5G網聯無人機系統應用的關鍵問題

劉牧洲 席緒亞 關 蕾 張成巖 周 晶

中國聯通研究院 北京 100176

引言

隨著，低空經濟概念首次寫入國家規劃[1]，其牽引的低空應用市場正以肉眼可見的速度壯大，并逐步邁向高質量發展階段。無人機是新技術和先進生產力的重要載體，已經成為低空經濟產業密集創新和高速增長的戰略機遇[2]，得益于系統具有無人、智能、安全、高效等顯著優勢，正面向垂直領域不斷滲透，進而創造了“無人機+行業應用”的全新數字化治理模式。然而，無人機應用在擁有良好發展前景的同時，亦存在了諸如監管難度較大、測控技術落后等痛點問題，始終未能形成真正的規模商用?，F有無人機系統由飛行平臺(無人機)和地面控制站組成，飛行平臺針對不同任務內容選擇性搭配相關功能載荷，如光學吊艙、喊話器、特種作業設備(滅火器、水體取樣器等)。在這套系統內，通信和數據交互僅限于在無人機和地面控制站之間進行。在監管上，系統所產生的數據信息分散存在于一個個上述無人機系統內，為集中管理制造了極大困難。在測控上，系統采用點對點通信方式，受限于設備無線電發射功率有限、視通環境保持無遮擋的問題，有效距離范圍無法滿足多元行業的訴求。

基于此，亟須以技術手段革新現有無人機系統固有應用局限性。5G網絡具有超高帶寬、毫秒級時延、超高密度鏈接等方面的優勢[3]，自商用至今，迅速征服了正著眼找尋創新轉型有利抓手的眾多領域，無人機行業應用就是其中之一。

5G網聯無人機，顧名思義，就是利用5G網絡進行遠程或程序操控的不載人飛機[4]，其在現有無人機系統的基礎上，通過改造替換，以5G通信鏈路取代原有點對點通信鏈路，同時將地面控制站的全部功能進一步集成至云端平臺中，從而解決測控距離受限、數據孤島隔離的核心痛點問題，減少專業人員投入，提升系統的智能無人水平，促成產業一體化整合，賦能廣泛的行業應用需求。

但是，5G網聯無人機想要達成上述應用成效，還需要在以下幾方面關鍵內容上取得實質突破。首先，5G網聯無人機的最顯著特征在于使用5G通信鏈路實現無人機的連網接入，因而低空網絡的信號質量決定了5G網聯無人機系統應用的可靠性。可以說，低空網絡的建設、規劃和優化是實施5G網聯無人機的先決條件。其次，無人機系統如何進行5G網聯改造，改造后的系統怎么廣泛適用于更多場景，會是影響5G網聯無人機有效應用的重要問題。最后，無人機“黑飛”事件頻發[5]，針對5G網聯無人機系統的安全問題需要重點關注論證，一方面要結合行業應用的差異要求，另一方面則需兼顧對應用實施風險的規避。

1 低空網絡問題分析及建議

低空網絡與地面網絡存在的主要差異為地面網絡在無線信號的傳播過程中遮擋多、干擾大，而低空網絡由于空域相對純凈，視距傳播多，導致低空網絡的信號更顯雜亂無章，同時存在由于相隔數公里外的基站通過大氣波導[6]而產生的橫跨若干小區的干擾覆蓋，導致低空網絡的網絡環境更加復雜難以處理。

1.1 低空網絡實際飛行測試情況

針對低空網絡環境的不確定性，選取湖南常德31.38km2的區域進行實際飛行測試，頻段及帶寬使用5G N1 20/40MHz、4G B3 20MHz、4G B1 20MHz、4G B8 10MHz。使用多旋翼無人機掛載自研機載終端進行飛行中的數據采集，通過采集到的日志文件對飛行中的低空網絡數據進行分析，飛行測試總體情況如表1所示。

表1 測試飛行總體情況

通過測試可得出以下主要結論：

1)盡管基站天線為向下傾斜，但因為自由空間傳播條件彌補了天線增益的降低，在距離站點的水平距離合適的前提下，終端仍可以在200m～300m的高度接收到相當強的信號；

2)受限于5G小區相比于4G小區更少，且由于5G頻段明顯高于4G頻段導致5G小區的覆蓋明顯弱于4G小區的覆蓋范圍；

3)與地面相比，在低空網絡環境中同時觀察到了更低的5G與4G小區的SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，即信號與干擾加噪聲比，用以描述接收信號強度和接收中干擾信號的比值，表述鏈路質量的重要參數之一)，說明與地面相比，測試所使用的低空環境高度的干擾更高；

