基于5G的无人机行业应用系统

基于 5G的无人机行业应用系统

李新 许强 杨曦

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司曲靖局 云南 曲靖 655000

摘要：目前，我国的现代化发展迅速，信息化建设的发展也有了提高。飞机作为上个世纪人类历史最伟大的发明之一，承载着人们对天空的无限遐想，并逐步开启了人类研究各类飞行器的热潮。无人驾驶航空器作为载人飞机的衍生品，逐渐成为人类技术创造的焦点。无人驾驶航空器(简称“无人机”)一般包括飞行平台、任务载荷、数据链、信息处理及保障设备，是可通过操作手控制或自主控制(未来是智能控制)，来执行信息收集、情报侦测、运输物流和其他特种作业的空中系统。自1917年诞生以来，无人机一直在军事领域应用中不断发展壮大。直到本世纪，无人机开始了其由军用转变为民用的发展变革，并由于其使用成本相对低廉，具备长时间运行、用途普遍广泛、运维方式简单、故障率较低等突出特点，得到了民用市场和一众应用行业的关注与青睐。同时，使用需求的不断多样化也使得无人机无论在平台构型、种类划分和适用范围上都进行了更新升级，包含了多旋翼、固定翼、混合翼、无人直升机等多类型产品，并进一步在驱动系统、载重能力、飞行高度上进行细致分类。

关键词：5G；无人机行业；应用系统

引言

近年来，在自然灾害如地震、海啸、洪水等的救援善后工作中，应急通信的需求增长迅速。由于受灾地域通常面临着通信基础设施损毁或缺乏的情况，这给灾后救援、重建等工作造成了极大的障碍。因此，应急通信系统对于灾后各项工作至关重要。

1无人机产业发展现状

1.1发展机遇与阻碍

伴随着我国科学技术的不断发展,我国对于无人机系统的研究也逐渐增多，其作为农业植保、应急救援、水域巡查、能源巡检、交通物流、地质勘探和娱乐消费等不同行业及细化应用场景中传统作业方案的有力替代者频频出现，进而催生出了“无人机+行业应用”的新兴产业商务模式，并将直接或间接对第一、二、三产业的诸多领域产生深远影响，预计可形成超十万亿产值的经济规模，在社会经济增长中发挥出越来越重要的作用，为国民社会经济发展注入新动能。现下，无人机实际应用在具备良好发展势头的同时，也面临着测控与监管两大核心痛点问题的困扰。一方面，目前的无人机测控，无论是手持遥控器、便携控制站、车载站、固定站，基本都是一站一机的点对点测控方式。点对点测控方式存在着建设成本高、频率资源紧张、控制范围受限、多机协同困难等诸多缺点，已不适用于现阶段的应用发展需求。另一方面，“黑飞”、“乱飞”等现象时有发生，民航安全、重大活动安全、重要目标防护等方面存在风险隐患。若想推动无人机产业有序快速发展，重点需以有效技术手段革新固有顽疾。5G蜂窝移动网络技术的出现，则有望成为解决无人机行业应用痛点的一剂良药。

1.2 5G技术助力无人机技术升级

作为第五代移动通信技术，5G的应用将主要集中在以下三大场景中，即增强移动带宽(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)和超可靠低时延通信(uRLLC)。这三类场景所带来的升级改造将自然赋能无人机应用，革除现有痛点问题，将无人机发展带到全新的高度上。首先，基于5G增强移动带宽，可以支持无人机应用中4K乃至8K高清视频业务数据的可靠回传，使无人机在一些对业务数据清晰度和回传质量要求较高的特定场景中显得游刃有余；其次，5G所带来的超可靠低时延通信能力将有助于提高无人机数据采集、传输、处理的时效性，为无人机飞行提供可靠链路保障的同时，赋予其可远程控制、状态监控和精准定位的能力，帮助解决阻碍无人机行业发展的监管问题；最后，无人机集群智能作业、地空设备联动等将在5G海量机器类通信中得到体现，推动无人机物联智能化应用。5G技术与无人机创新业务的融合，将有利于两者互惠互哺式地共同发展，5G技术凭借自身特性，可将无人机核心的测控与数据传输服务带至全新高度，解决无人机应用核心阻碍，并有助于无人机创新业务向垂直行业和特定场景进行渗透。相应地，无人机创新业务也必将成为5G技术应用的重要分支，助推5G为经济高质量发展带来新的契机。

