5G网联无人机系统应用的关键问题

刘牧洲 席绪亚 关 蕾 张成岩 周 晶

中国联通研究院 北京 100176

引言

随着，低空经济概念首次写入国家规划[1]，其牵引的低空应用市场正以肉眼可见的速度壮大，并逐步迈向高质量发展阶段。无人机是新技术和先进生产力的重要载体，已经成为低空经济产业密集创新和高速增长的战略机遇[2]，得益于系统具有无人、智能、安全、高效等显著优势，正面向垂直领域不断渗透，进而创造了“无人机+行业应用”的全新数字化治理模式。然而，无人机应用在拥有良好发展前景的同时，亦存在了诸如监管难度较大、测控技术落后等痛点问题，始终未能形成真正的规模商用。现有无人机系统由飞行平台(无人机)和地面控制站组成，飞行平台针对不同任务内容选择性搭配相关功能载荷，如光学吊舱、喊话器、特种作业设备(灭火器、水体取样器等)。在这套系统内，通信和数据交互仅限于在无人机和地面控制站之间进行。在监管上，系统所产生的数据信息分散存在于一个个上述无人机系统内，为集中管理制造了极大困难。在测控上，系统采用点对点通信方式，受限于设备无线电发射功率有限、视通环境保持无遮挡的问题，有效距离范围无法满足多元行业的诉求。

基于此，亟须以技术手段革新现有无人机系统固有应用局限性。5G网络具有超高带宽、毫秒级时延、超高密度链接等方面的优势[3]，自商用至今，迅速征服了正着眼找寻创新转型有利抓手的众多领域，无人机行业应用就是其中之一。

5G网联无人机，顾名思义，就是利用5G网络进行远程或程序操控的不载人飞机[4]，其在现有无人机系统的基础上，通过改造替换，以5G通信链路取代原有点对点通信链路，同时将地面控制站的全部功能进一步集成至云端平台中，从而解决测控距离受限、数据孤岛隔离的核心痛点问题，减少专业人员投入，提升系统的智能无人水平，促成产业一体化整合，赋能广泛的行业应用需求。

但是，5G网联无人机想要达成上述应用成效，还需要在以下几方面关键内容上取得实质突破。首先，5G网联无人机的最显著特征在于使用5G通信链路实现无人机的连网接入，因而低空网络的信号质量决定了5G网联无人机系统应用的可靠性。可以说，低空网络的建设、规划和优化是实施5G网联无人机的先决条件。其次，无人机系统如何进行5G网联改造，改造后的系统怎么广泛适用于更多场景，会是影响5G网联无人机有效应用的重要问题。最后，无人机“黑飞”事件频发[5]，针对5G网联无人机系统的安全问题需要重点关注论证，一方面要结合行业应用的差异要求，另一方面则需兼顾对应用实施风险的规避。

1 低空网络问题分析及建议

低空网络与地面网络存在的主要差异为地面网络在无线信号的传播过程中遮挡多、干扰大，而低空网络由于空域相对纯净，视距传播多，导致低空网络的信号更显杂乱无章，同时存在由于相隔数公里外的基站通过大气波导[6]而产生的横跨若干小区的干扰覆盖，导致低空网络的网络环境更加复杂难以处理。

1.1 低空网络实际飞行测试情况

针对低空网络环境的不确定性，选取湖南常德31.38km2的区域进行实际飞行测试，频段及带宽使用5G N1 20/40MHz、4G B3 20MHz、4G B1 20MHz、4G B8 10MHz。使用多旋翼无人机挂载自研机载终端进行飞行中的数据采集，通过采集到的日志文件对飞行中的低空网络数据进行分析，飞行测试总体情况如表1所示。

表1 测试飞行总体情况

通过测试可得出以下主要结论：

1)尽管基站天线为向下倾斜，但因为自由空间传播条件弥补了天线增益的降低，在距离站点的水平距离合适的前提下，终端仍可以在200m～300m的高度接收到相当强的信号；

2)受限于5G小区相比于4G小区更少，且由于5G频段明显高于4G频段导致5G小区的覆盖明显弱于4G小区的覆盖范围；

3)与地面相比，在低空网络环境中同时观察到了更低的5G与4G小区的SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，即信号与干扰加噪声比，用以描述接收信号强度和接收中干扰信号的比值，表述链路质量的重要参数之一)，说明与地面相比，测试所使用的低空环境高度的干扰更高；