4)在沒有進行任何吞吐量測試業務進程的情況下，可以在飛行測試日志中觀測到來自數公里外的幾個小區的信號；

5)在飛行測試日志中，既沒有觀察到5G到4G的切換，同時也沒有觀測到4G到5G的切換。終端只有在5G小區上出現無線鏈路失敗以及停止服務的情況后會重新注冊至4G網絡，并一直保持在4G網絡上，在高速飛行中不同制式系統之間的切換變的更加困難。

上行吞吐量測試具體表現情況如表2所示。從上行吞吐率測試具體情況中也可得出的如下結論：

表2 上行吞吐量測試具體情況

1)UL調度率達到88%以上，這表明即使是使用面向公眾地面用戶的商業網絡，在飛行測試期間基站接收到的上行業務量整體偏低；

2)物理上行共享信道發射功率在4G及5G上均逼近終端最大發射功率23dBm，說明終端在上行業務時進行了接近滿功率的發射。

200m及300m的不同高度下的RSRP情況如圖1所示。從圖1可以得出如下結論：

圖1 200/300m RSRP分布情況

1)在200m及300m的高度上，RSRP的浮動范圍基本處于-110～-100dBm之間，基本可以滿足1080P視頻傳輸的信道條件；

2)200m與300m高度上的RSRP分布情況基本一致，即300m以下的高度對RSRP的影響較小。

300m高度下的SINR情況如圖2所示。

圖2 300m高度SINR分布情況

從圖2可以看出，由于受限于基站覆蓋、沒有合格的主服務小區信號，以及由于高空的良好自由空間傳播條件導致的小區間干擾相對較高等幾方面的因素，促使整體下行SINR偏低，SINR≤12dB的概率達到了63%。

1.2 低空網絡建設規劃建議

1.2.1 公網模式

無人機與地面用戶共用一張地面網絡，涉及以下兩方面調整優化。

1)基站初始規劃：為了使大部分基站所發射的信號能量都能輻射到無人機的飛行區域內，同時減少對相鄰小區間的干擾，在初始設置天線的上傾角時，盡可能使天線主瓣的半功率點對準覆蓋區的邊緣，以達到SINR最優，解決空中SINR差的問題。同時選取PRACH前導序列Preamble為長格式[7]，增加基站的覆蓋距離。

2)采用切片或者QoS獨立保障的機制：無人機用戶和普通地面終端用戶共用地面基礎服務網絡。對于正在進行業務的無人機，可使用QoS及切片等保障機制，根據無人機不同作業場景需求，劃分不同的時延、可靠性要求等，對QoS或切片等進行差異化設置，從邏輯網絡角度對無人機業務與地面普通終端用戶進行區隔。同時，采用切片的保障機制，由于切片之間是互相隔離的，每個切片都有自己邏輯上獨立的網絡組件和網絡資源，使得切片之間不會互相干擾，進一步保障了業務進程之間的獨立與安全。

1.2.2 專網模式

專網模式下[8]，無人機業務和普通地面終端用戶在物理網絡和邏輯網絡完全隔離，根據需求為用戶專門搭建專屬的物理專網為無人機特定業務場景服務。專網模式下需要單獨建設一條新的涵蓋頻率、無線、傳輸網、核心網等環節在內的物理網絡通道，缺點在于投資成本高，優勢在于網絡業務獨享，具有最高的網絡質量和穩定性保障，可以為用戶提供最好的業務體驗。

2 5G網聯無人機系統實現方案

現有系統是由空中子系統、地面子系統、無線通信子系統等部分共同組成。其中，空中子系統是無人機系統內最基本、最重要組成部分，由飛行平臺、動力單元、控制導航、任務載荷等單元模塊構成。地面子系統主要包括任務規劃、控制處理、數據處理、集成無線通信等功能。其中，任務規劃負責預定任務內容，控制處理承擔執行和交互，數據處理負責采集、存儲和傳遞。無線通信子系統是保持前端和后端之間聯絡的關鍵單元，傳輸媒介以無線電波為主。無線通信鏈路分為上行鏈路和下行鏈路。上行通信鏈路負責地面站到無人機的遙控指令的發送和接收，下行通信鏈路主要負責無人機到地面站的遙測數據、載荷數據等的發送和接收[9]。

5G網聯無人機系統將在不破壞原有各無人機子系統協同關系的前提下，通過融入5G通信鏈路替換點對點通信鏈路，完成整體系統無人智能化的升級改造。5G網聯無人機系統具體是通過對原有無人機系統中的空中子系統、地面子系統、無線通信子系統的重塑來實現。

