無人駕駛航空器（Unmanned Aerial Vehicle，以下簡稱UAV）簡稱為無人機(jī)，其全球市場在過去十年中大幅增長，現(xiàn)在已經(jīng)成為商業(yè)、政府和消費(fèi)應(yīng)用的重要工具。無人機(jī)能夠支持諸多領(lǐng)域的解決方案，可以廣泛應(yīng)用于建筑、石油、天然氣、能源、公用事業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。指紋模塊軟板小編了解到，當(dāng)前無人機(jī)技術(shù)正在朝軍民融合的方向高速發(fā)展，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)是國際航空航天最具活力的新興市場，成了各國經(jīng)濟(jì)增長的亮點(diǎn)。

  無線通信在過去20年經(jīng)歷了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從以話音為主的2G時(shí)代，發(fā)展到以數(shù)據(jù)為主的3G和4G時(shí)代，目前正在步入萬物互聯(lián)的5G時(shí)代。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在繼續(xù)豐富人們的溝通和生活的同時(shí)，也向全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供能力，提高各行業(yè)的運(yùn)作效率和服務(wù)質(zhì)量。5G以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供10Gbps以上的帶寬、毫秒級時(shí)延、超高密度連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能新的躍升。ITU定義了5G三大場景：增強(qiáng)移動(dòng)帶寬（Enhanced Mobile Broadband，以下簡稱eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（Ultr a-Reliable Low-latency Communications，以下簡稱uRLLC）、大規(guī)模機(jī)器類通信（Massive Machine-Type CommunicaTIons，以下簡稱mMTC）。

  無人機(jī)行業(yè)高速發(fā)展的同時(shí)，也對無人機(jī)通信鏈路提出了新需求，呈現(xiàn)出與蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)緊密結(jié)合的發(fā)展趨勢，形成“網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)”。在即將到來的5G時(shí)代，5G蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)與無人機(jī)的結(jié)合使得這些原本難以想象的想法成為可能。中國信息通信研究院聯(lián)合各單位發(fā)布了《5G無人機(jī)應(yīng)用白皮書》，展示出未來5G網(wǎng)絡(luò)對無人機(jī)需求的滿足度以及5G網(wǎng)絡(luò)下網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的應(yīng)用案例。

5G網(wǎng)絡(luò)能力

  5G網(wǎng)絡(luò)通過提供人人通信、人機(jī)通信和機(jī)器之間通信的多種方式，支持移動(dòng)因特網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的多種應(yīng)用場景。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)通過提供多樣化業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)特征的能力，適應(yīng)不同應(yīng)用場景的靈活性和多樣化的業(yè)務(wù)需求，如超寬帶、超低時(shí)延、海量連接、超高可靠性等。以業(yè)務(wù)為中心，高效靈活地提供最佳用戶體驗(yàn)，是5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)目標(biāo)。

5G網(wǎng)絡(luò)能力圖

  5G超高速、超低時(shí)延和超高可靠性的顯著特征，將不僅提升人類通信體驗(yàn)，還將拓展智能制造、車聯(lián)網(wǎng)、智能物流、無線家庭寬帶接入等行業(yè)應(yīng)用，承擔(dān)著推進(jìn)全社會(huì)數(shù)字化進(jìn)程的使命。5G的空中接口和系統(tǒng)架構(gòu)以革命性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)支持超大帶寬、多連接以及低時(shí)延高可靠性等極致體驗(yàn)。

  前幾代無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是有固定的接入?yún)?shù)和頻譜資源塊，以低頻為主；5G網(wǎng)絡(luò)允許使用全頻譜（低頻+高頻）和創(chuàng)新的新空口和架構(gòu)來提供最佳通信服務(wù)。

  5G在容量方面，5G通信技術(shù)將比4G實(shí)現(xiàn)單位面積移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長1000倍；在傳輸速率方面，單用戶典型數(shù)據(jù)速率提升10到100倍，峰值傳輸速率可達(dá)10Gbps（相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)速率的100倍）；端到端時(shí)延縮短5倍；在可接入性方面：可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量增加10到100倍；在可靠性和能耗方面：每比特能源消耗應(yīng)降至千分之一，低功率電池續(xù)航時(shí)間增加10倍。

