《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于5G的固定翼無人機應(yīng)急通信覆蓋能力研究
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
袁雪琪1，云 翔2，李 娜2
1.中國電信股份有限公司研究院，北京102209；2.北京佰才邦技術(shù)有限公司，北京100044
摘要： 國家高度重視應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與建設(shè)，特別是無人機的應(yīng)急通信技術(shù)研究越來越受到重視，相對于4G“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)特性，5G憑借大帶寬、低時延和高可靠性的網(wǎng)絡(luò)能力，為網(wǎng)絡(luò)性能配置提供了靈活的配置空間，將會逐步成為滿足應(yīng)急通信不同場景需求的首選技術(shù)。提出了基于固定翼式無人機的5G應(yīng)急通信覆蓋解決方案，該方案通過無人機機載5G一體化基站，結(jié)合地面宏基站輔助實現(xiàn)組網(wǎng)。對無人機基站下行覆蓋與回傳鏈路預(yù)算進行仿真，結(jié)果表明，所提出的解決方案可以滿足偏遠地區(qū)和應(yīng)急通信的覆蓋需求。
中圖分類號： TN929.5
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209002
中文引用格式： 袁雪琪，云翔，李娜. 基于5G的固定翼無人機應(yīng)急通信覆蓋能力研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(2)：5-8，13.
英文引用格式： Yuan Xueqi，Yun Xiang，Li Na. Research on emergency coverage capability of fixed wing UAV based on 5G[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：5-8，13.
Research on emergency coverage capability of fixed wing UAV based on 5G
Yuan Xueqi1，Yun Xiang2，Li Na2
1.China Telecom Research Institute，Beijing 102209，China；2.Baicells Technologies Co.，Ltd.，Beijing 100044，China
Abstract： Country attaches great importance to the planning and construction of emergency communication network, especially with more attention paid to the UAV(Unmanned Aerial Vehicle) emergency communication technology research. Relative to the 4G network characteristics of the "Try best", 5G with large bandwidth, low latency and high reliability of network capacity,provides a flexible configuration space for performance of a network configuration, and will gradually become the preferred technology meet the demand of emergency communication different scenarios. UAV is proposed in this paper, based on fixed wing type 5G of emergency communication coverage solution. The solution achieves network through the integration of UAV airborne 5G base stations, combined with ground acer station auxiliary. UAV base station downlink coverage and back link budget are simulated，the results show that the proposed solution can meet the demand of remote areas and emergency communication coverage.
Key words : fixed-wing drone；emergency communication；5G；UAV

0 引言

    地面通信系統(tǒng)常常由于自然力侵蝕、人為破壞、年久老化導致設(shè)備性能下降等多種因素，影響其穩(wěn)定性和可靠性，其移動性與靈活性較差，難以滿足應(yīng)急通信的要求[1-2]。因此，高靈活性、高可靠性的應(yīng)急通信措施成為通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

    我國政府為保證并推進我國應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，成立了國家應(yīng)急管理部，啟動天地一體的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)。為響應(yīng)國家號召，國內(nèi)三大運營商積極開展應(yīng)急通信保障研究。傳統(tǒng)應(yīng)急通信通常采用應(yīng)急通信車方式，應(yīng)急通信車具有較高的機動性與穩(wěn)定性，是應(yīng)急通信設(shè)備中的重要組成部分。但在塌方、山體滑坡、地震、海域覆蓋等極端場景，通信車輛難以及時部署；同時，由于應(yīng)急通信車桅桿升降高度限制，導致天線投射面積有限。因此，單一應(yīng)急通信措施難以滿足全方面的應(yīng)急通信的需要[3]。隨著無人機技術(shù)發(fā)展，特別是無人機的飛行高度、移動半徑、續(xù)航和載重等能力的大幅提升，通過無人機搭載基站具備了可行性。此外，無人機基站具有高可靠的視距鏈路和靈活部署的能力，使得無人機組網(wǎng)技術(shù)在未來應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中具有廣闊前景[4-5]。

