無人機基站技術在大區域災害現場通信保障方面的應用探索

韓麗瓊 郭亞嬌 景敏 保德坤 殷繼艷

摘要：目前基層森林消防隊伍在大區域災害現場遂行任務中，經常會出現無線信號傳輸信息慢、覆蓋面積小等通信聯絡不暢的情況。文章結合大區域災害現場通信保障的困難和應急通信需要具備的特點，從無人機基站的相關技術出發，通過研究無人機基站的無人機平臺、網絡架構、數據傳輸、無線信號覆蓋范圍等方面的問題，探索了無人機基站技術在基層隊伍遂行大區域災害現場救援任務中作為應急通信保障補充的可行性。

關鍵詞：大區域災害;應急通信;森林消防;無人機;高空基站

通信暢通是應急救援的關鍵，從指揮調度、信息傳送、兵力部署、物資協調到宣傳動員，通信始終是救援最重要的一環[1]。森林消防隊伍基層單位在遂行大區域災害現場救援任務時，由于地形、植被、災害破壞等因素影響會導致無線通信不暢等情況。而將通信基站升高，可以減小地面環境對電磁波的干擾，擴大無線信號的覆蓋范圍，甚至可以將超視距通信變為視距通信，顯著改善通信鏈路質量[2]。

近年來，無人機技術發展日趨成熟，在攝像、探測等領域應用越來越廣泛。無人機具有靈活、操控性強、覆蓋范圍廣、續航時間長等特點，是攜帶基站升空的最佳設備。因此，無人機基站技術利用無人機搭載4G基站升空可以有效解決這些困難，理論上是大區域災害現場通信保障的有力補充。

一、無人機概述

無人機是無人駕駛飛行器的簡稱（Unmanned Aerial Vehicle），是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置的不載人飛機，包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機等。無人機按不同使用領域分為軍用、民用和消費級三大類，三個類型對于無人機的性能各有偏重;按不同平臺構型分為固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機三大平臺，其他小種類無人機平臺還包括傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛船等[3]。

其中，固定翼無人機的特點是飛行速度快;無人直升機特點是靈活性強，可以原地起飛和懸停;多旋翼（多軸）無人機的靈活性介于固定翼和無人直升機之間，起降需要推力，但操縱簡單、成本較低[4]。

二、無人機高空基站技術探索

無人機基站技術采用無人機搭載一體化小型基站升空，基站在空中接收地面信號再傳輸到接收端。該技術可以有效擴大信號覆蓋范圍、提高數據傳輸速率，有效提高災害現場森林消防隊伍各單位的實時通信能力，實現數據共享，從而提高救災效率。同時，多機組升空還可以在空中組建局域網絡，在該單位內部實現互聯互通，并能提高災區現場信號傳輸范圍，將數據傳輸到指揮中心，為指揮中心現場研判災情、制定戰術、兵力部署等決策提供實時的信息支持。

（一）無人機平臺特點分析

根據大區域災害現場應急救援的通信保障需要，搭載基站的無人機應具有以下特點：

1.能夠快速部署

由于通信暢通是順利展開救援的關鍵，應急救援是分秒必爭的行動，越早在災害現場構建完善暢通的通信體系，就能挽回越多的損失。這就要求無人機高空基站便于攜帶、能在災害現場迅速部署，當出現突發情況時能在短時間內開始運行。

2.續航時間長

由于災害現場的應急救援是一個長時間的過程，長時間的通信保障要求無人機高空基站有長時間的續航能力，才能保證通信鏈路不中斷。

3.穩定的滯空能力

由于基站信號是毫米波，并且有一定的覆蓋范圍，如果無人機在空中不能穩定滯空，電磁波信號在無人機移動過程中產生的多普勒效應會產生多普勒頻移，導致信號不斷變化，信號覆蓋不穩定，使地面連接設備處于信號不穩定狀態。因此，無人機在空中穩定的滯空可以使高空基站能持續不間斷地保障通信鏈路。

4.大質量的荷載能力

無人機的荷載能力應該大于小型化基站的質量，并且還應該有余力搭載電池、傳感器、攝像頭等必要設備。

（二）高空基站組網架構

1.無人機高空基站機載的設備組成

無人機高空基站機載的設備主要由無人機平臺、機載一體化小型基站、回傳終端組成[5]。機載一體化小型基站選用基于TD-LTE制式的一體化小基站，回傳終端采用Relay無線回傳設備。

2.無人機高空基站的地面設備組成

無人機高空基站的地面設備主要由地面移動式現網宏站、核心網、安全網關組成。地面移動式現網宏站用于接收和轉發高空基站信號，核心網用來控制用戶權限、提供接入服務和數據轉發等功能，安全網關用于數據解密。

