基于5G+无人机互联环境下固定翼无人机的应急巡检研究

黄志都，崔志美

（广西电网有限责任公司 电力科学研究院，广西 南宁 530023）

0 引 言

目前，国内的地面基站通信受到自然因素、外力因素以及人为因素的破坏等导致通信信号减弱，极大地影响了通信的稳定性。当发生紧急灾难，如山区电力杆塔倒塌断电、山火、山体滑坡以及地震等情况时很难满足应急通信的需求。以往应急通信使用的是应急通信车，但在防灾减灾道路不通等极端场景下应急通信车无法安置，并且它的天线投射面积范围有限[1]。因此我国启动5G空天地一体化保障体系，即5G+无人机+卫星的模式。固定翼无人机基站拥有可靠的视距链路和自由部署等特点。

1 无人机+5G组网结构

为实现空天地一体化方案，无人机需要满足长续航、灵活部署、运输方便、可搭载大量的通信设备、稳定滞空、低成本以及高可靠性等条件。固定翼无人机升降操控存在一定的限制，承载能力强，续航持久，非常适合应急通信保障的使用[2]。

1.1 空天地一体方案

空天地一体应急通信方案使用固定翼无人机搭载无线基站，通过地面基站发射无线信号，然后由卫星信号回传卫星地面信号站，最后通过光纤传送到移动网络，具体如图1所示。

图1 空天地一体应急通信示意图

该无人机基站应急通信模式可在任意时刻提供大范围可靠信号，有着高效、持久、远距离传输信号以及载荷量大等特点。

1.2 无人机5G联网关键技术

要实现5G空中通信网，需要使用固定翼无人机搭载任务载荷来实现5G网联。5G通信模块使用的是全双工双向中继技术和定向天线覆盖技术，实现信号的基本覆盖。组网模块包含了组网和飞行控制，使用的是全向天线技术，形成固定翼无人机组网链路，并且实现自主智能组网和智能部署。地面应急通信车配备5G宏基站和5G核心网关等，5G回程信号利用光纤接入应急通信车中的5G核心网关设备，5G核心网设备由光缆接到离得最近的没阻断公网固定通信站台，可以跟应急指挥中心取得联络[3,4]。

应急通信指挥中心包括无人机中控、5G网络管理和通信保障。其中，无人机中控的主要作用是实现无人机集群控制和无人机远程控制，设置无人机控制指挥器，网管软件系统设置在5G网管的服务器中。这两样都设置在应急指挥中心系统，以此来实现调配所有的5G通信应急网络系统。

1.3 无人机系统载荷结构

1.3.1 5G通信模块

5G通信模块的组成部分包括5G射频电路和通信处理器。通过选取就近应急通信车上搭载基站的5G通信模块作为汇聚节点，通信模块采用频率为3.5 Hz，使用双工双向、中继以及定向天线等技术，实现5G信号的基础覆盖，使得灾区客户端可以连接上5G无线信号[5-7]。

在共同子区内，相邻各个终端的使用用户能够在通信时实现信息交互。当无法实现信息交互时，需要利用共同的通信模块来实现信息交互。处在不同子区中进行信息交互时，作为源节点的5G通信模块使用通信处理器将信号转化成基带信号后传送至组网模块，通过它来将用户信息传送到所连接的5G通信模块，并在信息重组后下发给用户。另外，当用户终端与应急通信指挥中心信息交互，5G通信模块收到用户发来的信号后，将它转化为基带信号传送到组网模块，根据协议处理信号，然后再将这个信息传输到网络中，交互至通信汇聚节点，实现与地面应急通信车中基站的交互。最后，通信汇聚节点传送信息基带到组网模块中，传输到终端所连接的5G模块，由5G模块将信息组发送至客户终端。

1.3.2 组网模块

组网模块包括组网射频电路和组网处理器。其中组网射频电路与天线相连，可以完成组网信号物理层收发。组网处理器主要实现组网和飞控信息处理以及协议运行，它可以将中继的信息完成协议转换，在组网模块中形成信息交互，完成用户终端和应急通信系统之间的无缝连接。同时，组网模块可以协议转换网间传送的飞控指令，搭建空地控制链路，实现无人机与地面控制平台的信息交互，即通信协议。将数据格式重新打包，在组网模块中通过搭建空地控制链路，使用预编程和人工控制配合实现无人机的智能控制。

1.3.3 能量管理模块

能量管理模块包括电池充供电系统和休眠唤醒系统，可以为系统的正常运行提供可靠电力。正常情况下，通信模块功率低于3 W，组网模块功率低于2 W，能量管理系统可以提供7 h以上的电力。

