面向空天應急通信系統的空地連續覆蓋技術研究與應用

陳盛偉，李帆，楊光平，周劍，蘇郁

（中國移動（成都）產業研究院，四川 成都 610213）

0 引言

我國是一個自然災害多發的國家，根據應急管理部發布的我國2021年全國自然災害的情況，全年各種自然災害共造成1.07億人次受災，因災死亡失蹤867人，倒塌房屋16.2萬間，農作物受災面積11 739千公頃，直接經濟損失3 340.2億元[1]。

當地震、洪水、泥石流等大型自然災害發生時，可能會造成受災地區道路、通信、電力的中斷，即“三斷”。災后受災群眾應急通信需求會急速上升，救援人員為了迅速了解受災情況，及時進行救援需要通信通暢[2]。災后72 h是搶險救援的黃金時間，快速恢復通信，及時、準確地傳遞災區信息，便于指揮者更好進行決策，更好地保護人民群眾的生命財產安全。

傳統的應急通信方案包括應急通信車、衛星電話等[3-4]。應急通信車主要解決大型活動場景的通信容量問題，在我國已經廣泛配備，是最為常見的應急通信設備之一。但是在“三斷”場景下，應急通信車會受交通和道路影響，無法迅速到達受災地區。衛星電話是一種特殊的通信終端，通過衛星通信系統進行信息傳輸，需要專用終端，而且帶寬有限，不利于傳輸視頻和圖片，無法廣泛配備[5-6]。衛星通信背包（以下簡稱：衛通背包）基站是一種集成移動基站和衛星通信收/發設備的輕量化應急通信設備，整機重量可控制在十幾千克內，可單兵攜帶，快速開通。設備可內置電池，無須外部供電。用戶通過普通手機接入，不需要專有終端。在2022年3月東方航空墜機事故的搜救現場，中國移動開通衛通背包基站為救援人員提供通信保障[7]。衛通背包設備具有集成度高、開通方便的優點，但是覆蓋范圍有限，需要通過車輛或單兵攜帶到災區附近，不適合“三斷”情況下的應急保障。

隨著近年來應急通信領域研究的飛速發展，涌現一批更靈活、便捷的空天應急通信系統。

系留無人機應急通信系統通過光電復合線纜進行地面電源和通信設備的數據傳輸。由于系留無人機通過地面電源進行供電，因此能夠提供長時間不間斷的空中應急通信保障[8]。相對應急通信車，系留無人機應急基站升空高度可達200 m以上，并可根據保障場景調節升空高度，覆蓋面積可達數十甚至上百平方千米。系留無人機基站相對傳統應急通信車覆蓋范圍更大、更加便捷，但是系留無人機需要由應急通信車搭載到災區附近進行升空，因此同樣會受到交通和道路的影響，不適合“三斷”情況下的應急保障。

與系留無人機應急基站類似，近年來另一種系留氣球基站也有一定范圍的應用。無人氣球依靠填充氦氣駐空，搭載基站設備，可實現對地面的大范圍覆蓋。谷歌Loon氣球項目實現通過7個不同的氣球實現近1 000 km范圍的信號覆蓋，并應用于秘魯、波多黎各的災后應急通信中[9]。云南移動研發的“5G彩云一號”無人飛艇基站于2021年9月順利完成試驗飛行測試，覆蓋范圍可達100 km2[10]。但是無人氣球基站機動性較差，只能實現升空地點附近的信號覆蓋。

上述空天應急通信方案相對傳統應急通信方案具有一定的靈敏性，但是在大型自然災害發生造成“三斷”的情況下，仍會受道路、交通等因素制約，難以迅速到達災區。

大型固定翼無人機空天一體化應急通信方案示意圖如圖1所示，可以彌補上述方案的短板[11]。空天一體化應急通信的系統包括地面、機載、空天三大部分。機載部分由固定翼航空器攜帶通信載荷作為一個空中基站。災區地面基站被摧毀的情況下，空中基站可迅速飛抵災區上空，為災區民眾和救援人員進行通信覆蓋[12]。空天一體化應急通信系統具有響應快、通信持續時間長、地面覆蓋好、覆蓋面積大等特點，成為應急通信系統的研究熱點[13-14]。