2.1 針對無人機空中子系統的網聯改造

針對無人機空中子系統的網聯改造主要集中在飛行平臺上，通過適配裝載或嵌入集成具有5G網絡接入能力的機載式通信終端，即5G機載網聯通信終端。該5G機載網聯通信終端將與控制導航、任務載荷等單元模塊進行軟硬件適配連接。其中，5G機載網聯通信終端與無人機控制導航模塊通過如RS232/422/485、TTL等硬件標準串行通信接口連接，由前者進行輪詢獲取相應的飛行數據，再借助5G通信鏈路將這部分數據傳輸至后端設備或服務器處。同時，5G機載網聯通信終端可以針對無人機控制導航模塊信息的定義和格式進行解析、二次封裝和轉發。5G機載網聯通信終端和無人機任務載荷模塊(視頻傳輸是無人機應用的主要業務[10]，以光學吊艙為例)既可以通過高清晰多媒體接口、數字分量串行接口進行硬件連接，獲取無人機飛行產生的視頻數據，以實時消息傳輸協議(RTMP)、實時傳輸協議(RTC)、安全可靠傳輸協議(SRT)等開源或私有流媒體標準和高級視頻編碼(H.264/AVC)、高效視頻編碼(H.265/HEVC)等編解碼標準進行視頻數據處理及轉發，又可以通過RJ45等網線接口進行連接，由5G機載網聯通信終端為支持網絡傳輸數據的光學吊艙提供傳輸鏈路資源，實現視頻數據向后端的傳遞。

2.2 針對無人機地面子系統的網聯改造

無人機地面子系統是指可執行對無人機下達指令和接收各類(飛行、業務)數據的設備，即稱之為地面控制站。現有地面控制站不具有訪問網絡的能力，因此需要加裝網卡等硬件來與后端基于網絡進行通信和交互。如圖2所示，在空中前傳鏈路采用點對點通信的方案中，地面控制站通過原有點對點鏈路與無人機進行雙向數據交互，所下達的指令和獲取的數據皆通過寬帶/5G/光纖等方式和后端進行雙向數據交互。但需要注意，雖然這一方案提高了整體系統數據開放程度，但測控距離則依舊維持原有水平，僅是5G網聯無人機不能充分實現(低空網絡不能有力支持時)的折中辦法，對于真正意義上實現整體系統的高度智能無人化沒有幫助。在低空網絡能夠承擔5G網聯無人機全部所需的前提下，地面控制站的全部軟件功能可以進一步集成到云端服務器，并據此完全被剔除出整體系統，由前端集成在無人機內部的5G機載網聯通信終端通過5G無線鏈路完成與后端的雙向數據交互工作。這樣的系統突破了原有無人機系統測控距離有限的問題，即只要有低空網絡信號覆蓋保障，5G網聯無人機可以不受時空限制進行應用，比如異地作業，并向智能無人化邁進了一大步，應用近處不再需要專業人員操控作業。

2.3 針對無人機無線通信子系統的網聯改造

在無人機的無線通信子系統中，由于采用點對點通信方式，因而存在數傳、圖傳或數圖傳一體的硬件設備，同時地面端也需要與之配套的硬件設備，才能實現相關數據的雙向傳輸，但卻制造了一個個無人機系統信息孤島的狀況。此外，點對點通信多采用公共非授權無線點頻段，帶寬資源相對有限，在無人機應用數量集中出現的情況下，會給無人機系統間帶來嚴重的相互同頻通信干擾問題，同一頻段僅通過利用有限的不同頻點進行錯開規避，無人機數量較少時效果尚可，但在數量大幅增加時，則難以為繼。此外，由于行業應用場景需求逐步呈現復雜化趨勢，往往一套無人機系統作業需要兼顧多個應用內容。舉個例子，在公共安防領域，無人機在區域作業時，由最初的僅拍攝視頻圖像，已慢慢轉變為既要拍攝視頻圖像又要應急處置(如喊話驅散、投放滅火彈等)。這將點對點鏈路通信資源有限的弊端進一步放大，甚至當單個視頻圖像拍攝任務要求4K及更高清晰度時，捉襟見肘。

如前所述，5G無線通信的入替對無人機原有點對點通信方式的替代，將使得無人機通信擁有更多頻譜資源，在應對復雜且要求嚴苛的應用需求時，能表現地更加游刃有余。同時，5G無線鏈路的融合，使無人機應用數據可以匯集到后端云平臺處，其原有系統的信息孤島問題被解決，讓監督管理變得簡單，且數據時效價值進一步被發揮出來，成長為更多行業賦能者的角色。

3 5G網聯無人機系統安全分析及對策

隨著泛低空領域技術的快速發展，無人機作為泛低空經濟中的典型形態，廣泛應用于農業植保、電力巡線、城市道路巡檢、應急救援等行業應用領域。然而，在工業應用領域不斷擴展的同時，進入各垂直領域后面臨的系統及網絡安全問題也日益顯現。傳統無人機在各種場景的規模化使用過程中，正在暴露一系列的安全隱患和監管漏洞，這類安全問題對社會和個人都會造成一定影響，需要在技術層面給予完善和加強。

