| 基于5G的無人機技術(shù)和應(yīng)用研究 |
| 2019/11/6 10:04:26 |
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無人機憑借操作便利、機動靈活、制造成本低、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢，近年來在垂直行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。第五代移動通信系統(tǒng)（5G）支持增強型移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（uRLLC）三大類應(yīng)用場景，進(jìn)一步拓展無人機在行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文從5G技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和三大類應(yīng)用場景出發(fā)，分析5G對無人機技術(shù)和應(yīng)用的巨大影響。
1 5G網(wǎng)絡(luò)保障無人機無線通信
無人機一般通過遙控系統(tǒng)進(jìn)行控制，民用無人機與遙控器之間的數(shù)據(jù)傳輸，通常采用低功耗藍(lán)牙或WIFI技術(shù)，受發(fā)射功率限制，只能在不超過500米的視距范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且傳輸圖像最大分辨率不超過1080p，極大限制了無人機在行業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
與此同時，移動通信技術(shù)迅速發(fā)展，無人機行業(yè)應(yīng)用呈現(xiàn)出與移動通信技術(shù)緊密集合的發(fā)展趨勢，逐漸形成網(wǎng)聯(lián)無人機，借助廣泛分布的通信基站，無人機實現(xiàn)通信距離的突破。IMT-2020(5G)推進(jìn)組發(fā)布的5G無人機應(yīng)用白皮書指出，4G網(wǎng)絡(luò)能夠滿足現(xiàn)有的部分低速率、對時延不敏感的無人機應(yīng)用，對于高速率、超低時延無人機應(yīng)用存在挑戰(zhàn)。5G技術(shù)提供的大帶寬、高可靠、低時延通信能夠很好的滿足無人機行業(yè)應(yīng)用需求。
1.1 5G網(wǎng)絡(luò)+邊緣計算確保無人機行業(yè)應(yīng)用傳輸需求
在普通的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，核心網(wǎng)部署位置高，傳輸需要經(jīng)過多次路由，時延大，不能滿足無人機超低時延業(yè)務(wù)需求。并且一些區(qū)域性業(yè)務(wù)，全部放在云端處理并非完全有效，尤其是視頻類業(yè)務(wù)，既導(dǎo)致傳輸帶寬的浪費，又增加了傳輸時延。因此，傳輸時延和連接數(shù)量需求決定了5G業(yè)務(wù)的處理核心不可能全放在核心網(wǎng)后端的云處理平臺。
邊緣計算（MEC）使得運營商和第三方業(yè)務(wù)可以部署在靠近用戶附著接入點的位置，通過降低時延和負(fù)載來實現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)分發(fā)。邊緣計算服務(wù)器部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，把無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)有效融合在一起，同時在無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加計算、存儲、處理等功能，構(gòu)建邊緣云，提供信息技術(shù)服務(wù)環(huán)境和云計算能力，將業(yè)務(wù)本地化，內(nèi)容本地緩存，讓區(qū)域性業(yè)務(wù)不必浪費資源在云端進(jìn)行處理。由于應(yīng)用服務(wù)和內(nèi)容部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，這樣便可以減少數(shù)據(jù)傳輸中的轉(zhuǎn)發(fā)和處理時間，降低端到端時延，滿足低時延要求。
1.2 5G網(wǎng)絡(luò)拓展無人機低空覆蓋范圍
無人機低空覆蓋問題分為兩類，第一類是有效信號強度低，如弱覆蓋和無覆蓋，主要存在于飛行在較高航線或偏僻位置的無人機應(yīng)用場景，由基站數(shù)量稀少或網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置等原因?qū)е�。第二類是有效信號強度不低，但是干擾信號強度大，導(dǎo)致接收信號SINR低。在無人機低空覆蓋場景中，大部分是第二類覆蓋問題，即主要由信號干擾導(dǎo)致的覆蓋問題。
針對第一類由于有效信號弱，導(dǎo)致的覆蓋問題，可以采用充分利用基站側(cè)多天線的垂直波束能力來增強覆蓋，考慮無人機的不同應(yīng)用場景，采用高效的波束掃描和跟蹤。針對第二類由于干擾信號強，導(dǎo)致的覆蓋問題，可通過Massive MIMO垂直面和水平面的波束賦形，形成精準(zhǔn)的窄波束進(jìn)行發(fā)送和接收。對于下行鏈路，精準(zhǔn)的窄波束一方面提高了無人機的低空覆蓋范圍，另一方面也減少了小區(qū)內(nèi)或者小區(qū)間的干擾。對于上行鏈路，可以是基站側(cè)形成接收波束，也可以是無人機側(cè)形成發(fā)送波束，從而提高無人機的低空覆蓋范圍。
2 5G助力民用無人機行業(yè)應(yīng)用
無人機的價值在于形成空中平臺，結(jié)合其他部件或載荷擴展應(yīng)用，替代人類完成空中作業(yè)。5G技術(shù)拓展了無人機低空覆蓋范圍，為無人機行業(yè)應(yīng)用提供了大帶寬、高可靠、低時延無線通信能力，進(jìn)一步助力無人機在物流、巡檢、安防、救援和娛樂直播等領(lǐng)域的發(fā)展。
2.1 物流
物流是極具潛力的無人機行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域之一。2017年全球智慧物流峰會數(shù)據(jù)顯示，2016年智慧化物流市場規(guī)模達(dá)到2000億元，預(yù)計到2025年智慧化物流市場規(guī)模有望超過萬億元。