圖1 大型固定翼無人機空天一體化應急通信方案示意圖

目前業內空天基站的方案是把通信基站直接掛載到無人機上，飛機在目標區域上空進行盤旋，實現空對地覆蓋[15]。無人機的位置是不斷變化的，所以地面上的可用信號覆蓋區域隨著固定翼航空器在空中的位置變化以及飛行姿態變化而移動，導致目標區域只有很小的一部分信號可以隨著無人機的飛行實現連續覆蓋，甚至完全不存在連續覆蓋區域。本文的連續覆蓋，是指業務層面的連續覆蓋，即對地面上需要信號覆蓋的某一點P，在空中基站整個盤旋作業過程中，都有滿足基本通話和數據連接能力的信號覆蓋。對于整個覆蓋區域，要求95%以上點位的參考信號接收功率（reference signal receiving power，RSRP）≥-110 dBm[16-17]。

覆蓋不連續會導致地面通信出現信號時強時弱、頻繁掉話等，對于應急通信來說是致命的缺陷[18-19]。因此，如何設計對地覆蓋方案，實現固定翼無人機通信基站對指定區域的連續覆蓋，是空天基站方案的研究重點。

1 系統模型

1.1 單天線設計方案

目前空天基站的方案通常采用在無人機上搭載單天線的方案，如圖2所示。設飛機飛行高度為h，飛行軌跡是以D為圓心、半徑為R的圓，天線的下傾角為α（這里的下傾角指機腹與機載天線之間的夾角，不包含無人機盤旋時機身傾斜角），天線的半功率角為β，飛機滾轉角為γ，E是天線可以覆蓋的最遠點，B是天線可以覆蓋的最近點，A為飛機的飛行軌跡在地上的投影點，則有：

圖2 單天線設計方案示意圖

無人機沿著半徑R的圓盤旋的過程中，無人機飛到A點正上方時，天線對地覆蓋范圍為BE。無人機在盤旋過程中，如對地形成連續覆蓋區域，要求AE＞R，此時，以D為圓心，DE為半徑的區域形成連續覆蓋區域。存在連續覆蓋面積情況下，可以得到天線下傾角為：

通過對連續覆蓋區域的分析可知，單天線的情況下，空對地的覆蓋范圍取決于飛行高度、天線半功率角、飛機滾轉角等因素，空對地覆蓋范圍十分有限。一般情況可以通過增加飛機飛行高度提高覆蓋范圍，但是無人機飛行高度一般有一定限制，同時飛行高度過高，會導致信號衰減大，達到地面的信號強度較弱，覆蓋效果不理想。

1.2 多天線覆蓋方案

單幅天線覆蓋范圍有限，難以實現對地面的連續覆蓋，因此提出通過設計多天線方案解決連續覆蓋問題。定義方向朝向圓心的基站天線為內側天線，定義方向朝向飛行軌跡在地面投影的邊緣位置的基站天線為邊緣天線。在無人機上配置多副內側天線和邊緣天線，內側天線為 ANT1,ANT2, …, ANTn，外側天線為ANT～1, ANT～2 ,…, ANT～n。

通過內側天線和邊緣天線，在不需要空中基站作業過程中做任何物理變動（如實時調整天線角度）的前提下，實現對地面的連續覆蓋。

水平和垂直半功率角差異大的天線設計方案示意圖如圖3所示，記內側天線發射方向朝固定翼航空器盤旋軌跡內側偏離nε（天線面水平角度，即方位角），邊緣天線發射方向朝固定翼航空器盤旋軌跡內側偏離ε~n。內側天線 1下傾角為1α，內側天線n的下傾角在α的基礎進行調整，以彌補在地面的連續覆蓋區域是一個狹長小面積區域的缺點。內側天線的垂直半功率角為nβ。邊緣天線的下傾角為α~n，垂直半功率角為β~n。

圖3 水平和垂直半功率角差異大的天線設計方案示意圖

固定翼航空器俯仰角為θ，固定翼航空器飛行高度為h。

O點是連續覆蓋目標區域的幾何中心點位置，OB為飛行軌跡半徑R。相對O，G是內側天線所能覆蓋最遠點，C是內側天線所能覆蓋最近點，A是邊緣天線所能覆蓋最遠點，D是邊緣天線所能覆蓋最近點。

