系留无人机智简专网技术分析及应用

马 丹，田 军

（中国联合网络通信有限公司 山东省分公司，山东 济南 250000）

0 引 言

近几年，业内厂家将无人机与通信基站结合起来，借助系留式无人机长时间飞行的特性和基站产品深度结合，提出了系留式无人机高空基站解决方案，可满足应急救灾指挥、热点覆盖等应急通信场景下的应用。然而，现有的系留式无人机高空基站解决方案主要是基于4G的系统。受限于5G基站重量、天线复杂度等因素，迄今尚未有成熟的5G系留式无人机高空基站产品，且从未考虑过实际的应急业务需求。

1 系留无人机智简专网方案技术介绍

系留无人机因其灵活机动、部署快捷等特点，在应急通信保障领域受到越来越多的重视，并发挥了不可替代的作用。基于4G系留式无人机高空基站和5G通信系统的研发及应用经验，佰才邦公司与中兴公司联合研发了一款全新的5G无人机高空基站解决方案。该解决方案基于大载重系留式无人机飞行平台、专门为无人机场景打造的轻量化5G基站以及结合无人机与基站需求定制的5G机载基站天线系统，具有更加强大的应急通信保障能力。结合中兴通讯最新推出的算计基站/视频网关方案和中山智能车研究院的智能操控无人车技术，在高空无人机覆盖场景下，构建起一套完整的应急网络解决方案，大大提高了设备的投资效率。

1.1 总体解决方案

5G无人机高空基站解决方案由系留式无人机系统、5G高空基站系统、机载基站定制天线系统等组成[1]。机载5G射频拉远单元（Radio Remote Unit，RRU）设备通过系留无人机系统的光纤线路与地面5G室内基带处理单元（Building Base band Unite，BBU）设备相连，继而再通过卫星通信车或便携式卫星终端将信号接入远端核心网，从而实现受灾地区移动信号的快速覆盖，极大地满足组网及扩容的带宽要求。在基站V9200 BBU上安装算力板卡，支持本地分流等功能，通过本地分流将无人机航拍视频，无人车的IP摄像头和串行数字接口（Serial Digital Interface，SDI）摄像头视频回传到本地应急指挥服务器，并能完成应急指挥服务器远程控制无人车的操作。

1.2 系留无人机解决方案

系留无人机系统由系留无人机空中系统、系留无人机地面系统、系留无人机控制系统组成，其中系留无人机空中系统依靠系留无人机地面系统通过线缆的供电实现长时间的飞行，并将系留无人机空中系统的飞行数据和载荷数据通过系留无人机地面系统内的线缆光纤回传到地面端。

整套系留无人机系统可分装在2个箱体内，可由普通的皮卡等车辆运输，其中无人机飞行平台单独收纳于航空箱中，航空箱和系线缆收线箱可各自单独安放。在使用系留无人机外出作业时，由车辆装载系留无人机系统到达作业地点后，只须将系留无人机由车上搬至地面，然后由操作人员通过地面站/遥控器控制其起飞并开展作业即可。

SkyCells-T15kg200m系留无人机飞行平台为多旋翼无人机，采用了六旋翼布局的升力系统设计方案，此布局具有负载大和稳定性高的优点，与一般的四旋翼无人机相比搭载能力性能突出[2]。

1.3 5G高空基站解决方案

考虑到系留无人机平台的实际载重能力和飞行安全，4G/5G基站的选型主要考虑PAD RRU的体积、重量、功耗等因素作为关键选型要素。R9115 M2135做为双频双模PAD RRU是中兴公司根据全新的场景开发的平台和产品，能够满足灯杆站以及无人机应急通信场景的要求。

1.4 智简专网方案

本次智简专网方案中，首次在应急通信场景使用中兴自研新一代边缘计算产品NodeEngine和中兴的一款低时延视频网关产品SE9102。

NodeEngine又称创新基站引擎，将算力下沉至基站侧；硬件只涉及一块单板，部署简单即开即用；提供更好的无线能力支撑且成本可控。

NodeEngine采用单BBU部署，BBU增加VGC单板，提供基站级流量卸载（Traffic Offload Function，TOF）功能及低时延视频、孤站自治等附加网络能力，满足各种突发场景下应急通信临时专网搭建服务。

SmartEdge 9102（SE 9102）是一款业界领先的低时延视频网关，可提供视频编码、数据回传等各类业务。得益于强大的内置算力及先进的产品设计，可提供高性能、多样化服务支撑，且外形紧凑、可靠性高，同时可与各种通用工业输入输出（Input/Output，I/O）接口完美对接。

SE9102支持多样的部署场景、配备丰富的工业接口、具有超强的业务能力并且组网方案较为灵活。

对于无人车视频业务，SE9102收到下挂的海康IP摄像头和SDI摄像头视频报文后，通过5G网络分流至NE连接的视频播放端播放。其中SDI摄像头的视频数据会在SE9102侧完成编码，然后通过分流网络发送，显著降低视频时延。

为保障业务连续性开启孤站自治功能，当基站到核心网NG-C断链时，对于连接态终端保持Connected不释放，配置通过切片+5QI选择特定用户，可使其已有业务不中断，提高网络整体稳定性。

1.5 机载基站定制天线解决方案

本次使用的5G基站支持4T4R的特性，为了更好地测试5G基站在高空条件下的覆盖效果，找到最优的覆盖条件。在本次测试中，使用的天线配置如下：4根单极化全向天线，每根天线最大增益8 dBi；在无人机两侧安装天线，每侧2根，同侧2根天线之间的夹角为45°。

