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基于5G的無人機技術和應用研究

2019/11/6 10:04:26

無人機憑借操作便利、機動靈活、制造成本低、環境適應性強等優勢，近年來在垂直行業領域得到廣泛應用。第五代移動通信系統（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）三大類應用場景，進一步拓展無人機在行業領域的應用。本文從5G技術、網絡架構和三大類應用場景出發，分析5G對無人機技術和應用的巨大影響。

1 5G網絡保障無人機無線通信

無人機一般通過遙控系統進行控制，民用無人機與遙控器之間的數據傳輸，通常采用低功耗藍牙或WIFI技術，受發射功率限制，只能在不超過500米的視距范圍進行數據傳輸，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領域的廣泛應用。

與此同時，移動通信技術迅速發展，無人機行業應用呈現出與移動通信技術緊密集合的發展趨勢，逐漸形成網聯無人機，借助廣泛分布的通信基站，無人機實現通信距離的突破。IMT-2020(5G)推進組發布的5G無人機應用白皮書指出，4G網絡能夠滿足現有的部分低速率、對時延不敏感的無人機應用，對于高速率、超低時延無人機應用存在挑戰。5G技術提供的大帶寬、高可靠、低時延通信能夠很好的滿足無人機行業應用需求。

1.1 5G網絡+邊緣計算確保無人機行業應用傳輸需求

在普通的5G網絡架構中，核心網部署位置高，傳輸需要經過多次路由，時延大，不能滿足無人機超低時延業務需求。并且一些區域性業務，全部放在云端處理并非完全有效，尤其是視頻類業務，既導致傳輸帶寬的浪費，又增加了傳輸時延。因此，傳輸時延和連接數量需求決定了5G業務的處理核心不可能全放在核心網后端的云處理平臺。

邊緣計算（MEC）使得運營商和第三方業務可以部署在靠近用戶附著接入點的位置，通過降低時延和負載來實現高效的業務分發。邊緣計算服務器部署在網絡邊緣，把無線網絡和互聯網有效融合在一起，同時在無線網絡側增加計算、存儲、處理等功能，構建邊緣云，提供信息技術服務環境和云計算能力，將業務本地化，內容本地緩存，讓區域性業務不必浪費資源在云端進行處理。由于應用服務和內容部署在網絡邊緣，這樣便可以減少數據傳輸中的轉發和處理時間，降低端到端時延，滿足低時延要求。

1.2 5G網絡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用場景，由基站數量稀少或網絡參數配置等原因導致。第二類是有效信號強度不低，但是干擾信號強度大，導致接收信號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致的覆蓋問題。

針對第一類由于有效信號弱，導致的覆蓋問題，可以采用充分利用基站側多天線的垂直波束能力來增強覆蓋，考慮無人機的不同應用場景，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，形成精準的窄波束進行發送和接收。對于下行鏈路，精準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內或者小區間的干擾。對于上行鏈路，可以是基站側形成接收波束，也可以是無人機側形成發送波束，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應用

無人機的價值在于形成空中平臺，結合其他部件或載荷擴展應用，替代人類完成空中作業。5G技術拓展了無人機低空覆蓋范圍，為無人機行業應用提供了大帶寬、高可靠、低時延無線通信能力，進一步助力無人機在物流、巡檢、安防、救援和娛樂直播等領域的發展。

2.1 物流

物流是極具潛力的無人機行業應用領域之一。2017年全球智慧物流峰會數據顯示，2016年智慧化物流市場規模達到2000億元，預計到2025年智慧化物流市場規模有望超過萬億元。

相比于地面運輸，無人機物流具有方便快捷的特點，在國內山區較多的省份，陸運耗費的時間和成本較平原地區高很多，采用無人機運輸，則可以使用同樣的成本實現更高的物流價值。同時無人機物流可以有效節省人力資源的消耗，將復雜環境下和大批量的投遞任務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交給無人機，則可以更充分地發揮快遞人員的工作效率。

我國物流行業領軍企業紛紛踏足無人機物流應用，在派件-支線-干線上層層發力，進一步降低物流成本、提升效率。

2018年3月27日，民航華東地區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國內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入合法運營階段，堪稱中國物流無人機發展的里程碑。

2.2 巡檢

基礎設施巡檢是無人機巡檢的主要內容，指對輸電線路、輸油管道、基站塔臺等基礎設施的巡視檢查或狀態監測。其作業內容具體包括對基礎設施本身的監測、對周邊環境的勘探、基礎設施的日常周期維護以及簡單的故障排查、處理等。傳統的人工巡檢方案受環境及天氣等影響，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險。無人機以成本低、靈活性強、安全性高、受自然環境及地形影響較小、視角更優等特點，越來越廣泛地應用于基礎設施巡檢領域。

2018年我國電力巡檢市場規模為29.73億元，據國泰君安產業研究院預測，到2020年電力巡檢無人機整機市場為19.48億元，加上無人機服務市場，2020年市場規模將達到58.45億元。

2.3 安防

無人機在公共安全領域應用很多，例如邊防監控、消防監控、環境保護、刑偵反恐、治安巡邏等。突發事件中，無人機可以代替警力及時趕往現場，利用可見光視頻及熱成像設備等，把實時情況回傳給地面設備，為指揮人員決策提供依據。

警用無人機可以根據需求搭載高清數碼攝像機、空中喊話、投放催淚瓦斯、安防監控等載荷，采集現場數據并迅速傳送到指揮中心，跟蹤事件的發展態勢，供指揮者進行判斷和決策，被廣泛應用于處突維穩、監控安防、森林防火、消防滅火、抗雪防洪、交通管理等場景。我國多數城市都已開始使用警用無人機進行治安管理。

2017年我國警用無人機市場規模為2.55億元，行業普及率很低，借助5G技術，國泰君安產業研究院預測到2020年警用無人機市場規模為6.6億元，行業滲透率達到5%。

2.4 救援

我國領土由于地理環境和氣候的多樣性，各種自然災害時有發生，每年因自然災害、事故災害造成的經濟損失高達數千億，災后救援工作尤為重要。無人機在展開救援作業中可實現快速響應，在第一時間到達現場，迅速展開作業；采集現場數據，迅速將現場的視、音頻信息傳送到指揮中心，供指揮者進行判斷和決策；能夠實現通信中繼功能，快速恢復現場局部通信；跟蹤事件的發展態勢，幫助指揮中心實施不間斷指揮處理。無人機在處理突發事件及救災搶險過程中發揮著重要的作用，是現代搶險技術應用的一種重要方式。

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網絡將4K/8K全景視頻通過上行鏈路傳輸到核心網側視頻服務器，再通過下行鏈路傳輸給用戶。而用戶只需戴上VR眼鏡，就都可以隨時隨地無延遲的體驗激動人心的現場。

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、電影等商業活動拍攝中，用戶隨時隨地都能通過VR全景直播獲取比現場更好的體驗。

查詢進一步信息，請聯系作者，或訪問官方網站

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與標準研究所，研究領域為5G應用系統、集群通信系統。參與IMT-2020（5G）推進組相關工作，承擔工信部、科技委相關項目支撐，參與完成多地5G網絡發展規劃編制。

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