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基于5G的无人机技术和应用研究

2019/11/6 10:04:26

无人机凭借操作便利、机动灵活、制造成本低、环境适应性强等优势，近年来在垂直行业领域得到广泛应用。第五代移动通信系统（5G）支持增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超高可靠低时延通信（uRLLC）三大类应用场景，进一步拓展无人机在行业领域的应用。本文从5G技术、网络架构和三大类应用场景出发，分析5G对无人机技术和应用的巨大影响。

1 5G网络保障无人机无线通信

无人机一般通过遥控系统进行控制，民用无人机与遥控器之间的数据传输，通常采用低功耗蓝牙或WIFI技术，受发射功率限制，只能在不超过500米的视距范围进行数据传输，且传输图像最大分辨率不超过1080p，极大限制了无人机在行业领域的广泛应用。

与此同时，移动通信技术迅速发展，无人机行业应用呈现出与移动通信技术紧密集合的发展趋势，逐渐形成网联无人机，借助广泛分布的通信基站，无人机实现通信距离的突破。IMT-2020(5G)推进组发布的5G无人机应用白皮书指出，4G网络能够满足现有的部分低速率、对时延不敏感的无人机应用，对于高速率、超低时延无人机应用存在挑战。5G技术提供的大带宽、高可靠、低时延通信能够很好的满足无人机行业应用需求。

1.1 5G网络+边缘计算确保无人机行业应用传输需求

在普通的5G网络架构中，核心网部署位置高，传输需要经过多次路由，时延大，不能满足无人机超低时延业务需求。并且一些区域性业务，全部放在云端处理并非完全有效，尤其是视频类业务，既导致传输带宽的浪费，又增加了传输时延。因此，传输时延和连接数量需求决定了5G业务的处理核心不可能全放在核心网后端的云处理平台。

边缘计算（MEC）使得运营商和第三方业务可以部署在靠近用户附着接入点的位置，通过降低时延和负载来实现高效的业务分发。边缘计算服务器部署在网络边缘，把无线网络和互联网有效融合在一起，同时在无线网络侧增加计算、存储、处理等功能，构建边缘云，提供信息技术服务环境和云计算能力，将业务本地化，内容本地缓存，让区域性业务不必浪费资源在云端进行处理。由于应用服务和内容部署在网络边缘，这样便可以减少数据传输中的转发和处理时间，降低端到端时延，满足低时延要求。

1.2 5G网络拓展无人机低空覆盖范围

无人机低空覆盖问题分为两类，第一类是有效信号强度低，如弱覆盖和无覆盖，主要存在于飞行在较高航线或偏僻位置的无人机应用场景，由基站数量稀少或网络参数配置等原因导致。第二类是有效信号强度不低，但是干扰信号强度大，导致接收信号SINR低。在无人机低空覆盖场景中，大部分是第二类覆盖问题，即主要由信号干扰导致的覆盖问题。

针对第一类由于有效信号弱，导致的覆盖问题，可以采用充分利用基站侧多天线的垂直波束能力来增强覆盖，考虑无人机的不同应用场景，采用高效的波束扫描和跟踪。针对第二类由于干扰信号强，导致的覆盖问题，可通过Massive MIMO垂直面和水平面的波束赋形，形成精准的窄波束进行发送和接收。对于下行链路，精准的窄波束一方面提高了无人机的低空覆盖范围，另一方面也减少了小区内或者小区间的干扰。对于上行链路，可以是基站侧形成接收波束，也可以是无人机侧形成发送波束，从而提高无人机的低空覆盖范围。

2 5G助力民用无人机行业应用

无人机的价值在于形成空中平台，结合其他部件或载荷扩展应用，替代人类完成空中作业。5G技术拓展了无人机低空覆盖范围，为无人机行业应用提供了大带宽、高可靠、低时延无线通信能力，进一步助力无人机在物流、巡检、安防、救援和娱乐直播等领域的发展。

2.1 物流

物流是极具潜力的无人机行业应用领域之一。2017年全球智慧物流峰会数据显示，2016年智慧化物流市场规模达到2000亿元，预计到2025年智慧化物流市场规模有望超过万亿元。