    5G是面向2020年以后移動通信需求而發(fā)展起來的新一代移動通信系統(tǒng)，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G系統(tǒng)獲得大幅提升。用戶在享受更高、更快、更豐富的體驗的同時，也對網(wǎng)絡(luò)速率和時延等性能指標提出更高的要求。相對于4G“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)特性，5G大帶寬(0～10 Gb/s)、低時延(1～100 ms)和高可靠性(0～99.999 9%)等能力，為網(wǎng)絡(luò)性能配置提供了靈活的配置空間。因此，基于5G的應(yīng)急系統(tǒng)將會逐步成為滿足應(yīng)急通信不同場景需求的首選技術(shù)。

    本文將基于5G技術(shù)，對固定翼式無人機機載系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)進行研究[6-7]，重點對該架構(gòu)下的固定翼無人機覆蓋和回傳能力進行分析，并給出相應(yīng)結(jié)論。

1 組網(wǎng)架構(gòu)

1.1 無人機平臺選擇

    應(yīng)急通信對無人機平臺的要求主要包括：

    (1)續(xù)航時長：由于應(yīng)急通信場景的需要，續(xù)航時間超過20小時將更具有實用性；

    (2)快速部署：鑒于應(yīng)急通信事件突發(fā)的特點，需要在出現(xiàn)突發(fā)情況時在盡量短的時間內(nèi)開始運作；

    (3)運輸便捷：鑒于應(yīng)急事件發(fā)生地點的不確定性，需要在短時間內(nèi)將設(shè)備運輸至突發(fā)事件發(fā)生地點；

    (4)載荷較大：鑒于應(yīng)急通信需求的復雜性，需要平臺具有較大起飛重量，可以搭載多種應(yīng)急通信設(shè)備；

    (5)滯空穩(wěn)定：具有較好的滯空懸停能力，提供較為穩(wěn)定的信號覆蓋；

    (6)經(jīng)濟使用：在降低制造和運營成本的同時，具有較好的使用可靠性。

    無人機包括民用級無人機和專業(yè)級無人機兩種類型。民用無人機載荷較小，自帶蓄電池的設(shè)計在保證機體輕便的同時也使得飛行時間通常在20～70 min，無法滿足應(yīng)急通信保障的需求。專業(yè)無人機主要包括旋翼無人機、系留式無人機和固定翼無人機3種類型。旋翼無人機具有便于操控、垂直起降和長時間懸停等優(yōu)勢，同時無人機結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸較小。系留式無人機系統(tǒng)以多旋翼無人機為平臺，通過專用電源和電纜實現(xiàn)供電和傳輸，可實現(xiàn)在一定載荷下長時間懸停，實現(xiàn)遠距離通信覆蓋。系留式無人機具有攜帶方便、開設(shè)迅速、操作簡單的特點，但負載有限(載荷為2～10 kg)，從而限制了其應(yīng)用范圍。固定翼無人機尺寸相對較大，操控相對復雜，同時有一定的起降受限，但其更高的飛行高度、更大的載荷重量(特別是近年來小型化的氫燃料電池逐步實用化)、更久的續(xù)航能力使得固定翼無人機更適合于大范圍的應(yīng)急通信保障。

1.2 機載系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

    機載系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)主要由無人機平臺、機載基站、回傳終端(Customer Premise Equipment，CPE)、現(xiàn)網(wǎng)宏站、安全網(wǎng)關(guān)和核心網(wǎng)組成，如圖1所示。

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    機載基站和回傳終端部署在無人機平臺上提供應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)網(wǎng)宏站的功能，安全網(wǎng)關(guān)主要用來提供數(shù)據(jù)解密、防火墻等功能，核心網(wǎng)主要用于用戶鑒權(quán)、接入管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。終端接入機載基站后，機載基站將數(shù)據(jù)進行加密，加密后的數(shù)據(jù)通過回傳CPE傳輸?shù)胶暾疽约昂诵木W(wǎng)的網(wǎng)關(guān)中，核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將加密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給安全網(wǎng)關(guān)后對數(shù)據(jù)進行解密，再通過核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)應(yīng)急通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w流程。