  憑借5G無限的發(fā)展?jié)摿?，蜂窩技術(shù)為無人機(jī)帶來了全新級別的高可靠性、強(qiáng)大的安全性、無處不在的覆蓋和無縫的移動(dòng)性。

5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)整體解決方案

  5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的無人機(jī)終端和地面控制終端均通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸，并通過業(yè)務(wù)服務(wù)器加載各類場景的應(yīng)用。其中5G網(wǎng)絡(luò)提供了從無線網(wǎng)到核心網(wǎng)的整體網(wǎng)絡(luò)解決方案，以適配之前提到的各種復(fù)雜應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

5G網(wǎng)絡(luò)對無人機(jī)應(yīng)用通信需求滿足度

  5G新空口技術(shù)包括采用大規(guī)模多天線，新頻譜（引入C波段，毫米波頻段）、新編碼（Polar碼，LDPC碼）、新的幀結(jié)構(gòu)（新子幀結(jié)構(gòu)，自包含子幀）、靈活Numerology、新的物理信號設(shè)計(jì)。軟板廠獲悉，5G采用大規(guī)模多天線技術(shù)，采用更窄的波束精確對準(zhǔn)服務(wù)的無人機(jī)和地面終端，增強(qiáng)有用信號，并減少小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾，減少無人機(jī)低空上下行干擾，提升對低空的覆蓋能力。5G以用戶級下行導(dǎo)頻替代小區(qū)級下行導(dǎo)頻，降低了無人機(jī)在低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)下受到的下行干擾。

  5G靈活Numerology在時(shí)域、頻域、碼域、空域、功率域等采用靈活的資源調(diào)度來減少無人機(jī)的上下行干擾。

  5G空口云化包括上下行解耦技術(shù)以及以用戶為中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，上下行解耦打破上下行綁定與同一頻段的傳統(tǒng)限制，以5G高頻段與4G中低頻共站部署增強(qiáng)小區(qū)覆蓋，5G下行傳輸利用高頻段，上行傳輸與4G的低頻段進(jìn)行頻譜共享，根據(jù)4G空閑程度靈活分配給5G上行使用，實(shí)現(xiàn)5G覆蓋增強(qiáng)。以用戶為中心網(wǎng)絡(luò)，突破用戶與小區(qū)綁定的傳統(tǒng)架構(gòu)，聯(lián)合優(yōu)選多個(gè)物理小區(qū)鏈路隨時(shí)隨地適配用戶體驗(yàn)，有效提升有用信號、降低信號衰落和干擾。同時(shí)因上層邏輯小區(qū)唯一識別，可成功減少小區(qū)間切換，提升無人機(jī)在空中的移動(dòng)性和覆蓋。

  以業(yè)務(wù)為中心的云化架構(gòu)，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，以下簡稱SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network FuncTIon VirtualizaTIon，以下簡稱NFV）的網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)更靈活的開放和應(yīng)用創(chuàng)新，為了滿足多種行業(yè)多樣化的業(yè)務(wù)需求，按需實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片資源分配，為不同切片提供相應(yīng)的QoS保障。網(wǎng)絡(luò)切片使得一張5G網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)承載無人機(jī)大帶寬、低時(shí)延、高可靠的多種不同應(yīng)用。

  比較4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)能力滿足了絕大部分無人機(jī)的應(yīng)用場景的通信需求，無人機(jī)的聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)先在4G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了部分應(yīng)用，用5G能夠做得更好、更完善，網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)將驅(qū)動(dòng)多類場景應(yīng)用升級。為滿足自主飛行、編隊(duì)等未來更加自動(dòng)化和智能化的無人機(jī)應(yīng)用需求，將對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的能力提出更高的要求。

