渊福建省邮电规划设计院有限公司袁福建省福州市350002冤
摘要
对民用无人机通信方式的现状和存在的问题进行分析袁提出5G时代无人机通
信的需求袁并阐述当前5G网络的部署策略袁指出该策略在无人机通信方面存在的不足之处遥提出5G网络部署对民用无人机通信的几种解决方案袁并重点提出在现有网络部署策略的基础上袁兼顾民用无人机的解决方案遥同时以福州城区为例估算利用5G基站解决民用无人机通信问题的数量袁进一步论证其可行性遥最后提出无人机通信的5G网络部署需要考虑的问题遥关键词
5G曰无人机曰网联无人机曰网络部署
0引言
都说4G改变生活袁5G改变社会袁5G是当今通
其中袁最常见的是在2.4GHz频段的FHSS或Wi-Fi信号遥
2冤无人机图传链路
目前袁最广泛使用的民用无人机图传链路使用的是5.8GHz频段袁使用WiFi数字信号等ISM非授权频段遥应用这些频段无需许可证或费用袁但需要遵守一定的发射功率渊不能超过1W冤袁并且不能对其它频段造成干扰遥
3冤无人机导航信号
民用无人机在飞行过程中袁会利用卫星导航信号实时确定自身位置袁从而实现回传位置状态尧调整飞行方向等功能遥因此在预设路径飞行模式下袁无人机可以预先按照设计好的位置信息进行自主导航飞行袁可做到不需要任何遥控操作遥
在遥控操作模式下袁如果指挥与控制链路信号出现异常中断袁无人机也可以利用卫星导航信号袁启动失效保护模式袁自主控制飞行袁返回起飞地点或就地降落袁确保无人机及周边环境安全遥目前绝大多数的无人机都已配备基于美国GPS渊全球定位系统冤尧俄罗斯GLONASS渊俄罗斯的卫星定位系统冤系统和中国北斗卫星导航系统三模一体的导航模块袁以提高定位精度和抗干扰能力遥
1.2当前民用无人机通信存在的问题
当前民用无人机的指挥与控制链路尧图传链路和导航信号袁使用的都是基于ISM的非授权频段或
信行业最热门的话题遥5G将推动社会各垂直行业的应用袁包括院人工智能尧智慧工业尧智慧农业尧智慧医疗尧智慧城市尧远程医疗尧无人驾驶尧民用无人机等遥
UAV渊无人机冤袁全称无人驾驶航空器袁其全球市场在过去十年中大幅增长袁现在已经成为商业尧政府和消费应用的重要工具遥无人机能够支持诸多领域的解决方案袁可以广泛应用于建筑尧石油尧天然气尧能源尧公用事业和农业等领域遥
然而袁据统计当前民用无人机的利用率非常低袁90%的民用无人机都处于静默状态遥造成这种现象除了设备技术尧空中管制等多方面原因外袁无人机没有无线网络连接技术支持是非常重要的原因遥
1民用无人机通信现状
民用无人机通信包括三个方面院无人机指挥与
控制链路袁无人机图传链路和无人机的导航信号遥1.1当前民用无人机通信方式
1冤无人机指挥与控制链路
目前我国市场上90%以上的民用无人机指挥与控制链路都工作在免执照的ISM渊工业尧科学尧医学冤频段袁常用的技术制式有FHSS渊跳频扩频冤尧DSSS渊直接序列扩频冤尧WiFi渊无线局域网冤尧蓝牙等遥
2020年第3期技术交流如荼的进行遥国内计划在2020年实现5G全面商用袁就目前的无线网络部署策略来看还基本是沿用4G的模式遥
运营商4G无线网络的部署策略是院用室外宏站来覆盖室外袁用室内分布进行室内信号覆盖遥城区的室外宏站主要部署在城区建筑物的楼顶袁其站址高度一般在60m以下袁其天线俯仰角绝大多数是向下倾斜袁主要是为了覆盖地面街道尧建筑等遥当前室外宏站部署策略如图1所示遥
2.2当前5G无线网络部署存在的不足