2 系留无人机智简专网测试验证

为了验证系留无人机智简专网的实际效果，山东联通联合中兴通讯、佰才帮及中山智能研究院在济南市长清区文昌水利站构建智简专网。本次课题针对无人机5G下行覆盖效果、无人机5G上行覆盖效果、本地分流功能测试、低时延视频回传功能测试以及孤站自治功能测试测试，为后续无人机组网、实现空天一体化的通信演进提供了技术基础。

2.1 5G下行覆盖效果验证

无人机基站开通3.5 GHz新空口（New Radio，NR），配上4根单极化全向天线进行覆盖，采用地面光纤的回传方式接入核心网[3]。固定天线倾角，无人机分别悬停于100 m高空、120 m高空、150 m高空进行5G网络覆盖，5G小区配置商用功率，测试车辆停靠在无人机单小区中心位置，固定终端位置，并进行FTP下载或下行灌包业务，以相对固定的低速（小于30 km/h）沿小区主瓣覆盖方向向远处移动，直至掉线，重复测试2次。

下行媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）定点峰值速率能达到1103 Mb/s，PAD RRU采用了高带宽（100 MHz）高效GaN功放的全新技术，峰值速率较高。不同高度的下行拉远测试结果比较如表1所示。

表1 不同高度下行拉远测试结果的比较（济南测试现场）

无人机高度越高，覆盖距离表现越好，但速率性能会有一定的损失[4]。通过数据对比，150 m的时候覆盖距离约为3.4 km，平均参考信号接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP） 相 比 于100 m、120 m时低了大约6 dBm。由于随着覆盖距离延伸，大部分处于差点点位，导致速率和平均电平都会降低。

2.2 5G上行覆盖效果验证

无人机基站开通3.5 GHz NR，配上4根单极化全向天线进行覆盖，基站采用地面光纤的回传方式接入核心网。固定天线倾角，无人机悬停于150 m高空进行5G网络覆盖，5G小区配置商用功率，测试车辆停靠在无人机单小区中心位置，固定终端位置，并进行文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）上传或上行灌包业务，以相对固定的低速（小于30 km/h）沿小区主瓣覆盖方向向远处移动，直至掉线，重复测试2次。上行拉远测试结果的比较如表2所示。

表2 上行拉远测试结果的比较（济南测试现场）

可以看出，上行峰值速率可达312 Mb/s，测试的拉远距离达到2.97 km左右，和下行拉远距离存在一些差距，这是由于基站周边存在同频干扰，在远点的时候上行更容易受到干扰而导致终端拖网，所以拉远距离和下行存在一定差距，上行平均速率在30 Mb/s左右。

后续覆盖测试可考虑提升无人机高度，由于此次测试无人机载重受限，最大高度飞到了150 m，后期建议可以飞到200 m高度，测试最大覆盖距离；同时增加天线与垂直方向5°、10°、15°、20°夹角的遍历。此次测试无人机天线结构件只支持45°夹角，而对于天线覆盖增益来说，不同角度的测试覆盖数据更加全面。

2.3 本地分流功能测试

2.3.1 静态NAT功能验证

无人机基站开通3.5 GHz NR，基站采用地面光纤的回传方式接入核心网。通过BBU增加VGC单板构建算力基站，将客户终端设备（Customer Premise Equipment，CPE）注册到5G网络，开启移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）协同配置和隔离区（Demilitarized Zone，DMZ）配置，将本地服务器与NE本地接口连通，在本地分流模块上配置设备相关的静态网络地址转换（Network Address Translator，NAT）规则，将分流用户的源地址转换为固定的本地网地址，终端通过NAT转换后的地址访问本地应用[5]。配置静态NAT规则后，算力基站能将无人机上CPE上动态获取的广域网（Wide Area Network，WAN）地址NAT映射为固定的本地网地址192.168.10.99，简化本地应急指挥服务器组网。

2.3.2 层二数据转发（VxLAN）功能验证

无人车控制主机网线连接SE9102的ETH2端口，内部网络地址为192.168.1.100。本地服务器直连NE面板端口，服务器配置成和无人车同网段的192.168.1.167地址，从本地服务器ping无人车。从本地服务器端通过分流网络控制无人车，可以成功控制车辆行驶。

2.4 SE9102低时延视频回传功能验证

在SE9102视频网关上面，连接SDI高清摄像头和海康威视IP摄像头，能够成功发现设备。在本地服务器侧，使用配套软件FlashVideo，能够成功播放两个摄像头的视频。

使用网页计时器粗略计算视频时延：将SDI摄像头和海康IP摄像头同时拍摄笔记本上的网页计时器，在播放端笔记本上也打开网页计时器，对回传视频画面进行截屏，根据回传视频中的计时器时间和播放端上计时器的时间差能粗略计算出视频时延，根据回传视频中两个摄像头拍摄的计时器时间差能计算出SDI摄像头时延和海康IP摄像头的时延差。

测试得出SDI视频时延小于100 ms，SDI低时延摄像头时延较IP摄像头小约200 ms，能够大幅降低视频的回传时延，在应急救灾场景中可有效进行实时监控救援。

2.5 孤站自治功能验证

孤站自治功能满足各种突发场景下应急通信临时专网搭建服务，在传输中断的条件下实现数据业务和操控的稳定运行。方案初步具备了应急公网和专网结合的能力，为解决救灾现场系统终端互相不兼容等问题提供了一种可行性方案。

3 结 论

本文从系留无人机解决方案、5G高空基站方案、智简专网方案及定制化天线方案等方面详细介绍了系留无人机智简专网方案的构成，解决了应急现场多系统终端不兼容的问题。