理論上要求OG＞0，并且OC＞0，否則沒有連續覆蓋區域。為了達到連續覆蓋效果，要求OG≥R、OA≥R，并且邊緣和內側天線的覆蓋范圍有重疊，也就是OC＞OD。

連續覆蓋面積近似為：

? 當OA≥OG時，信號連續覆蓋以OG為半徑的圓面積；

? 當OA＜OG時，信號連續覆蓋面積為以OA為半徑的圓面積。

其中，OG是地面目標覆蓋區域幾何中心O到內側天線覆蓋最遠距離G的長度。

因此內側天線1下傾角為：

內側天線ANTn的下傾角為：

邊緣天線的下傾角需結合航空器滾轉角：

邊緣天線ANT～n的下傾角為：

定義天線在垂直方向與地平面的夾角為nξ，則nξ=-θ，即垂直方向上天線需抵消掉飛機俯仰角的影響，保持和地面水平。

從而根據式（6）、式（8），可以確定覆蓋的具體位置，并獲得天線的下傾角，空中基站扇區天線的下傾角設計符合此要求。

2 連續覆蓋方案

2.1 無人機飛行方案

設無人機飛行凈高為h，飛行半徑為r，覆蓋半徑為R，覆蓋最遠距離為d，覆蓋距離示意圖如圖4所示，H、r、R和d之間需滿足：

圖4 覆蓋距離示意圖

在最遠覆蓋距離滿足≤6 500 m的條件下，可以得到不同覆蓋半徑的飛行凈高和飛行半徑。

2.2 天線掛裝方案

在進行天線掛裝方案設計時，首先考慮一個內側天線和一個外側天線的覆蓋滿足要求，兩個天線的覆蓋邊緣示意圖如圖5所示。圖5中雙實線和雙虛線分別表示外側和內側天線的覆蓋范圍，a、b、c、d和w、x、y、z點分別表示兩根天線在4個方向上的邊緣覆蓋點。

圖5 覆蓋邊緣示意圖

設無人機飛行高度為h，天線水平和垂直半功率角分別為ω和β，天線和地平面夾角為α+γ，則有：

w、x、y、x點位置的計算方法同理。為了實現連續覆蓋，需要保證 OB＞OW。同時還要保證a點和x點在待覆蓋范圍之外。在此基礎上，設計天線2和天線3的旋轉角度εn和，εn和一般根據經驗值取。綜合考慮飛行高度、飛行半徑和覆蓋范圍等因素，得到天線的安裝方案。在飛行高度為3 500 m、飛行半徑為3 000 m時，預估天線覆蓋范圍如圖6所示。從圖6中可以看出，使用該天線安裝方案，可以實現半徑3 500 m的連續覆蓋。圖6中所示覆蓋范圍是以半功率角的覆蓋為最遠點，實際的覆蓋范圍可能更大。

圖6 天線覆蓋范圍示意圖

3 覆蓋面積分析和仿真

3.1 傳輸損耗

上述方案中，連續覆蓋的面積來自用戶的需求。圖3中的OG和OA是基站對地面連續覆蓋的最遠傳輸距離。但是，最遠傳輸距離是否滿足通信訴求需要結合基站的能力以及傳播模型進行評價。評價方法如下。

在設備型號確定后，可通過設備的發射功率、接收機靈敏度、收/發天線增益等參數進行鏈路預算。并考慮信號傳播過程中的干擾余量、饋線損耗、陰影衰落、路徑損耗等損耗，可計算得到傳輸距離[20-21]。

3GPP 38.901協議規定了適用于0.5～100 GHz頻率范圍內空間損耗的數學統計模型，包括城市微站、城市宏基站、郊區宏基站等場景。無人機在空中飛行和終端間遮擋較少，可采用適用于郊區宏基站的RMa-AV LOS路損模型：

其中，hUT為終端高度，d3D為傳播距離，fc為載波頻率。

根據上述方法，結合客戶需求，可獲得方案中的PG、PA的值。其中，陰影衰落余量為3 dB。

3.2 最大傳輸距離

鏈路預算通過對發送端、通信鏈路、傳播環境和接收端中所有增益和衰減進行估算，從而估計信號的最遠覆蓋距離[22]。

以中心頻率0.95 GHz為例，終端高度1.5 m的條件下，傳播損耗和鏈路預算分析見表1，上下行的最大覆蓋距離分別為6 543 m和26 412 m。與下行相比，上行由于發射功率小、沒有發射天線增益等原因，覆蓋較為受限[23]。因此整體來看，在郊區場景下，無線傳播的有效距離最大為6.5 km。