当前5G无线网络部署方式袁在60m以下空间得到天线的主瓣覆盖无线信号强度较好效果可以在-60~-80dBm之间袁信号质量也较好遥60~100m的空间无线信号主要靠天线的旁瓣覆盖袁无线信号强度较差一般在-80~-100dBm之间袁但是由于城区基站密集袁很多较远处基站的信号也能覆盖到该区域袁导致干扰很强袁信号杂乱无主服务小区袁质量极差遥而100m以上空中袁即使是天线旁瓣发射的信号也难以覆盖到此区域袁该区域就成为移动通信无线信号弱覆盖区甚至是盲区遥当前室外宏站覆盖情况如图2所示遥
卫星导航信号遥
使用ISM非授权频段会存在几个方面的问题院1冤受控的范围有限
ISM频段是非授权频段袁发射功率受到一定的限制袁ITU-R渊国际通信联盟无线电通信局冤规定使用ISM频段的信号发射器袁发射功率不能超过1W袁限制了信号发射器的覆盖范围遥使用ISM频段的无人机袁受控的范围只能在数百米以内遥
2冤保密性不强
ISM常用的技术制式有FHSS尧DSSS尧Wi-Fi尧蓝牙等遥这些制式相对于蜂窝移动通信网袁其保密性较低袁重要的数据容易被截获尧破解遥
3冤容易被干扰
工作在ISM频段的无人机袁容易受到其他无线发射机信号的干扰袁尤其是易受大功率信号的暴力阻断袁使无人机失效袁甚至坠毁遥
4冤无法网联
目前的无人机基本是处于点对点的连接状态袁无法与蜂窝移动通信技术相结合袁无法实现网联袁无法成为野网联无人机冶遥
2
2.1
当前5G无线网络部署策略及存在问题
当前5G网络部署策略
当前袁三大运营商的5G实验网部署也在如火
35G时代民用无人机通信需求
目前袁在中国乃至世界各地袁诸多领域已显现出
图1当前室外宏站部署策略
技术交流2020年第3期图2当前室外宏站覆盖情况
力及石油管线巡査尧移动基站查勘尧应急通信尧农林作业尧环境保护尧海洋水文监测尧矿产勘探尧气象监测等领域应用的技术效果和经济效益非常显著遥
接入低空移动通信网络的网联无人机袁可以实现航线的规范尧设备的监视和管理尧效率的提升袁促进空域的合理利用袁从而极大延展无人机的应用领城袁产生巨大经济价值遥基于新一代蜂窝移动通信网络5G为网联无人机赋予的实时超高清图传尧远程低时延控制尧长时间在线等重要能力袁全球将形成一
表1
序号12345678910
应用领域物流物流物流农林作业农林作业直播巡检尧安防尧救援
测绘编队飞行未来云端AI
野无人机+行业应用冶的蓬勃发展势头遥无人机在电
个数以千万计的无人机智能网络袁促进各种各样的个人及行业服务袁进而构成一个全新的尧丰富多彩的网联天空遥
这些行业对5G网络的需求袁除了上下行速率尧业务端到端时延尧控制端到端时延尧定位精度外袁其无线信号的覆盖高度是其中至关重要的需求之一遥
据叶IMT-2020渊5G冤推进组要要要5G无人机应用白皮书曳中关于无人机在各场景网络指标需求中所述袁应用领域对网联无人机无线信号的覆盖高度需求见表1遥
应用领域对网联无人机无线信号的覆盖高度需求
业务属性自动飞行基于视频的人工接管基于高清视频的人工接管
喷洒农药农业土地勘测4k视频回传1080p视频回传激光测绘无人机编队飞行无人机云端自主飞行
覆盖高度/m
10010010010200100100300200300
覆盖范围城区尧城郊尧农村城区尧城郊尧农村城区尧城郊尧农村
农村农村安防覆盖城市巡检覆盖基础设施
城市尧农村城市尧农村城市尧农村
2020年第3期技术交流为民用无人机分配一段频率袁还存在较大的浪费袁作为无线频率监管的部门袁为其分配专门频率的可能性还不是很大遥不过袁将来无人机技术更成熟袁用户相对普及袁专门为无人机通信划分单独的频段资源也是可行方案遥
从上表可以看出袁网联无人机在多数应用领域对5G无线信号的需求高度都在100m以上袁特别是在测绘尧未来云端AI尧编队飞行等方面的需求在200~300m之间遥
