無人機(jī)基站技術(shù)在大區(qū)域?yàn)?zāi)害現(xiàn)場通信保障方面的應(yīng)用探索

■ 韓麗瓊 郭亞嬌 景敏 保德坤 殷繼艷 中國消防救援學(xué)院

通信暢通是應(yīng)急救援的關(guān)鍵，從指揮調(diào)度、信息傳送、兵力部署、物資協(xié)調(diào)到宣傳動員，通信始終是救援最重要的一環(huán)[1]。森林消防隊(duì)伍基層單位在遂行大區(qū)域?yàn)?zāi)害現(xiàn)場救援任務(wù)時(shí)，由于地形、植被、災(zāi)害破壞等因素影響會導(dǎo)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(huán)境對電磁波的干擾，擴(kuò)大無線信號的覆蓋范圍，甚至可以將超視距通信變?yōu)橐暰嗤ㄐ牛@著改善通信鏈路質(zhì)量[2]。

近年來，無人機(jī)技術(shù)發(fā)展日趨成熟，在攝像、探測等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。無人機(jī)具有靈活、操控性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、續(xù)航時(shí)間長等特點(diǎn)，是攜帶基站升空的最佳設(shè)備。因此，無人機(jī)基站技術(shù)利用無人機(jī)搭載4G基站升空可以有效解決這些困難，理論上是大區(qū)域?yàn)?zāi)害現(xiàn)場通信保障的有力補(bǔ)充。

一、無人機(jī)概述

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

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

二、無人機(jī)高空基站技術(shù)探索

無人機(jī)基站技術(shù)采用無人機(jī)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?shù)浇邮斩恕Ｔ摷夹g(shù)可以有效擴(kuò)大信號覆蓋范圍、提高數(shù)據(jù)傳輸速率，有效提高災(zāi)害現(xiàn)場森林消防隊(duì)伍各單位的實(shí)時(shí)通信能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而提高救災(zāi)效率。同時(shí)，多機(jī)組升空還可以在空中組建局域網(wǎng)絡(luò)，在該單位內(nèi)部實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，并能提高災(zāi)區(qū)現(xiàn)場信號傳輸范圍，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街笓]中心，為指揮中心現(xiàn)場研判災(zāi)情、制定戰(zhàn)術(shù)、兵力部署等決策提供實(shí)時(shí)的信息支持。

（一）無人機(jī)平臺特點(diǎn)分析

根據(jù)大區(qū)域?yàn)?zāi)害現(xiàn)場應(yīng)急救援的通信保障需要，搭載基站的無人機(jī)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

1.能夠快速部署

由于通信暢通是順利展開救援的關(guān)鍵，應(yīng)急救援是分秒必爭的行動，越早在災(zāi)害現(xiàn)場構(gòu)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(jī)高空基站便于攜帶、能在災(zāi)害現(xiàn)場迅速部署，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)能在短時(shí)間內(nèi)開始運(yùn)行。

2.續(xù)航時(shí)間長

由于災(zāi)害現(xiàn)場的應(yīng)急救援是一個(gè)長時(shí)間的過程，長時(shí)間的通信保障要求無人機(jī)高空基站有長時(shí)間的續(xù)航能力，才能保證通信鏈路不中斷。

3.穩(wěn)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(jī)在空中不能穩(wěn)定滯空，電磁波信號在無人機(jī)移動過程中產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)會產(chǎn)生多普勒頻移，導(dǎo)致信號不斷變化，信號覆蓋不穩(wěn)定，使地面連接設(shè)備處于信號不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，無人機(jī)在空中穩(wěn)定的滯空可以使高空基站能持續(xù)不間斷地保障通信鏈路。

4.大質(zhì)量的荷載能力

無人機(jī)的荷載能力應(yīng)該大于小型化基站的質(zhì)量，并且還應(yīng)該有余力搭載電池、傳感器、攝像頭等必要設(shè)備。

（二）高空基站組網(wǎng)架構(gòu)

1.無人機(jī)高空基站機(jī)載的設(shè)備組成

無人機(jī)高空基站機(jī)載的設(shè)備主要由無人機(jī)平臺、機(jī)載一體化小型基站、回傳終端組成[5]。機(jī)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(shè)備。

2.無人機(jī)高空基站的地面設(shè)備組成

無人機(jī)高空基站的地面設(shè)備主要由地面移動式現(xiàn)網(wǎng)宏站、核心網(wǎng)、安全網(wǎng)關(guān)組成。地面移動式現(xiàn)網(wǎng)宏站用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)高空基站信號，核心網(wǎng)用來控制用戶權(quán)限、提供接入服務(wù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，安全網(wǎng)關(guān)用于數(shù)據(jù)解密。

3.無人機(jī)高空基站的組網(wǎng)架構(gòu)