4)在没有进行任何吞吐量测试业务进程的情况下，可以在飞行测试日志中观测到来自数公里外的几个小区的信号；

5)在飞行测试日志中，既没有观察到5G到4G的切换，同时也没有观测到4G到5G的切换。终端只有在5G小区上出现无线链路失败以及停止服务的情况后会重新注册至4G网络，并一直保持在4G网络上，在高速飞行中不同制式系统之间的切换变的更加困难。

上行吞吐量测试具体表现情况如表2所示。从上行吞吐率测试具体情况中也可得出的如下结论：

表2 上行吞吐量测试具体情况

1)UL调度率达到88%以上，这表明即使是使用面向公众地面用户的商业网络，在飞行测试期间基站接收到的上行业务量整体偏低；

2)物理上行共享信道发射功率在4G及5G上均逼近终端最大发射功率23dBm，说明终端在上行业务时进行了接近满功率的发射。

200m及300m的不同高度下的RSRP情况如图1所示。从图1可以得出如下结论：

图1 200/300m RSRP分布情况

1)在200m及300m的高度上，RSRP的浮动范围基本处于-110～-100dBm之间，基本可以满足1080P视频传输的信道条件；

2)200m与300m高度上的RSRP分布情况基本一致，即300m以下的高度对RSRP的影响较小。

300m高度下的SINR情况如图2所示。

图2 300m高度SINR分布情况

从图2可以看出，由于受限于基站覆盖、没有合格的主服务小区信号，以及由于高空的良好自由空间传播条件导致的小区间干扰相对较高等几方面的因素，促使整体下行SINR偏低，SINR≤12dB的概率达到了63%。

1.2 低空网络建设规划建议

1.2.1 公网模式

无人机与地面用户共用一张地面网络，涉及以下两方面调整优化。

1)基站初始规划：为了使大部分基站所发射的信号能量都能辐射到无人机的飞行区域内，同时减少对相邻小区间的干扰，在初始设置天线的上倾角时，尽可能使天线主瓣的半功率点对准覆盖区的边缘，以达到SINR最优，解决空中SINR差的问题。同时选取PRACH前导序列Preamble为长格式[7]，增加基站的覆盖距离。

2)采用切片或者QoS独立保障的机制：无人机用户和普通地面终端用户共用地面基础服务网络。对于正在进行业务的无人机，可使用QoS及切片等保障机制，根据无人机不同作业场景需求，划分不同的时延、可靠性要求等，对QoS或切片等进行差异化设置，从逻辑网络角度对无人机业务与地面普通终端用户进行区隔。同时，采用切片的保障机制，由于切片之间是互相隔离的，每个切片都有自己逻辑上独立的网络组件和网络资源，使得切片之间不会互相干扰，进一步保障了业务进程之间的独立与安全。

1.2.2 专网模式

专网模式下[8]，无人机业务和普通地面终端用户在物理网络和逻辑网络完全隔离，根据需求为用户专门搭建专属的物理专网为无人机特定业务场景服务。专网模式下需要单独建设一条新的涵盖频率、无线、传输网、核心网等环节在内的物理网络通道，缺点在于投资成本高，优势在于网络业务独享，具有最高的网络质量和稳定性保障，可以为用户提供最好的业务体验。

2 5G网联无人机系统实现方案

现有系统是由空中子系统、地面子系统、无线通信子系统等部分共同组成。其中，空中子系统是无人机系统内最基本、最重要组成部分，由飞行平台、动力单元、控制导航、任务载荷等单元模块构成。地面子系统主要包括任务规划、控制处理、数据处理、集成无线通信等功能。其中，任务规划负责预定任务内容，控制处理承担执行和交互，数据处理负责采集、存储和传递。无线通信子系统是保持前端和后端之间联络的关键单元，传输媒介以无线电波为主。无线通信链路分为上行链路和下行链路。上行通信链路负责地面站到无人机的遥控指令的发送和接收，下行通信链路主要负责无人机到地面站的遥测数据、载荷数据等的发送和接收[9]。

5G网联无人机系统将在不破坏原有各无人机子系统协同关系的前提下，通过融入5G通信链路替换点对点通信链路，完成整体系统无人智能化的升级改造。5G网联无人机系统具体是通过对原有无人机系统中的空中子系统、地面子系统、无线通信子系统的重塑来实现。