2 5G和无人机智能组网的关键技术

2.1 通信应用技术

目前，通过在无人机上装载5G通信基站实现空中组网，采用高低频协作组网方式构建基于无人机的5G应急通信网，解决5G信号基础覆盖和频率干扰等问题。通信链路采用3.5G频率进行5G信号覆盖，组网链路通过5.8G频率进行组网，通信汇聚无人机与地面5G宏基站采用波束赋形技术，提升频谱效率。无人机作为5G通信节点可以实现全网节点信息共享，5G通信模块硬件拟对5G直放站进行改进。

2.2 智能部署和控制技术

无人机集群编队飞行技术指的是多架无人机根据队形进行排列或者执行特定任务。关键技术在于数据融合和编队控制。编队控制作为空中组网的关键技术，在避免碰撞的条件下，多个无人机配合，按照一定的编队结构移动来完成规定的5G组网通信任务。有人提出基于虚拟力的部署算法需要感知6种虚拟力，该算法可以适应感知设备齐全且没有无人机地面控制中心的场景。在自然灾害等通信基础设施损毁场景下，基于智能航迹规划算法使无人机形成最优路径后，通过预编程和地面人工控制相结合的方式生成基于无人机的5G空中通信网络拓扑。改进MavLink协议，飞行控制指令按照改进的MavLink协议数据格式重新打包后，通过空地控制链路在无人机与地面方舱车之间可靠传输。

2.3 无人机自组网网络动态分簇和自适应路由关键技术

针对现有无人机自组网分簇算法没有充分考虑无人机编队网络拓扑结构动态变化对组网性能的影响，且无人机大多采用自由运动模型不符合应急通信场景下无人机飞行的实际情况，应该采用群智能节点部署算法提前设置好无人机编队的飞行轨道，找出可以实现5G信号覆盖且距离最短的路线。因此，本文研究出改进的加权分簇算法，根据邻居节点稳定度、节点度、剩余能量以及丢包率来选择簇首。

在上述基础上，本文提出一种基于簇结构的自适应路由协议[8,9]。一方面簇内使用先应式路由协议，另一方面簇间使用位置和链路质量自适应路由协议，转送给距离最近和链路质量最好的下一跳节点，避免反向传输，确定最优方案，减少时间延迟。

2.4 覆盖增强解决方案

2.4.1 两种覆盖率增强手段

一是天线朝着地面覆盖传播信号，保证信号覆盖水平，保障用户需求，加强旁瓣增益，从而解决低空网络信号问题。二是采用专用站点进行补盲。在信号热点及盲点位置，增加低空覆盖专用站点的数量和主瓣数量，向空中覆盖的低空专用基站和普通基站形成1∶N的规模，N为低空专用基站数。低空专用基站通常频段为4.9 GHz，这样能够实现减少对空覆盖的投入，实现地空强覆盖信号网。

2.4.2 有效覆盖半径的计算方法

搭载通信基站的无人机在高度H下对地面实行信号覆盖[10]。有效覆盖的最大半径根据高度变化，飞行高度与覆盖半径的模型如图2所示。无人机与R1处地面终端的直线距离为D1，天线主瓣点对应的覆盖半径为R2，D2是无人机与R2处终端的直线距离，R3和D3对应天线增益降低3 dB处上旁瓣点的覆盖半径与直线距离。

图2 飞行高度与覆盖半径的模型

已知无人机飞行高度为H，天线垂直夹角α，天线垂直方向的波瓣宽度为φ，R3的计算公式为：

按照VoLTE信号质量标准，R3处的RSRP不小于-85 dBm。

直角三角形斜边D3的计算公式为：

D3小于基站的最远覆盖距离。

2.5 减少时延的措施

2.5.1 用户面和控制面分割

核心网主要包括控制面和用户面。其中控制面的主要功能是搭建和分发业务数据，用户面主要功能是分发用户的业务数据。5G技术采用基于服务的网络架构，可以将控制面和用户面完全分割，令用户面不受束缚，灵活部署，减少时延。

2.5.2 边缘计算

在5G数据结构中，网络的正中心是核心网，由于数据业务从核心节点出口会造成时延增加。因此需要采用边缘计算，结合云平台与蜂窝网络，将数据中心的功能与服务移到网络的边缘，实现时延缩短。

3 结 论

5G+大型固定翼无人机+卫星的组网方式有着巨大的发展使用前景，但目前国内的技术上仍需解决一些问题。本文主要研究无人机智能组网和5G配合关键技术方案，无人机需要能够应对雾霾、浓烟以及地形复杂的山区等环境，集成多种成像技术，抵御低温、大风等情况，才能实现灾区组网通信的顺利进行。