相比于地面運輸，無人機物流具有方便快捷的特點，在國內(nèi)山區(qū)較多的省份，陸運耗費的時間和成本較平原地區(qū)高很多，采用無人機運輸，則可以使用同樣的成本實現(xiàn)更高的物流價值。同時無人機物流可以有效節(jié)省人力資源的消耗，將復(fù)雜環(huán)境下和大批量的投遞任務(wù)交給快遞人員和地面車輛，而將簡單場景下的小批量投遞任務(wù)交給無人機，則可以更充分地發(fā)揮快遞人員的工作效率。
我國物流行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)紛紛踏足無人機物流應(yīng)用，在派件-支線-干線上層層發(fā)力，進(jìn)一步降低物流成本、提升效率。
2018年3月27日，民航華東地區(qū)管理局向順豐控股旗下的江西豐羽順途科技有限公司頒發(fā)國內(nèi)第一張無人機航空運營（試點）許可證，意味著中國無人機物流配送正式進(jìn)入合法運營階段，堪稱中國物流無人機發(fā)展的里程碑。
2.2 巡檢
基礎(chǔ)設(shè)施巡檢是無人機巡檢的主要內(nèi)容，指對輸電線路、輸油管道、基站塔臺等基礎(chǔ)設(shè)施的巡視檢查或狀態(tài)監(jiān)測。其作業(yè)內(nèi)容具體包括對基礎(chǔ)設(shè)施本身的監(jiān)測、對周邊環(huán)境的勘探、基礎(chǔ)設(shè)施的日常周期維護(hù)以及簡單的故障排查、處理等。傳統(tǒng)的人工巡檢方案受環(huán)境及天氣等影響，工作量大、工作效率較低、成本較高，且存在一定的人身安全風(fēng)險。無人機以成本低、靈活性強、安全性高、受自然環(huán)境及地形影響較小、視角更優(yōu)等特點，越來越廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施巡檢領(lǐng)域。
2018年我國電力巡檢市場規(guī)模為29.73億元，據(jù)國泰君安產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，到2020年電力巡檢無人機整機市場為19.48億元，加上無人機服務(wù)市場，2020年市場規(guī)模將達(dá)到58.45億元。
2.3 安防
無人機在公共安全領(lǐng)域應(yīng)用很多，例如邊防監(jiān)控、消防監(jiān)控、環(huán)境保護(hù)、刑偵反恐、治安巡邏等。突發(fā)事件中，無人機可以代替警力及時趕往現(xiàn)場，利用可見光視頻及熱成像設(shè)備等，把實時情況回傳給地面設(shè)備，為指揮人員決策提供依據(jù)。
警用無人機可以根據(jù)需求搭載高清數(shù)碼攝像機、空中喊話、投放催淚瓦斯、安防監(jiān)控等載荷，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并迅速傳送到指揮中心，跟蹤事件的發(fā)展態(tài)勢，供指揮者進(jìn)行判斷和決策，被廣泛應(yīng)用于處突維穩(wěn)、監(jiān)控安防、森林防火、消防滅火、抗雪防洪、交通管理等場景。我國多數(shù)城市都已開始使用警用無人機進(jìn)行治安管理。
2017年我國警用無人機市場規(guī)模為2.55億元，行業(yè)普及率很低，借助5G技術(shù)，國泰君安產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測到2020年警用無人機市場規(guī)模為6.6億元，行業(yè)滲透率達(dá)到5%。
2.4 救援
我國領(lǐng)土由于地理環(huán)境和氣候的多樣性，各種自然災(zāi)害時有發(fā)生，每年因自然災(zāi)害、事故災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)千億，災(zāi)后救援工作尤為重要。無人機在展開救援作業(yè)中可實現(xiàn)快速響應(yīng)，在第一時間到達(dá)現(xiàn)場，迅速展開作業(yè)；采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，迅速將現(xiàn)場的視、音頻信息傳送到指揮中心，供指揮者進(jìn)行判斷和決策；能夠?qū)崿F(xiàn)通信中繼功能，快速恢復(fù)現(xiàn)場局部通信；跟蹤事件的發(fā)展態(tài)勢，幫助指揮中心實施不間斷指揮處理。無人機在處理突發(fā)事件及救災(zāi)搶險過程中發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代搶險技術(shù)應(yīng)用的一種重要方式。
2.5 娛樂直播
無人機可以將視野帶入高空，以上帝視角俯瞰。無人機全景VR直播將帶來更為震撼的身臨其境的直播感受。通過無人機掛載360度全景鏡頭進(jìn)行視頻拍攝，全景相機完成視頻采集、拼接處理與視頻流處理，通過連入5G網(wǎng)絡(luò)將4K/8K全景視頻通過上行鏈路傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)側(cè)視頻服務(wù)器，再通過下行鏈路傳輸給用戶。而用戶只需戴上VR眼鏡，就都可以隨時隨地?zé)o延遲的體驗激動人心的現(xiàn)場。
5G無人機VR直播在未來將會廣泛用于體育賽事、演藝活動等大型活動極致體驗直播以及廣告、新聞、電影等商業(yè)活動拍攝中，用戶隨時隨地都能通過VR全景直播獲取比現(xiàn)場更好的體驗。
查詢進(jìn)一步信息，請聯(lián)系作者，或訪問官方網(wǎng)站 http://www.caict.ac.cn/kxyj/caictgd/tnull_268145.htm。
作者簡介：
杜斌（郵箱：dubin@caict.ac.cn），就職于中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，研究領(lǐng)域為5G應(yīng)用系統(tǒng)、集群通信系統(tǒng)。參與IMT-2020（5G）推進(jìn)組相關(guān)工作，承擔(dān)工信部、科技委相關(guān)項目支撐，參與完成多地5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃編制。
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