【学术论文】基于5G的固定翼无人机应急通信覆盖能力研究

  ，北京邮电大学工学博士，教授级高级工程师，中关村国家自主创新示范区高端领军人才，现就职于中国联通网络技术研究院。长期从事4G/5G移动通信技术与业务创新研发工作，作为项目组长先后负责多个4G/5G领域的移动通信国家重点项目，发表学术论文超过70篇，发明专利100余篇，个人专著3本。

  国家格外的重视应急通信网络的规划与建设，特别是无人机的应急通信技术探讨研究慢慢的受到重视，相对于4G“尽力而为”的网络特性，5G凭借大带宽、低时延和高可靠性的网络能力，为网络性能配置提供了灵活的配置空间，将会逐步成为满足应急通信不同场景需求的首选技术。提出了基于固定翼式无人机的5G应急通信覆盖解决方案，该方案通过无人机机载5G一体化基站，结合地面宏基站辅助实现组网。对无人机基站下行覆盖与回传链路预算进行仿真，根据结果得出，所提出的解决方案能够完全满足偏远地区和应急通信的覆盖需求。

  地面通信系统常常由于自然力侵蚀、人为破坏、年久老化导致设备性能直线下降等多种因素，影响其稳定性和可靠性，其移动性与灵活性较差，难以满足应急通信的要求 [1-2]。因此，高灵活性、高可靠性的应急通信措施成为通信技术领域的研究热点。

  我国政府为保证并推进我国应急通信网络的建设，成立了国家应急管理部，启动天地一体的应急通信网络规划和建设。为响应国家号召，国内三大运营商积极开展应急通信保障研究。传统应急通信一般会用应急通信车方式，应急通信车具有较高的机动性与稳定性，是应急通信设施中的重要组成部分。但在塌方、山体滑坡、地震、海域覆盖等极端场景，通信车辆难以及时部署；同时，由于应急通信车桅杆升降高度限制，导致天线投射面积有限。因此，单一应急通信措施难以满足全方面的应急通信的需要 [3]。随着无人机技术发展，特别是无人机的飞行高度、移动半径、续航和载重等能力的大幅度的提高，通过无人机搭载基站具备了可行性。此外，无人机基站具有高可靠的视距链路和灵活部署的能力，使得无人机组网技术在未来应急通信网络中具有广阔前景 [4-5]。

  5G是面向2020年以后移动通信需求而发展起来的新一代移动通信系统，在传输速率和资源利用率等方面较4G系统获得大幅度的提高。用户在享受更高、更快、更丰富的体验的同时，也对网络速率和时延等性能指标提出更高的要求。相对于4G“尽力而为”的网络特性，5G大带宽(0～10 Gb/s)、低时延(1～100 ms)和高可靠性(0～99.999 9%)等能力，为网络性能配置提供了灵活的配置空间。因此，基于5G的应急系统将会逐步成为满足应急通信不同场景需求的首选技术。

  本文将基于5G技术，对固定翼式无人机机载系统的组网架构进行研究 [6-7]，重点对该架构下的固定翼无人机覆盖和回传能力做多元化的分析，并给出相应结论。

  (1)续航时长：由于应急通信场景的需要，航时超过20小时将更具有实用性；

  (2)快速部署：鉴于应急通信事件突发的特点，需要在出现突发情况时在尽量短的时间内开始运作；

  (3)运输便捷：鉴于应急事件发生地点的不确定性，需要在短时间内将设备运输至突发事件发生地点；

  (4)载荷较大：鉴于应急通信需求的复杂性，需要平台具有较大起飞重量，可以搭载多种应急通信设备；

  无人机包括民用级无人机和专业级无人机两种类型。民用无人机载荷较小，自带蓄电池的设计在保证机体轻便的同时也使得飞行时间通常在20～70 min，不足以满足应急通信保障的需求。专业无人机最重要的包含旋翼无人机、系留式无人机和固定翼无人机3种类型。旋翼无人机具有便于操控、垂直起降和长时间悬停等优势，同时无人机结构紧密相连，外观尺寸较小。系留式无人机系统以多旋翼无人机为平台，通过专用电源和电缆实现供电和传输，可实现在一定载荷下长时间悬停，实现远距离通信覆盖。系留式无人机具有携带方便、开设迅速、简单易操作的特点，但负载有限(载荷为2～10 kg)，从而限制了其应用场景范围。固定翼无人机尺寸相对较大，操控相对复杂，同时有一定的起降受限，但其更高的飞行高度、更大的载荷重量(特别是近年来小型化的氢燃料电池逐步实用化)、更久的续航能力使得固定翼无人机更适合于大范围的应急通信保障。

