，傳輸到終端所連接的5G模塊，由5G模塊將信息組發送至客戶終端。

1.3.2 組網模塊

組網模塊包括組網射頻電路和組網處理器。其中組網射頻電路與天線相連，可以完成組網信號物理層收發。組網處理器主要實現組網和飛控信息處理以及協議運行，它可以將中繼的信息完成協議轉換，在組網模塊中形成信息交互，完成用戶終端和應急通信系統之間的無縫連接。同時，組網模塊可以協議轉換網間傳送的飛控指令，搭建空地控制鏈路，實現無人機與地面控制平臺的信息交互，即通信協議。將數據格式重新打包，在組網模塊中通過搭建空地控制鏈路，使用預編程和人工控制配合實現無人機的智能控制。

1.3.3 能量管理模塊

能量管理模塊包括電池充供電系統和休眠喚醒系統，可以為系統的正常運行提供可靠電力。正常情況下，通信模塊功率低于3 W，組網模塊功率低于2 W，能量管理系統可以提供7 h以上的電力。

2 5G和無人機智能組網的關鍵技術

2.1 通信應用技術

目前，通過在無人機上裝載5G通信基站實現空中組網，采用高低頻協作組網方式構建基于無人機的5G應急通信網，解決5G信號基礎覆蓋和頻率干擾等問題。通信鏈路采用3.5G頻率進行5G信號覆蓋，組網鏈路通過5.8G頻率進行組網，通信匯聚無人機與地面5G宏基站采用波束賦形技術，提升頻譜效率。無人機作為5G通信節點可以實現全網節點信息共享，5G通信模塊硬件擬對5G直放站進行改進。

2.2 智能部署和控制技術

無人機集群編隊飛行技術指的是多架無人機根據隊形進行排列或者執行特定任務。關鍵技術在于數據融合和編隊控制。編隊控制作為空中組網的關鍵技術，在避免碰撞的條件下，多個無人機配合，按照一定的編隊結構移動來完成規定的5G組網通信任務。有人提出基于虛擬力的部署算法需要感知6種虛擬力，該算法可以適應感知設備齊全且沒有無人機地面控制中心的場景。在自然災害等通信基礎設施損毀場景下，基于智能航跡規劃算法使無人機形成最優路徑后，通過預編程和地面人工控制相結合的方式生成基于無人機的5G空中通信網絡拓撲。改進MavLink協議，飛行控制指令按照改進的MavLink協議數據格式重新打包后，通過空地控制鏈路在無人機與地面方艙車之間可靠傳輸。

2.3 無人機自組網網絡動態分簇和自適應路由關鍵技術

針對現有無人機自組網分簇算法沒有充分考慮無人機編隊網絡拓撲結構動態變化對組網性能的影響，且無人機大多采用自由運動模型不符合應急通信場景下無人機飛行的實際情況，應該采用群智能節點部署算法提前設置好無人機編隊的飛行軌道，找出可以實現5G信號覆蓋且距離最短的路線。因此，本文研究出改進的加權分簇算法，根據鄰居節點穩定度、節點度、剩余能量以及丟包率來選擇簇首。

在上述基礎上，本文提出一種基于簇結構的自適應路由協議[8,9]。一方面簇內使用先應式路由協議，另一方面簇間使用位置和鏈路質量自適應路由協議，轉送給距離最近和鏈路質量最好的下一跳節點，避免反向傳輸，確定最優方案，減少時間延遲。

2.4 覆蓋增強解決方案

2.4.1 兩種覆蓋率增強手段

一是天線朝著地面覆蓋傳播信號，保證信號覆蓋水平，保障用戶需求，加強旁瓣增益，從而解決低空網絡信號問題。二是采用專用站點進行補盲。在信號熱點及盲點位置，增加低空覆蓋專用站點的數量和主瓣數量，向空中覆蓋的低空專用基站和普通基站形成1∶N的規模，N為低空專用基站數。低空專用基站通常頻段為4.9 GHz，這樣能夠實現減少對空覆蓋的投入，實現地空強覆蓋信號網。

2.4.2 有效覆蓋半徑的計算方法

搭載通信基站的無人機在高度H下對地面實行信號覆蓋[10]。有效覆蓋的最大半徑根據高度變化，飛行高度與覆蓋半徑的模型如圖2所示。無人機與R1處地面終端的直線距離為D1，天線主瓣點對應的覆蓋半徑為R2，D2是無人機與R2處終端的直線距離，R3和D3對應天線增益降低3 dB處上旁瓣點的覆蓋半徑與直線距離。

圖2 飛行高度與覆蓋半徑的模型

已知無人機飛行高度為H，天線垂直夾角α，天線垂直方向的波瓣寬度為φ，R3的計算公式為：

按照VoLTE信號質量標準，R3處的RSRP不小于-85 dBm。

直角三角形斜邊D3的計算公式為：

D3小于基站的最遠覆蓋距離。

2.5 減少時延的措施

2.5.1 用戶面和控制面分割

核心網主要包括控制面和用戶面。其中控制面的主要功能是搭建和分發業務數據，用戶面主要功能是分發用戶的業務數據。5G技術采用基于服務的網絡架構，可以將控制面和用戶面完全分割，令用戶面不受束縛，靈活部署，減少時延。

2.5.2 邊緣計算

在5G數據結構中，網絡的正中心是核心網，由于數據業務從核心節點出口會造成時延增加。因此需要采用邊緣計算，結合云平臺與蜂窩網絡，將數據中心的功能與服務移到網絡的邊緣，實現時延縮短。

3 結 論

5G+大型固定翼無人機+衛星的組網方式有著巨大的發展使用前景，但目前國內的技術上仍需解決一些問題。本文主要研究無人機智能組網和5G配合關鍵技術方案，無人機需要能夠應對霧霾、濃煙以及地形復雜的山區等環境，集成多種成像技術，抵御低溫、大風等情況，才能實現災區組網通信的順利進行。