3.1 無人機系統安全風險類型

1)導航系統攻擊。導航信息欺騙的原理是向無人機的控制系統發送虛假的地理位置坐標，從而控制導航系統，誘導無人機飛向錯誤的地點。由于無人機接收GPS信號總是以信號最強的信號源為準，因此在地面人造的GPS信號只要強度足夠大，就可以覆蓋真正的GPS信號，從而欺騙無人機的定位接收模塊。

2)飛控信號劫持。由于無線信號是無人機和控制者之間的主要通信方式，對無線信號的攻擊可以直接影響無人機的正常運作，乃至獲得無人機的控制權。攻擊者利用干擾器產生無人機飛控干擾信號以及衛星定位干擾信號，通過對無人機的上行飛控信道和衛星定位信道進行阻塞式干擾，從而使其失去飛控指令和衛星定位信息，使之無法正常飛行，根據無人機的設計不同會產生返航、降落以及墜落的管控效果。

3)通信鏈路攻擊。針對這些通信鏈路進行干擾、竊聽甚至是截獲和篡改等信息安全攻擊，則可以對無人機產生直接的打擊后果。當前主要的無人機地空通信鏈路也普遍存在著頻點公開、鏈路透明、缺乏保密措施等嚴重問題，極易成為各種攻擊手段的目標[11]。

3.2 5G網聯無人機安全技術策略

本論文提出幾種網絡安全技術，主要通過5G網絡來保障無線空口機密性、完整性和可用性。通過射頻指紋識別、輕量級認證、無線傳輸加密、信號抗干擾等安全防護，從物理層、鏈路層和網絡層等各個層面保障合法終端入網，抵御竊聽、劫持、篡改等無人機系統攻擊[11]。

1)射頻指紋識別。針對網聯無人機系統，無人機終端通過通信網絡接入平臺系統之前，需進行信號識別和授權，確保無人機的合法性，無人機系統可以通過射頻指紋識別技術實現對通信信號進行鑒權。射頻指紋識別技術通過信號處理手段，提取采集到的無線信號特征, 建立無人機終端射頻指紋庫，通信雙方利用射頻指紋識別與檢測方法，從而實現對無人機終端的識別，實現輻射源設備個體識別，發現和阻斷非法終端連接。近年來，輻射源個體識別技術相關理論與實踐應用不斷完善，指紋特征提取方法的研究取得了較大的進展。

2)輕量級認證。針對網聯無人機動態變化、通信帶寬窄的特點，使用輕量級認證協議可以實現無人機的安全認證，防止非法和假冒用戶的接入。輕量級認證協議重點研究的是輕量級的認證算法，主要目的在于簡化認證交互次數、交互數據量，同時兼顧通信的機密性、完整性及不可否認性，協議主要是實現無人機密鑰管理、身份認證等功能。輕量級認證方式主要分為有中心的無人機網絡認證和無中心的無人機網絡認證，其中有中心的無人機網絡認證是管理中心為無人機分發密鑰，并提供無人機身份認證功能；無中心的無人機網絡認證是利用門限密鑰技術，由網絡中多個節點共同參與密鑰生成和身份認證[12]。

3)無線傳輸加密。由于無人機終端與平臺系統之間傳輸大量的重要敏感數據，因此需要對通過無線網絡傳輸的敏感數據進行鏈路層、網絡層等加密處理，包括使用國密SM、祖沖之算法等，實現無人機終端和平臺系統之間進行端到端加密，確保數據在無線網絡傳輸的機密性和完整性。重要數據經過加密模塊或軟件進行加密傳輸到網絡，在整個網絡傳輸過程中，數據包始終處于加密狀態，平臺系統解密模塊或軟件解密出對端的數據信息后進行存儲，以此實現數據在空中傳輸的安全保密功能。

4)信號抗干擾。目前，國內外對無人機網絡抗干擾技術的研究方向主要集中在跳擴頻、頻譜資源分配優化等方面。跳頻擴頻技術主要通過快速切換頻率載波來積極躲避干擾攻擊，長期被用來提高無線通信的抗干擾能力。頻譜資源優化技術是通過對可用頻譜資源的最佳使用實現抗干擾，利用自適應方法達到最優資源分配效果。另外，還可以利用針對干擾攻擊的“蜜罐”欺騙機制，將網絡中的空閑節點偽裝成傳輸節點，通過誘騙干擾方對其進行干擾，以此來提高網絡中傳輸對的傳輸性能[13]。

4 結語

未來，隨著地面通信基礎設施的不斷建設完備和功能技術的迭代，5G網聯無人機系統將生動詮釋無人和智能的含義，通過5G網聯能力的加持將幫助無人機蛻變成為更加智能和自主的應用系統，滿足更加多元和豐富的行業應用領域及場景，讓無人機應用不再受限于專業門檻的掣肘，助力低空經濟的不斷壯大發展。此外，使其真正步入規劃化推廣，從而助力低空經濟高質量發展迎來嶄新篇章。