  机载系统组网架构主要由无人机平台、机载基站、回传终端(Customer Premise Equipment，CPE)、现网宏站、安全网关和核心网组成，如图1所示。

  机载基站和回传终端部署在无人机平台上提供应急网络覆盖以及将数据传输到现网宏站的功能，安全网关主要用来提供数据解密、防火墙等功能，核心网大多数都用在用户鉴权、接入管理和数据转发等功能。终端接入机载基站后，机载基站将数据来进行加密，加密后的数据通过回传CPE传输到宏站以及核心网的网关中，核心网网关将加密数据转给安全网关后对数据来进行解密，再通过核心网网关转发到互联网，实现应急通信数据传输的整体流程。

  机载基站建议采用专为无人机机载定制的5G一体化基站设备，其基本功能要求建议如下。

  无人机使用全向天线时，采用高空明区传播计算模型,高空明区示意图如图2所示。无人机基站与用户实际距离如图3所示。

  式中，h t为基站天线有效高度，单位为m；h r为用户接收天线有效高度，单位为m；d为基站天线与用户之间的有效接收距离，单位为km。

  其中，本文中的链路损耗模型为经典自由空间传播模型，其路径损耗模型计算公式能表示为：

  (1)无人机覆盖能力：采用5G n1 2.1 GHz频点时，基于5 MHz带宽2×10 W机载一体化基站进行覆盖，假设地面终端UE的目标RSRP为-105 dBm，升空高度为200 m的地面覆盖半径超过2.3 km；

  (2)无人机回传能力：使用4G 800 MHz宏基站作为无人机回传基站，假设4G宏基站总功率为2×20 W，使用5 MHz工作带宽，宏站与经过无人机搭载的4G回传CPE的覆盖半径大于10.7 km，升空高度为200 m的回传CPE距离宏站的地面覆盖半径为9.9 km，可满足约340 km2范围内的语音与数据等业务使用。

  (1)对于2.1 GHz频段5 MHz带宽的5G一体化基站通过无人机平台搭载后，当覆盖区域内达到边缘-105 dBm左右的覆盖水平时，随着基站发射功率的增加，边缘用户接收功率逐渐增大，对于目标RSRP来说，基站下行覆盖范围逐渐增大，由2×1 W功率下的0.9 km覆盖半径最大到2×20 W的半径3.5 km覆盖，可最大满足40 km2内用户语音与数据等业务使用需求。

  (2)在地面4G宏基站辅助下，800 MHz频段的回传CPE随着发射功率从2×1 W逐渐增大至2×20 W时，其覆盖半径由2 km扩大到9 km左右，最大可满足240 km2以内的用户需求。

  本文提出了基于固定翼式无人机的5G应急通信覆盖解决方案，该方案通过无人机机载5G一体化基站，结合地面宏基站辅助实现组网。无人机基站下行覆盖与回传链路预算的仿真根据结果得出，固定翼无人机搭载一体化基站设备的方案在原有宏站覆盖半径10.7 km的基础上，进一步将覆盖半径提升2.3 km，达到13 km，总覆盖面积约530 km2。该方案能够完全满足偏远地区覆盖和应急通信的基本需求。

  [1] 吴鹏，王黎阳.系留式多旋翼无人机在应急通信中的应用[J].中国信息化，2018(12)：60-61.

  [2] 李威，李跃军.利用无人机搭建高空基站的研究[J].通讯世界，2017(9)：12-13.

  [3] 卢洪涛，黄毅华，陈玥.系留式无人机应急平台搭建及测试[J].广东通信技术，2018，38(12)：13-16.

  (1.中国电信股份有限公司研究院，北京102209；2.北京佰才邦技术有限公司，北京100044)

  特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。

  男子买房11年未入住：门锁被邻居替换，屋内堆满杂物阳台成菜园 起诉对方索赔

  四川国资入主红旗连锁获省国资委批复，标的股份过户后曹世如将不再担任董事长

  与中坚力量共成长，2024建信信托艺术大奖评委会特别奖获奖艺术家凌海鹏

  苹果 iPhone 16 系列手机全尺寸图首曝：Pro/Max 加大，厚度不变

  iPhone 15 Pro Max喜提iOS 18：神经网络引擎性能提升明显

  iPhone 17 系列或迎来更薄机型/传宁德时代施行「896」工作制

  大手笔！央企又拿核心宅地，海口这一片区城市更新，线亿！中建智地+朝开+江苏绿建摘北京首宗多业态地块