2 5G通信模块

主要由5G射频电路和通信处理器组成，选择临近地面应急通信方舱车装配基站的无人机搭载的5G通信模块设置为通信汇聚节点。其中5G射频电路直接与天线相连，主要实现5G射频信号的物理层收发处理;通信处理器负责5G基带信号处理;通信模块工作主频率为3．5GHz，采用全双工双向中继技术和定向天线技术，采用直接放大转发中继策略，天线扇面角度为120°，负责5G信号的基础覆盖，用户通过5G无线网络接入5G通信模块。具体设计工作流程:一方面，同一个子区内相邻各终端用户在可直接通信时则执行端到端(DevicetoDevice，D2D)信息交互;同一个子区内无法直接通信的用户之间信息交互时，通过同一个5G通信模块进行通信;不同子区的用户之间信息交互时，源节点5G通信模块捡拾到用户信号后，通过通信处理器转换为基带信号后送到组网模块，由组网模块根据目标用户的身份信息在网络间传输到用户终端所接续的5G通信模块，由5G通信模块将组网模块送来的信息按照协议进行重组，然后下发给用户终端。另一方面，当用户终端与应急通信指挥中心进行信息交互时，5G通信模块捡拾到用户信号后，通过通信处理器转换为基带信号后送到组网模块，由组网模块依据协议进行处理，再将该信息流在网络间进行传输，最后交互到通信汇聚节点，由通信汇聚节点与地面应急通信方舱车里装配的基站进行信息交互，最后由基站将信息通过核心网传输到应急通信指挥中心;反之，当应急通信指挥中心与用户终端进行信息交互时，首先由地面应急通信方舱车里装配的基站将信息发送到无人机搭载的通信汇聚节点，通信汇聚节点将处理后的基带信息送到组网模块，由组网模块根据目标用户的身份信息在网络间传输到用户终端所接续的5G通信模块，由5G通信模块将组网模块送来的信息按照协议进行重组，然后下发给用户终端。

3发展建议

（1）政策法规。随着5G无人机技术和远程控制系统的高速发展，在具体的应用过程中，也需要受到相关法律法规的约束，让工作具有合法性。首先，需要让无人机在工作过程中拥有相对完善的安全飞行机制。在使用无人机的过程中，首要的就是安全性的问题，需要在飞行的空域中具有较高的安全性，同时也要在法律法规中对无人机的飞行给予一定的合法自由权益，这样便可以促进无人机在未来的发展。其次，还需对无人机进行注册管理，将每一个商用的无人机记录在案，通过合理的管理方式针对无人机在使用过程中出现的各种问题进行分析和统计，为完善无人机法律法规的政策提供帮助，确立相应的无人机标准体系。（2）行业监管。在对无人机的普及过程中，还需要对其进行严格的行业监管，对无人机的制造商、通信运营商以及无人机云端控制等方面进行监管，同时促进多项部门的合作，这样便可以提升无人机在5G网络环境下的发展速度，充分利用信息技术所带来的低延迟、高带宽的优势，准确且顺利地应用无人机。在5G信息技术下，依靠着合理的远程控制系统可以在未来的发展中建立起智能控制管理体系，以此对无人机的使用进行合理化、系统化的管理，也能够保障在进行飞行作业的过程中各方的安全和利益。在未来的发展过程中，能够形成数字化的空中网络，并形成良好的低空经济体系，推动经济的发展，为人们带来更多的就业空间以及经济效益。

结语

针对现有应急通信系统存在速率低、高时延、带宽不足，互联互通性差的问题，本文提出了一个基于5G通信技术和无人机智能组网的应急通信系统技术路线，通过无人机搭载5G通信基站升空组网，利用改进的链路层协议和人工智能技术进行无人机编队的智能部署和控制，特别提出一种基于簇结构和强化学习的自适应路由协议，以实现基于无人机的5G应急通信网的智能组网，为提升救援力量在通信设施损毁的应急通信保障能力提供支撑。鉴于论文研究目标为设计一条可行性的技术路线，目前主要从理论角度进行了相关分析，后续还将对所设计的系统展开大量的实测工作。

参考文献：

［1］张鹏，陈金鹰，黄岩．突发自然灾害与应急通信［C］//四川省通信学会学术年会论文集．成都:四川省通信学会，2008:322－344．

［2］宋露露．应急通信发展现状和技术手段分析［J］．信息通信，2018(9):224－225．