    機載基站建議采用專為無人機機載定制的5G一體化基站設(shè)備，其主要功能要求建議如下。

    (1)功能要求建議如表1所示。

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    (2)接口要求建議如表2所示。

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    (3)性能要求建議如表3所示。

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    (4)環(huán)境要求建議如表4所示。

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2 覆蓋能力分析

2.1 傳播模型

    無人機使用全向天線時，采用高空明區(qū)傳播計算模型,高空明區(qū)示意圖如圖2所示。無人機基站與用戶實際距離如圖3所示。

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    根據(jù)圖3和圖4所示，地球曲面無線視距的傳播距離可表示為：

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式中，ht為基站天線有效高度，單位為m；hr為用戶接收天線有效高度，單位為m；d為基站天線與用戶之間的有效接收距離，單位為km。

    其中，本文中的鏈路損耗模型為經(jīng)典自由空間傳播模型，其路徑損耗模型計算公式可以表示為：

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式中，f為無人機基站工作頻率，單位為MHz。

2.2 下行鏈路預(yù)算參數(shù)

    固定翼無人機覆蓋鏈路預(yù)算參數(shù)如表5所示。

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2.3 回傳鏈路預(yù)算參數(shù)

    固定翼無人機回傳鏈路預(yù)算參數(shù)如表6所示。

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2.4 覆蓋能力分析

    基于傳播模型以及下行與回傳鏈路預(yù)算參數(shù)，相應(yīng)的預(yù)算結(jié)果如圖4所示。

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    固定翼無人機的覆蓋結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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    由鏈路預(yù)算結(jié)果可以看出：

    (1)無人機覆蓋能力：采用5G n1 2.1 GHz頻點時，基于5 MHz帶寬2×10 W機載一體化基站進行覆蓋，假設(shè)地面終端UE的目標RSRP為-105 dBm，升空高度為200 m的地面覆蓋半徑超過2.3 km；

    (2)無人機回傳能力：使用4G 800 MHz宏基站作為無人機回傳基站，假設(shè)4G宏基站總功率為2×20 W，使用5 MHz工作帶寬，宏站與經(jīng)過無人機搭載的4G回傳CPE的覆蓋半徑大于10.7 km，升空高度為200 m的回傳CPE距離宏站的地面覆蓋半徑為9.9 km，可滿足約340 km2范圍內(nèi)的語音與數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)使用。

    由圖6和圖7可以看出：

    (1)對于2.1 GHz頻段5 MHz帶寬的5G一體化基站通過無人機平臺搭載后，當覆蓋區(qū)域內(nèi)達到邊緣-105 dBm左右的覆蓋水平時，隨著基站發(fā)射功率的增加，邊緣用戶接收功率逐漸增大，對于目標RSRP來說，基站下行覆蓋范圍逐漸增大，由2×1 W功率下的0.9 km覆蓋半徑最大到2×20 W的半徑3.5 km覆蓋，可最大滿足40 km2內(nèi)用戶語音與數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)使用需求。

    (2)在地面4G宏基站輔助下，800 MHz頻段的回傳CPE隨著發(fā)射功率從2×1 W逐漸增大至2×20 W時，其覆蓋半徑由2 km擴大到9 km左右，最大可滿足240 km2以內(nèi)的用戶需求。

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3 結(jié)論

    本文提出了基于固定翼式無人機的5G應(yīng)急通信覆蓋解決方案，該方案通過無人機機載5G一體化基站，結(jié)合地面宏基站輔助實現(xiàn)組網(wǎng)。無人機基站下行覆蓋與回傳鏈路預(yù)算的仿真結(jié)果表明，固定翼無人機搭載一體化基站設(shè)備的方案在原有宏站覆蓋半徑10.7 km的基礎(chǔ)上，進一步將覆蓋半徑提升2.3 km，達到13 km，總覆蓋面積約530 km2。該方案可以滿足偏遠地區(qū)覆蓋和應(yīng)急通信的基本需求。

參考文獻

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作者信息:

袁雪琪1，云  翔2，李  娜2

(1.中國電信股份有限公司研究院，北京102209；2.北京佰才邦技術(shù)有限公司，北京100044)

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