相比于地面运输，无人机物流具有方便快捷的特点，在国内山区较多的省份，陆运耗费的时间和成本较平原地区高很多，采用无人机运输，则可以使用同样的成本实现更高的物流价值。同时无人机物流可以有效节省人力资源的消耗，将复杂环境下和大批量的投递任务交给快递人员和地面车辆，而将简单场景下的小批量投递任务交给无人机，则可以更充分地发挥快递人员的工作效率。

我国物流行业领军企业纷纷踏足无人机物流应用，在派件-支线-干线上层层发力，进一步降低物流成本、提升效率。

2018年3月27日，民航华东地区管理局向顺丰控股旗下的江西丰羽顺途科技有限公司颁发国内第一张无人机航空运营（试点）许可证，意味着中国无人机物流配送正式进入合法运营阶段，堪称中国物流无人机发展的里程碑。

2.2 巡检

基础设施巡检是无人机巡检的主要内容，指对输电线路、输油管道、基站塔台等基础设施的巡视检查或状态监测。其作业内容具体包括对基础设施本身的监测、对周边环境的勘探、基础设施的日常周期维护以及简单的故障排查、处理等。传统的人工巡检方案受环境及天气等影响，工作量大、工作效率较低、成本较高，且存在一定的人身安全风险。无人机以成本低、灵活性强、安全性高、受自然环境及地形影响较小、视角更优等特点，越来越广泛地应用于基础设施巡检领域。

2018年我国电力巡检市场规模为29.73亿元，据国泰君安产业研究院预测，到2020年电力巡检无人机整机市场为19.48亿元，加上无人机服务市场，2020年市场规模将达到58.45亿元。

2.3 安防

无人机在公共安全领域应用很多，例如边防监控、消防监控、环境保护、刑侦反恐、治安巡逻等。突发事件中，无人机可以代替警力及时赶往现场，利用可见光视频及热成像设备等，把实时情况回传给地面设备，为指挥人员决策提供依据。

警用无人机可以根据需求搭载高清数码摄像机、空中喊话、投放催泪瓦斯、安防监控等载荷，采集现场数据并迅速传送到指挥中心，跟踪事件的发展态势，供指挥者进行判断和决策，被广泛应用于处突维稳、监控安防、森林防火、消防灭火、抗雪防洪、交通管理等场景。我国多数城市都已开始使用警用无人机进行治安管理。

2017年我国警用无人机市场规模为2.55亿元，行业普及率很低，借助5G技术，国泰君安产业研究院预测到2020年警用无人机市场规模为6.6亿元，行业渗透率达到5%。

2.4 救援

我国领土由于地理环境和气候的多样性，各种自然灾害时有发生，每年因自然灾害、事故灾害造成的经济损失高达数千亿，灾后救援工作尤为重要。无人机在展开救援作业中可实现快速响应，在第一时间到达现场，迅速展开作业；采集现场数据，迅速将现场的视、音频信息传送到指挥中心，供指挥者进行判断和决策；能够实现通信中继功能，快速恢复现场局部通信；跟踪事件的发展态势，帮助指挥中心实施不间断指挥处理。无人机在处理突发事件及救灾抢险过程中发挥着重要的作用，是现代抢险技术应用的一种重要方式。

2.5 娱乐直播

无人机可以将视野带入高空，以上帝视角俯瞰。无人机全景VR直播将带来更为震撼的身临其境的直播感受。通过无人机挂载360度全景镜头进行视频拍摄，全景相机完成视频采集、拼接处理与视频流处理，通过连入5G网络将4K/8K全景视频通过上行链路传输到核心网侧视频服务器，再通过下行链路传输给用户。而用户只需戴上VR眼镜，就都可以随时随地无延迟的体验激动人心的现场。

5G无人机VR直播在未来将会广泛用于体育赛事、演艺活动等大型活动极致体验直播以及广告、新闻、电影等商业活动拍摄中，用户随时随地都能通过VR全景直播获取比现场更好的体验。

查询进一步信息，请联系作者，或访问官方网站

http://www.caict.ac.cn/kxyj/caictgd/tnull_268145.htm。

作者简介：
杜斌（邮箱：dubin@caict.ac.cn），就职于中国信息通信研究院技术与标准研究所，研究领域为5G应用系统、集群通信系统。参与IMT-2020（5G）推进组相关工作，承担工信部、科技委相关项目支撑，参与完成多地5G网络发展规划编制。

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