2.1 针对无人机空中子系统的网联改造

针对无人机空中子系统的网联改造主要集中在飞行平台上，通过适配装载或嵌入集成具有5G网络接入能力的机载式通信终端，即5G机载网联通信终端。该5G机载网联通信终端将与控制导航、任务载荷等单元模块进行软硬件适配连接。其中，5G机载网联通信终端与无人机控制导航模块通过如RS232/422/485、TTL等硬件标准串行通信接口连接，由前者进行轮询获取相应的飞行数据，再借助5G通信链路将这部分数据传输至后端设备或服务器处。同时，5G机载网联通信终端可以针对无人机控制导航模块信息的定义和格式进行解析、二次封装和转发。5G机载网联通信终端和无人机任务载荷模块(视频传输是无人机应用的主要业务[10]，以光学吊舱为例)既可以通过高清晰多媒体接口、数字分量串行接口进行硬件连接，获取无人机飞行产生的视频数据，以实时消息传输协议(RTMP)、实时传输协议(RTC)、安全可靠传输协议(SRT)等开源或私有流媒体标准和高级视频编码(H.264/AVC)、高效视频编码(H.265/HEVC)等编解码标准进行视频数据处理及转发，又可以通过RJ45等网线接口进行连接，由5G机载网联通信终端为支持网络传输数据的光学吊舱提供传输链路资源，实现视频数据向后端的传递。

2.2 针对无人机地面子系统的网联改造

无人机地面子系统是指可执行对无人机下达指令和接收各类(飞行、业务)数据的设备，即称之为地面控制站。现有地面控制站不具有访问网络的能力，因此需要加装网卡等硬件来与后端基于网络进行通信和交互。如图2所示，在空中前传链路采用点对点通信的方案中，地面控制站通过原有点对点链路与无人机进行双向数据交互，所下达的指令和获取的数据皆通过宽带/5G/光纤等方式和后端进行双向数据交互。但需要注意，虽然这一方案提高了整体系统数据开放程度，但测控距离则依旧维持原有水平，仅是5G网联无人机不能充分实现(低空网络不能有力支持时)的折中办法，对于真正意义上实现整体系统的高度智能无人化没有帮助。在低空网络能够承担5G网联无人机全部所需的前提下，地面控制站的全部软件功能可以进一步集成到云端服务器，并据此完全被剔除出整体系统，由前端集成在无人机内部的5G机载网联通信终端通过5G无线链路完成与后端的双向数据交互工作。这样的系统突破了原有无人机系统测控距离有限的问题，即只要有低空网络信号覆盖保障，5G网联无人机可以不受时空限制进行应用，比如异地作业，并向智能无人化迈进了一大步，应用近处不再需要专业人员操控作业。

2.3 针对无人机无线通信子系统的网联改造

在无人机的无线通信子系统中，由于采用点对点通信方式，因而存在数传、图传或数图传一体的硬件设备，同时地面端也需要与之配套的硬件设备，才能实现相关数据的双向传输，但却制造了一个个无人机系统信息孤岛的状况。此外，点对点通信多采用公共非授权无线点频段，带宽资源相对有限，在无人机应用数量集中出现的情况下，会给无人机系统间带来严重的相互同频通信干扰问题，同一频段仅通过利用有限的不同频点进行错开规避，无人机数量较少时效果尚可，但在数量大幅增加时，则难以为继。此外，由于行业应用场景需求逐步呈现复杂化趋势，往往一套无人机系统作业需要兼顾多个应用内容。举个例子，在公共安防领域，无人机在区域作业时，由最初的仅拍摄视频图像，已慢慢转变为既要拍摄视频图像又要应急处置(如喊话驱散、投放灭火弹等)。这将点对点链路通信资源有限的弊端进一步放大，甚至当单个视频图像拍摄任务要求4K及更高清晰度时，捉襟见肘。

如前所述，5G无线通信的入替对无人机原有点对点通信方式的替代，将使得无人机通信拥有更多频谱资源，在应对复杂且要求严苛的应用需求时，能表现地更加游刃有余。同时，5G无线链路的融合，使无人机应用数据可以汇集到后端云平台处，其原有系统的信息孤岛问题被解决，让监督管理变得简单，且数据时效价值进一步被发挥出来，成长为更多行业赋能者的角色。

3 5G网联无人机系统安全分析及对策

随着泛低空领域技术的快速发展，无人机作为泛低空经济中的典型形态，广泛应用于农业植保、电力巡线、城市道路巡检、应急救援等行业应用领域。然而，在工业应用领域不断扩展的同时，进入各垂直领域后面临的系统及网络安全问题也日益显现。传统无人机在各种场景的规模化使用过程中，正在暴露一系列的安全隐患和监管漏洞，这类安全问题对社会和个人都会造成一定影响，需要在技术层面给予完善和加强。