5G應(yīng)用案例

  5G具備的超高帶寬、低時(shí)延高可靠、廣覆蓋大連接特性，與網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算能力結(jié)合，將進(jìn)一步拓展無人機(jī)的應(yīng)用場景，使能低空數(shù)字化經(jīng)濟(jì)。在國內(nèi)，無人機(jī)結(jié)合5G的試點(diǎn)應(yīng)用已經(jīng)悄然起步。我么來看看5G+無人機(jī)在測繪地理信息方面的應(yīng)用。

1、城市、園區(qū)安防

  在安防場景中，需要無人機(jī)實(shí)現(xiàn)高清視頻實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程控制等功能，這些功能都需要通過網(wǎng)絡(luò)連接來支撐。具體來說，無人機(jī)安防監(jiān)控的典型網(wǎng)絡(luò)需求包括：實(shí)時(shí)視頻傳輸（多路）、飛行狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控以及網(wǎng)絡(luò)定位。

基于5G的無人機(jī)城市安防系統(tǒng)

  在傳輸速率方面，當(dāng)前安防業(yè)務(wù)通常使用1080P視頻實(shí)時(shí)傳輸，隨著安防業(yè)務(wù)對視頻清晰度要求的逐漸提升，需要實(shí)現(xiàn)4K、8K高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸，對5G網(wǎng)絡(luò)提出上行30-120Mbps的傳輸速率需求，時(shí)延方面，在未來遠(yuǎn)程操控時(shí)延要求100ms以下，對應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)時(shí)延要求約為20ms，對未來網(wǎng)絡(luò)建設(shè)能力提出更高要求。

  5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延實(shí)時(shí)視頻流回傳至控制中心，融合AI深度學(xué)習(xí)能力，快速視頻分析實(shí)現(xiàn)多手段的目標(biāo)鎖定及實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控，控制中心能通過5G網(wǎng)絡(luò)向無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，極大地提升傳統(tǒng)無人機(jī)用于安防場景的效率。方案實(shí)現(xiàn)示意圖如上圖所示：

  無人機(jī)與5G結(jié)合實(shí)現(xiàn)多種功能，達(dá)到全方位無死角的安防布控：

  一是控制中心人員通過VR眼鏡的4K高清視頻呈現(xiàn)實(shí)時(shí)觀看和與地面安防設(shè)備的同步聯(lián)動(dòng)，優(yōu)勢互補(bǔ)，最大化安防場景能力;

  二是控制中心人員通過VR眼鏡、PAD等地面控制終端經(jīng)由5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制無人機(jī)機(jī)載攝像頭的轉(zhuǎn)向、無人機(jī)的飛行狀態(tài)及路線，進(jìn)一步追蹤鎖定目標(biāo)；

  三是無人機(jī)對突發(fā)安防場景問題的預(yù)判以及自動(dòng)識別的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。

  通過智能無人機(jī)飛行平臺以及5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)能力的有效引入，促進(jìn)了傳統(tǒng)安防產(chǎn)業(yè)向天地一體化協(xié)同作戰(zhàn)的方向轉(zhuǎn)型以及多場景安防能力的智慧升級，必將作為一種新型的安防解決方案模式得到更加廣泛的應(yīng)用，從而促進(jìn)傳統(tǒng)安防服務(wù)商的智慧升級，并帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2、電力巡檢

  電力設(shè)備中輸電線路一般位于崇山峻嶺、無人區(qū)居多，人工巡視檢查設(shè)備缺陷的效率較低，因蛇、蟲、蟻等小動(dòng)物咬傷員工的事件也屢見不鮮；另外，輸電鐵塔、導(dǎo)線、絕緣子等設(shè)備位處高空，應(yīng)用無人機(jī)巡查，既能避免高空爬塔作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，亦可以360°全視角查看設(shè)備細(xì)節(jié)情況，提高巡視質(zhì)量。而當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)只能支持1K的圖傳，對于某些細(xì)節(jié)檢查，視頻和圖片的清晰度明顯不足，而5G網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)上行單用戶體驗(yàn)速率100Mbps以上，空口時(shí)延10ms，將使得實(shí)時(shí)視頻更加流暢、更加清晰、巡查效果更優(yōu)。