將用戶終端設(shè)備接入機(jī)載基站，基站接收數(shù)據(jù)信號后對信號進(jìn)行加密處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過加密處理后通過Relay回傳終端傳輸?shù)降孛嬉苿邮浆F(xiàn)網(wǎng)宏站，再由安全網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密處理，經(jīng)由核心網(wǎng)進(jìn)行用戶識別，再通過宏站將數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)，如圖1所示。

（三）高空基站信號傳輸模型

無人機(jī)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(jìn)）的縮寫。LTE根據(jù)雙工方式不同，分為LTE－TDD（時(shí)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(shè)備，是同時(shí)具備LTE無線接入和無線回傳能力的獨(dú)立基站設(shè)備。Relay位于宏基站和終端之間，起到擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)的無線回傳服務(wù)。

（四）高空基站信號覆蓋模型

1.單無人機(jī)信號覆蓋模型

我們假設(shè)這樣一個(gè)救援現(xiàn)場：在某一受災(zāi)地區(qū)，災(zāi)害破壞通信線路、基站，導(dǎo)致災(zāi)區(qū)通信受阻，首先到達(dá)災(zāi)區(qū)進(jìn)行救援的當(dāng)?shù)刂嘘?duì)級消防救援力量，采用單架無人機(jī)升空為地面救援人員提供無線信號覆蓋，同時(shí)連接運(yùn)行正常的地面基站，保證災(zāi)區(qū)信息向外界傳輸通暢。這一模型中應(yīng)使用能快速部署、方便攜帶的無人機(jī)。

2.無人機(jī)集群信號覆蓋模型

無人機(jī)集群信號覆蓋模型主要應(yīng)用于多個(gè)消防救援中隊(duì)在災(zāi)害現(xiàn)場參加救援行動，多架無人機(jī)升空后，可以建立無人機(jī)集群。同時(shí)，在群集中設(shè)置總機(jī)（指揮官）、路由器（團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)）和終端（士兵）以完成通信區(qū)域擴(kuò)展工作[9]。同時(shí)結(jié)合組網(wǎng)技術(shù)，在災(zāi)害現(xiàn)場搭建應(yīng)急通信無線自組網(wǎng)，聯(lián)通指揮中心、中隊(duì)指揮員、戰(zhàn)斗員，實(shí)現(xiàn)任務(wù)部署直達(dá)一線救援人員的數(shù)字化指揮目標(biāo)。

該模型可以用于以支隊(duì)級單位在災(zāi)害現(xiàn)場實(shí)施救援，支隊(duì)設(shè)立指揮中心，支隊(duì)的無人機(jī)基站升空后作為總機(jī)，建立支隊(duì)自組網(wǎng)鏈路，以各中隊(duì)無人機(jī)基站為路由器和終端，聯(lián)通災(zāi)害現(xiàn)場支隊(duì)救援范圍內(nèi)的無線自組網(wǎng)鏈路，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)的通信。

無人機(jī)基站配備在支隊(duì)以下級一部分單位，可以完全滿足災(zāi)害現(xiàn)場支隊(duì)級人數(shù)的通信保障需要。裝配無人機(jī)基站后，大區(qū)域的災(zāi)害現(xiàn)場支隊(duì)級指揮能力將獲得很大提升，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）無人機(jī)基站補(bǔ)充進(jìn)入應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，解決了衛(wèi)星通信和現(xiàn)有無線通信設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)速率低的問題，擴(kuò)大了4G公共網(wǎng)絡(luò)用戶容量上限，降低通信阻塞問題發(fā)生的可能性。

（2）基層單位可以通過4G信號覆蓋的契機(jī)，建立內(nèi)部的自組網(wǎng)鏈路傳輸數(shù)據(jù)。通過裝備4G單兵圖傳、平板電腦指揮終端、小型入耳式公網(wǎng)對講機(jī)等設(shè)備，建立中隊(duì)內(nèi)部、中隊(duì)與中隊(duì)之間、中隊(duì)與支隊(duì)之間的實(shí)時(shí)語音、視頻通信。

三、無人機(jī)基站技術(shù)亟須解決的問題

無人機(jī)應(yīng)急通信補(bǔ)充原有的應(yīng)急通信系統(tǒng)的相關(guān)研究出現(xiàn)比較晚，其中還有許多問題亟待解決。一是優(yōu)化無人機(jī)平臺，增強(qiáng)無人機(jī)續(xù)航能力、穩(wěn)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(duì)伍專用4G自組網(wǎng)鏈路的建設(shè)。三是無人機(jī)基站動態(tài)部署問題。為了滿足自然災(zāi)害救援現(xiàn)場“看得見、呼得通、調(diào)得動”的需求，未來應(yīng)急通信將向海量數(shù)據(jù)傳輸、智能化方向發(fā)展。