3.1 无人机系统安全风险类型

1)导航系统攻击。导航信息欺骗的原理是向无人机的控制系统发送虚假的地理位置坐标，从而控制导航系统，诱导无人机飞向错误的地点。由于无人机接收GPS信号总是以信号最强的信号源为准，因此在地面人造的GPS信号只要强度足够大，就可以覆盖真正的GPS信号，从而欺骗无人机的定位接收模块。

2)飞控信号劫持。由于无线信号是无人机和控制者之间的主要通信方式，对无线信号的攻击可以直接影响无人机的正常运作，乃至获得无人机的控制权。攻击者利用干扰器产生无人机飞控干扰信号以及卫星定位干扰信号，通过对无人机的上行飞控信道和卫星定位信道进行阻塞式干扰，从而使其失去飞控指令和卫星定位信息，使之无法正常飞行，根据无人机的设计不同会产生返航、降落以及坠落的管控效果。

3)通信链路攻击。针对这些通信链路进行干扰、窃听甚至是截获和篡改等信息安全攻击，则可以对无人机产生直接的打击后果。当前主要的无人机地空通信链路也普遍存在着频点公开、链路透明、缺乏保密措施等严重问题，极易成为各种攻击手段的目标[11]。

3.2 5G网联无人机安全技术策略

本论文提出几种网络安全技术，主要通过5G网络来保障无线空口机密性、完整性和可用性。通过射频指纹识别、轻量级认证、无线传输加密、信号抗干扰等安全防护，从物理层、链路层和网络层等各个层面保障合法终端入网，抵御窃听、劫持、篡改等无人机系统攻击[11]。

1)射频指纹识别。针对网联无人机系统，无人机终端通过通信网络接入平台系统之前，需进行信号识别和授权，确保无人机的合法性，无人机系统可以通过射频指纹识别技术实现对通信信号进行鉴权。射频指纹识别技术通过信号处理手段，提取采集到的无线信号特征, 建立无人机终端射频指纹库，通信双方利用射频指纹识别与检测方法，从而实现对无人机终端的识别，实现辐射源设备个体识别，发现和阻断非法终端连接。近年来，辐射源个体识别技术相关理论与实践应用不断完善，指纹特征提取方法的研究取得了较大的进展。

2)轻量级认证。针对网联无人机动态变化、通信带宽窄的特点，使用轻量级认证协议可以实现无人机的安全认证，防止非法和假冒用户的接入。轻量级认证协议重点研究的是轻量级的认证算法，主要目的在于简化认证交互次数、交互数据量，同时兼顾通信的机密性、完整性及不可否认性，协议主要是实现无人机密钥管理、身份认证等功能。轻量级认证方式主要分为有中心的无人机网络认证和无中心的无人机网络认证，其中有中心的无人机网络认证是管理中心为无人机分发密钥，并提供无人机身份认证功能；无中心的无人机网络认证是利用门限密钥技术，由网络中多个节点共同参与密钥生成和身份认证[12]。

3)无线传输加密。由于无人机终端与平台系统之间传输大量的重要敏感数据，因此需要对通过无线网络传输的敏感数据进行链路层、网络层等加密处理，包括使用国密SM、祖冲之算法等，实现无人机终端和平台系统之间进行端到端加密，确保数据在无线网络传输的机密性和完整性。重要数据经过加密模块或软件进行加密传输到网络，在整个网络传输过程中，数据包始终处于加密状态，平台系统解密模块或软件解密出对端的数据信息后进行存储，以此实现数据在空中传输的安全保密功能。

4)信号抗干扰。目前，国内外对无人机网络抗干扰技术的研究方向主要集中在跳扩频、频谱资源分配优化等方面。跳频扩频技术主要通过快速切换频率载波来积极躲避干扰攻击，长期被用来提高无线通信的抗干扰能力。频谱资源优化技术是通过对可用频谱资源的最佳使用实现抗干扰，利用自适应方法达到最优资源分配效果。另外，还可以利用针对干扰攻击的“蜜罐”欺骗机制，将网络中的空闲节点伪装成传输节点，通过诱骗干扰方对其进行干扰，以此来提高网络中传输对的传输性能[13]。

4 结语

未来，随着地面通信基础设施的不断建设完备和功能技术的迭代，5G网联无人机系统将生动诠释无人和智能的含义，通过5G网联能力的加持将帮助无人机蜕变成为更加智能和自主的应用系统，满足更加多元和丰富的行业应用领域及场景，让无人机应用不再受限于专业门槛的掣肘，助力低空经济的不断壮大发展。此外，使其真正步入规划化推广，从而助力低空经济高质量发展迎来崭新篇章。