  多旋翼無人機(jī)可分別或者組合搭載高清變焦相機(jī)、紅外相機(jī)、夜視相機(jī)、激光雷達(dá)等多種傳感器，傳感器通過連入5G網(wǎng)絡(luò)的CPE將視頻流通過上行鏈路傳輸?shù)搅髅襟w服務(wù)器中，用戶再通過PC從該服務(wù)器拉流觀看巡查，實(shí)現(xiàn)電力線巡查高清視頻的即拍即傳。

3、基站巡檢

  在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，空間無線信號的發(fā)射和接收都是依靠移動(dòng)基站天線來實(shí)現(xiàn)的?；咎炀€的工參主要有掛高、俯仰角、方位角和位置經(jīng)緯度，這些參數(shù)對基站的電磁覆蓋有決定性的影響，無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量也與天線參數(shù)的正確性密切相關(guān)。因此，基站天線工參定期檢測工作是移動(dòng)通信系統(tǒng)維護(hù)工作最基本、最重要的工作之一。

  常規(guī)的人工攀爬基站巡檢受到多方面包括天氣、環(huán)境、儀表、人員操作等因素的影響，造成人工巡檢效率較低，無法按時(shí)完成任務(wù)。柔性電路板廠發(fā)現(xiàn)，通過5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)基站巡檢方式，在降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)也降低了人工登塔作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了巡檢效率的同時(shí)也節(jié)省了時(shí)間成本。網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)采集、拍攝基站數(shù)據(jù)并回傳數(shù)據(jù)至主服務(wù)器，人工對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并編輯生成報(bào)告。

  巡檢生成的數(shù)據(jù)量大，4G或傳統(tǒng)微波電臺無法進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，只能后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于測量誤差要求較高，故應(yīng)配備高精度定位模塊，需利用5G高帶寬、低時(shí)延、高可靠性特點(diǎn)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度定位。通過5G網(wǎng)絡(luò)可將網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)連入無人機(jī)管理云平臺，可對多架基站巡檢無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4、無人機(jī)水務(wù)

  無人機(jī)在水務(wù)方面的應(yīng)用越來越廣泛，如水質(zhì)監(jiān)測、日常巡查、水文數(shù)據(jù)獲取、防汛抗洪、水土保持監(jiān)測等等。

  網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)水質(zhì)監(jiān)測是在水務(wù)方面的創(chuàng)新性應(yīng)用。無人機(jī)荷載多光譜相機(jī)進(jìn)行水體地物光譜采集，利用采集的多光譜影像，通過自主研發(fā)的聚類分析算法，對多光譜遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行針對水質(zhì)特征的影像聚類分析，得出水質(zhì)狀況定性結(jié)論。結(jié)合抽樣水樣檢測數(shù)據(jù)獲得定量數(shù)據(jù)，綜合分析，可總體掌握監(jiān)測水域的水質(zhì)狀況。

  該應(yīng)用要求上行速率50Mbps，在150m飛行高度上，通過使用具備垂直波束調(diào)整能力的大規(guī)模天線，有能力達(dá)到50Mbps上行速率；在300m-500m飛行高度上，要達(dá)到50Mbps上行速率，對5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋部署提出了較高要求，可以考慮引入低頻上行載波、增加上行時(shí)隙配比以及調(diào)整天線下傾角度等增強(qiáng)手段解決。

  相比監(jiān)測站點(diǎn)加人工排查的方案，利用網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)獲取水文水質(zhì)數(shù)據(jù)，覆蓋面積廣、成本更低、效率更高，能實(shí)現(xiàn)全流域的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)水質(zhì)監(jiān)測和強(qiáng)大的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)獲取能力，擁有廣闊的市場發(fā)展前景。