4无人机通信的5G部署方案选择
从以上需求分析可知袁在5G时代袁无线网络的
5兼顾民用无人机通信的网络规划
从上文分析可知袁在当前的条件下袁为无人机通
信号覆盖不仅要考虑地面的街道尧道路尧建筑袁还需要考虑空中无线网络信号的覆盖袁包括超高层建筑和空中民用无人机用户遥如何在保证传统地面建筑无线信号覆盖的基础上袁又能兼顾民用无人机的无线信号覆盖袁这是目前摆在运营商和通信厂商面前的一个重要研究课题遥
其中的研究点有院如何最大效率地复用地面网络为空中无人机提供通信袁是否需要为无人机通信建设专用网络或者划分单独的频段资源袁干扰管理和移动性增强的进一步研究遥
首先袁分析为无人机通信建设专用网络或者划分单独的频段资源的可行性遥
1冤为无人机通信建设专用网络
对于为无人机通信建设专用网络袁从网联民用无人机用户的角度来说这是非常理想的一种方法遥这样可以做到专网专用袁用于民用无人机覆盖的信号与其他传统地面覆盖基站的信号做到相互独立袁互不干扰遥既可以保证信号强度袁又可以保证信号的质量袁从而保证无人机通信传输的上下行速率遥
但是袁在目前全国的无人机数量不算太多袁并且受到严格飞行许可管制的情况下袁为无人机通信建设一张专用网络袁从建设的投资收益比来看袁是不大可行的遥当然袁如果将来民用无人机技术成熟了袁用户相对普及了袁为无人机通信建设一张专用无线通信网络也并非不可遥
2冤为无人机通信划分单独的频段资源
为无人机通信划分单独的频段资源袁从保证无人机用户网络质量方面考虑也是一个很有必要的方案遥有单独的频率资源袁可以保证网络的纯净袁保证无人机通信传输所需的信号强度尧网络质量和上下行速率遥
但是袁频段是无线通信行业十分宝贵的资源袁并且民用无人机用户相对较少遥在这样的情况下袁专门
信建设专用网络或者划分单独的频段资源的方案还不可行遥那么要实现无人机的网联袁可以在现有网络部署策略的基础上袁兼顾民用无人机通信进行个性化的网络规划遥
1冤站址规划思路
根据低空民用无人机飞行的特点袁将0~300m的的垂直立体空间进行分层院0~100m为低层空间袁100~200m为中层空间袁200~300m为高层空间遥将无线信号进行分层覆盖袁对于低层空间利用传统的无线网络基站覆盖方式袁天线的俯仰角朝下进行覆盖袁站点位置宜选择在50m以下建筑物上遥对于100~300m的中高层空间袁采用天线俯仰角朝上覆盖的方式袁站点位置宜选择在100m以上的建筑物上遥兼顾民用无人机通信的5G网络分层部署方案如图3所示遥
利用凯瑟琳基站覆盖范围计算工具模拟估算袁在基站高度在100m袁天线向上朝空中20毅发射袁5G基站天线的垂直半功率角30毅时袁天线主瓣最远的覆盖半径是2286m遥以一个基站3个扇区计算袁每=16.4km2遥凯瑟琳工具模拟基站信号覆盖范围如图
以福建省省会福州为例进行站点数量规划估个基站大约可以覆盖的面积是院S=仔伊r2=3.14伊2.2862
4所示遥
算袁福州市主城区面积约880km2遥粗略估算880衣16.4=53.6袁即利用宏站覆盖福州主城区的300m以下的低空大约需要54个基站遥
因此袁在做福州市区的5G基站规划时袁需规划大约3000个5G宏基站覆盖地面道路和建筑物的基础遥另外袁在相对较高的建筑上渊高度100m左右冤再规划大约55个宏基站覆盖高度300m左右的空中袁这样既满足了地面道路和建筑物通信终端用户的5G信号通信需求袁又可以兼顾低空无人机通信
技术交流2020年第3期图3兼顾民用无人机通信的5G网络分层部署方案
图4凯瑟琳工具模拟基站信号覆盖范围
终端用户的通信需求遥
2冤链路预算