表1 傳播損耗和鏈路預算分析

3.3 仿真分析

RSRP是代表無線信號強度的關鍵參數，是在某個符號內承載參考信號的所有資源粒子上接收的信號功率的平均值[24]。

RSRP測試標準參考如下：

? 極好點：RSRP＞-80 dBm；

? 好點：RSRP=-90～-80 dBm；

? 較好點：RSRP=-100～-190 dBm；

? 一般點：RSRP=-110～-100 dBm；

? 差點：RSRP=-120～-110 dBm；

? 極差點：RSRP＜-120 dBm；

針對本文提出的天線掛裝方案，對無人機1副內側天線加2副邊緣天線的空對地覆蓋效果進行了仿真。關鍵仿真參數如下：

? 廣播信道水平波束寬度：74°；

? 廣播信道垂直波束寬度：15°；

? 發射功率：20 w；

? 單天線最大增益：8.96 dBi；

? 無人機飛行高度：2 km；

? 盤旋半徑：1.5 km；

? 滾轉角：7°。

仿真結果如圖7所示。圓形實線為待覆蓋目標區域。可以看出，飛機在飛行到東、西、南、北4個方向時，待覆蓋范圍的RSRP均在-120 dBm以上，主要集中在-100～-75 dBm，僅少數邊緣區域RSRP小于-120 dBm。說明該方案可以實現良好的空對地連續覆蓋。

圖7 仿真結果

4 飛行測試

為了測試本文提出的固定翼無人機天線掛裝方案的實際覆蓋效果，通過大型固定翼無人機搭載基站和衛星通信設備進行了實際飛行測試。無人機到達目標區域上空后，在3 500 m高度進行盤旋，基站對地進行無線信號覆蓋，通過衛星回傳業務到核心網，第一時間打通災區通信。

4.1 測試配置

測試所用無人機、衛星和基站的參數以及飛行方案見表2。

表2 測試基本參數

4.2 測試方案

移動測試路線從東－南－北－西，第一輪測試路線如圖8所示，第二輪測試路線如圖9所示。

圖8 第一輪測試路線

圖9 第二輪測試路線

4.3 測試分析

4.3.1 RSRP分析

在移動測試路線中，RSRP分布如圖10所示。

圖10 RSRP分析

6個固定點位的RSRP統計數據見表3。

表3 RSRP統計

從移動路線和定點測試的 RSRP分布可以看出，在半徑3.5 km以內的RSRP基本大于-95 dBm，信號覆蓋比較好；半徑4 km位置信號覆蓋一般，說明本文所提出的天線搭載方案可以實現對地面目標區域的連續覆蓋。

4.3.2 VoLTE分析

各個點位長期演進語音承載（voice over long-term evolution，VoLTE）測試統計數據見表4。

表4 VoLTE測試統計

從表4可以看出，半徑4 km以內的VoLTE接通率為100%。

4.3.3 Ping丟包時延分析

各個點位Ping包數據見表5，半徑3.5 km以內的Ping時延在600 ms以內，基本無丟包。

表5 Ping包數據

4.4 測試結論

測試總結見表6。采用本文所提出的天線安裝方案，在飛行場高3 500 m時，移動信號對地覆蓋半徑可到4 000 m，空對地覆蓋面積達50 km2，且VoLTE語音質量較好，可以實現地面連續覆蓋。

表6 測試總結

5 應用實踐

2021年7 月，河南省多地由于極端強降雨造成特大洪澇災害。其中，鞏義市米河鎮道路多處塌方，全鎮道路、電力中斷，光纜損壞，通信基站大面積退服，成為信息“孤島”。應急管理部、工業和信息化部緊急調派中國移動翼龍空天一體化應急通信系統執行應急通信任務。翼龍無人機長途奔襲1 200 km，完成了緊急網絡信號覆蓋，為災區提供移動通信保障。

歷時14 h，中國移動翼龍應急基站累計接入5 157個用戶，產生流量4 360.5 Mbit/s，為搶險救災信息傳遞提供通信保障。用戶流量統計如圖11所示，接入用戶數統計如圖12所示。

圖11 用戶流量統計

圖12 接入用戶數統計

6 結束語

當前業界所使用固定翼無人機空天基站單天線搭載方案，存在覆蓋不連續、通信質量差等問題。針對此問題，本文創新性地提出內側天線加邊緣天線的多天線安裝方案，在不使用云臺智能控制天線角度的情況下，實現空中移動基站對地面的大面積連續覆蓋。并提出了通過結合航空器滾轉角、俯仰角、盤旋半徑以及覆蓋面積要求等參數，計算空中移動天線系統對地面信號連續覆蓋的內側天線和邊緣天線的方案。同時結合3GPP空間損耗模型，設計飛機飛行方案。實際測試結果顯示，采用本文所提出的天線搭載方案，飛行高度分別為3 500 m時，空對地無線信號覆蓋半徑可達4 000 m，覆蓋面積可達50 km2，可以實現對地連續覆蓋，且通信質量較好。

下一步研究目標是建立天線設計數學模型，根據基站參數、飛行高度、飛行半徑、要求覆蓋范圍，設計最優的天線掛裝方案，達到覆蓋范圍和性能最優的目的。