5、無人機(jī)物流配送

  近年來，國內(nèi)外的主要物流企業(yè)紛紛開始布局無人機(jī)配送業(yè)務(wù)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)省人力、降低成本的目的。通過5G網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)物流無人機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)度與控制。在無人機(jī)工作過程中，借助5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬傳輸能力，實(shí)時(shí)回傳機(jī)載攝像頭拍攝的視頻，以便地面人員了解無人機(jī)的工作狀態(tài)。同時(shí)，地面人員可通過5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延的特性，遠(yuǎn)程控制無人機(jī)的飛行路線。此外，結(jié)合人工智能技術(shù)，無人機(jī)可以根據(jù)飛行任務(wù)計(jì)劃及實(shí)時(shí)感知的周邊環(huán)境情況，自動(dòng)規(guī)劃飛行路線。

6、無人機(jī)應(yīng)急通信及救援

  我國幅員遼闊，多樣的環(huán)境和氣候特征使得各種自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，因此，災(zāi)后的救援工作尤其重要。利用無人機(jī)靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，使用搭載通信基站的無人機(jī)，基于規(guī)劃的路線飛行，觸發(fā)受災(zāi)被困人員手機(jī)接入機(jī)載基站網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對被困人員通信設(shè)備的主動(dòng)定位，確認(rèn)被困人員的位置及身份信息。

  同時(shí)利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬傳輸能力，通過機(jī)載攝像頭實(shí)時(shí)拍攝并回傳現(xiàn)場高清視頻畫面，結(jié)合邊緣計(jì)算能力與AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速的人員識別及周邊環(huán)境分析，便于救援人員針對性地開展?fàn)I救工作。通過該產(chǎn)品與傳統(tǒng)搜救方式的結(jié)合，可有效降低搜尋時(shí)間，保證被困人員能夠在第一時(shí)間得到有效救助，最大程度地減少人員傷亡，具有顯著的社會(huì)效益。

7、野外科學(xué)觀測

  野外科學(xué)觀測是指在野外條件下通過對生態(tài)環(huán)境、動(dòng)植物的指標(biāo)要素進(jìn)行長期采集、數(shù)據(jù)積累和測定，確定其變化趨勢，幫助科研人員進(jìn)行研究，是生態(tài)學(xué)、氣象學(xué)等領(lǐng)域的基本研究手段。野外科學(xué)觀測地點(diǎn)普遍遠(yuǎn)離城市，通過應(yīng)用多種傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)備、數(shù)據(jù)采集器、通信網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)科研數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸，形成信息化的研究環(huán)境。然而，在廣域的青藏高原冰川、內(nèi)蒙古草原、新疆戈壁等環(huán)境下，建立監(jiān)測系統(tǒng)需要的成本較高。

  無人機(jī)基于規(guī)劃路線飛行，可實(shí)現(xiàn)廣覆蓋、低成本的視頻數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的采集。5G網(wǎng)絡(luò)增加監(jiān)測視頻數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的上行傳輸速率，并降低空口時(shí)延，提高野外科學(xué)觀測的效率。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬和低延遲高可靠性能，實(shí)現(xiàn)科學(xué)觀測系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測。如：氣象領(lǐng)域高頻的原始流數(shù)

  據(jù)采樣頻率較高（10Hz），基于LTE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸困難。另外在觀測系統(tǒng)架構(gòu)中，通過邊緣計(jì)算在本地篩選并計(jì)算有效數(shù)據(jù)，剔除重復(fù)和無效數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)工作效率。當(dāng)前，無人機(jī)與無線通信跨界融合的需求與趨勢已經(jīng)有目共睹，無人機(jī)5G應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)生態(tài)從無人機(jī)應(yīng)用場景和通信需求、終端通信能力、無線技術(shù)等方面也初步成熟。

  未來，我們希望通過無人機(jī)5G應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，促進(jìn)無人機(jī)在物流、巡檢、安防、救援、測繪、農(nóng)業(yè)植保、直播、編隊(duì)飛行甚至自主飛行等場景的網(wǎng)聯(lián)化智能化建設(shè)，提升航拍、送貨、勘探等各種各樣的個(gè)人及行業(yè)業(yè)務(wù)體驗(yàn)，構(gòu)成一個(gè)全新的、豐富多彩的“網(wǎng)聯(lián)天空”。