3.無人機高空基站的組網架構

將用戶終端設備接入機載基站，基站接收數據信號后對信號進行加密處理，數據經過加密處理后通過Relay回傳終端傳輸到地面移動式現網宏站，再由安全網關對數據進行解密處理，經由核心網進行用戶識別，再通過宏站將數據接入互聯網，如圖1所示。

（三）高空基站信號傳輸模型

無人機高空基站采用TD-LTE制式的基站和Relay回傳方式[6]。LTE是Long Term Evolution（長期演進）的縮寫。LTE根據雙工方式不同，分為LTE-TDD（時分雙工）和LTE-FDD（頻分雙工）兩種制式，其中LTE-TDD又稱為TD-LTE[7-8]。Relay是LTE R10版本引入的新型設備，是同時具備LTE無線接入和無線回傳能力的獨立基站設備。Relay位于宏基站和終端之間，起到擴展網絡覆蓋的作用。Relay回傳可以使基站支持D/F頻段，為基站提供面向核心網的無線回傳服務。

（四）高空基站信號覆蓋模型

1.單無人機信號覆蓋模型

我們假設這樣一個救援現場：在某一受災地區，災害破壞通信線路、基站，導致災區通信受阻，首先到達災區進行救援的當地中隊級消防救援力量，采用單架無人機升空為地面救援人員提供無線信號覆蓋，同時連接運行正常的地面基站，保證災區信息向外界傳輸通暢。這一模型中應使用能快速部署、方便攜帶的無人機。

2.無人機集群信號覆蓋模型

無人機集群信號覆蓋模型主要應用于多個消防救援中隊在災害現場參加救援行動，多架無人機升空后，可以建立無人機集群。同時，在群集中設置總機（指揮官）、路由器（團隊領導）和終端（士兵）以完成通信區域擴展工作[9]。同時結合組網技術，在災害現場搭建應急通信無線自組網，聯通指揮中心、中隊指揮員、戰斗員，實現任務部署直達一線救援人員的數字化指揮目標。

該模型可以用于以支隊級單位在災害現場實施救援，支隊設立指揮中心，支隊的無人機基站升空后作為總機，建立支隊自組網鏈路，以各中隊無人機基站為路由器和終端，聯通災害現場支隊救援范圍內的無線自組網鏈路，實現點對點、一點對多點、多點對多點的通信。

無人機基站配備在支隊以下級一部分單位，可以完全滿足災害現場支隊級人數的通信保障需要。裝配無人機基站后，大區域的災害現場支隊級指揮能力將獲得很大提升，主要體現在以下幾方面：

（1）無人機基站補充進入應急通信網絡，解決了衛星通信和現有無線通信設備傳輸數據速率低的問題，擴大了4G公共網絡用戶容量上限，降低通信阻塞問題發生的可能性。

（2）基層單位可以通過4G信號覆蓋的契機，建立內部的自組網鏈路傳輸數據。通過裝備4G單兵圖傳、平板電腦指揮終端、小型入耳式公網對講機等設備，建立中隊內部、中隊與中隊之間、中隊與支隊之間的實時語音、視頻通信。

三、無人機基站技術亟須解決的問題

無人機應急通信補充原有的應急通信系統的相關研究出現比較晚，其中還有許多問題亟待解決。一是優化無人機平臺，增強無人機續航能力、穩定性，提高其巡航速度和巡航距離，降低使用成本[10-11]。二是消防隊伍專用4G自組網鏈路的建設。三是無人機基站動態部署問題。為了滿足自然災害救援現場“看得見、呼得通、調得動”的需求，未來應急通信將向海量數據傳輸、智能化方向發展。

參考文獻：

[1]張昊，呂欣馳.論重特大災害消防應急通信技術[J].消防科學與技術，2011（02）：132-136.

[2]吳侹.系留多旋翼無人機通信系統在應急救災通信中的應用[J].移動通信，2016，40（15）：68-71.

[3]劉鵬德.蔡濟眾.無人機在消防滅火救援工作中的應用研究[J].數字通信世界，2019（11）：180.

[4]袁雪琪.云翔.李娜.基于5G的固定翼無人機應急通信覆蓋能力研究[J].電子技術應用，2020，46（02）：5-8.

[5]辛國華.地震應急平臺及應急通信體系研究[J].數字通信世界，2010，19（07）：54-57.

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[8]韓斌， 彭木根.TD-LTE鏈路預算研究[J].數據通信，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]李濱，王宏宇，楊笑天.無人機系統在森林防火方面的應用及其發展[J].電子技術，2015（05）：15-18.

[11]馬瑞升，楊斌，張利輝，等.微型無人機林火監測系統的設計與實現[J].浙江農林大學學報，2012，29（05）：783-789.