由于用于民用无人机的无线网络覆盖是朝空中发射信号袁没有建筑物和构筑物的阻挡遥因此袁可以参考自由空间损耗模型进行无人机通信终端的链路预算遥
无线信号在自由空间传播损耗模型为院路径损耗Ld=32.4+20lgd+20lgf遥f院频率袁单位院Mhz遥d院距离袁单位院km遥以覆盖距离2.5km袁5G的工作频率3.5GHz进行计算遥
Ld=32.4+20lg2.5+20lg3500=111.24dB遥根据5G基站AAU的参数可知院TX最大发射功率=50dBm袁每RE发射功率=12.65dBm袁AAU天线的增益为19dBi袁无人机终端天线增益2dBm遥
RxLEV=基站每RE发射功率+AAU天线的增益-路径损耗Ld+无人机通信终端天线增益遥
如果在距离基站2.5km的空中袁无人机通信终端能接收的信号强度为院RxLEV=12.65+19-111.24+2=-77.59dBm袁则可以得出结论院该信号强度完全满足无人机通信终端的信号场强需求遥
6需考虑的问题
通过以上分析袁在现有网络的基础上袁针对民用
无人机的5G通信需求部署少量基站袁从技术上是可行的袁但是在实际的网络规划中还需要重点考虑几个问题遥
1冤邻区规划
为了使网联无人机能在空中进行连续地飞行袁除了要有无缝隙的5G无线网络信号之外袁还需要
2020年第3期技术交流用无人机应用的产业生态也日趋成熟遥未来袁通过民用无人机在5G应用领域的不断创新袁基于5G网络的民用无人机通信系统的不断完善袁将促进无人机在直播尧农林作业尧测绘尧救援尧安防尧巡检尧物流尧编队飞行直至自主飞行等场景的网联化智能化建设袁提升民用无人机在各行业用户的体验袁构造一个丰富多彩袁全新的野网联天空冶遥
参考文献
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李路路袁张鹏.浅谈无人机民用的发展现状咱C暂//中国航空学会.中国无人机大会论文集院2014年卷.北京院航空工业出版社袁2014.4
IMT-2020渊5G冤推进组.5G无人机应用白皮书咱R暂.2018.
让民用无人机能在不同小区尧不同基站间顺利地切换袁这样就需要覆盖高层的小区间做合理的邻区关系遥另外袁由于无人机通信终端在起飞时需要从低层5G无线网络切换至高层5G无线网络袁这也需要覆盖高层的5G小区与其相邻的5G小区做合理的邻区规划遥同理袁无人机通信终端在降落时需要从高层5G无线网络切换至低层5G无线网络袁这也需要覆盖低层的5G小区与其相邻的高层5G小区做合理的邻区规划遥其切换带控制在100m左右的空中遥
2冤干扰问题
5G无线网络也是自干扰系统袁所有的基站共用100MHz的带宽遥因此袁需要通过合理的规划和优化袁控制信号的覆盖范围袁既要避免信号不足导致覆盖不连续或出现覆盖盲区袁又要避免过覆盖而干扰到其他小区遥同时袁需避免覆盖低层的5G小区和覆盖高层的5G小区相互干扰遥当然袁这需要一段长期试验和探索的过程遥
7结束语
作为5G+的一个重要应用场景袁无线通信与民
付道繁渊1973要冤袁男袁高级工程师袁硕士袁主要研究方向为无线通信网络规划尧优化尧设计袁无线基站配套优化及创新遥
收稿日期院2019-11-08
用无人机的跨界融合趋势和需求已经日益明显袁民
下期要目预告
5G基站建设存在问题及解决策略虚拟化网络功能数据测量框架研究5G基站电源改造解决方案分析与研究
5G传送网SPN汇聚层组网策略研究市政公园5G接入机房自建模式探索
一种灵活通用的无线传感网体系结构设计
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