当无人机遇上移动5G
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无线通信在过去20年经历了突飞猛进的发展，从以话音为主的2G时代，发展到以数据为主的3G和4G时代，目前正在步入万物互联的5G时代。移动网络在继续丰富人们的沟通和生活的同时，也向全行业数字化转型提供能力，提高各行业的运作效率和服务质量。5G以全新的网络架构，提供10Gbps以上的带宽、毫秒级时延、超高密度连接，实现网络性能新的跃升。ITU定义了5G三大场景：增强移动带宽（Enhanced Mobile Broadband,以下简称eMBB）、超高可靠低时延通信（Ultr a-Reliable Low-latency Communications，以下简称uRLLC）、大规模机器类通信（Massive Machine-Type Communications，以下简称mMTC）。
无人机行业高速发展的同时，也对无人机通信链路提出了新需求，呈现出与蜂窝移动通信技术紧密结合的发展趋势，形成“网联无人机”。在即将到来的5G时代，5G蜂窝移动通信技术与无人机的结合使得这些原本难以想象的想法成为可能。中国信息通信研究院联合各单位发布了《5G无人机应用白皮书》，展示出未来5G网络对无人机需求的满足度以及5G网络下网联无人机的应用案例。
联合发布单位：
中国移动通信集团
中国联通通信集团网络技术研究院
中国电信股份有限公司华为技术有限公司
中国信科集团·大唐移动通信设备有限公司
中兴通讯股份有限公司
大疆创新科技有限公司
易瓦特科技股份公司
中国科学院计算机网络信息中心
5G网络通过提供人人通信、人机通信和机器之间通信的多种方式，支持移动因特网和物联网的多种应用场景。同时，5G网络通过提供多样化业务需求和业务特征的能力，适应不同应用场景的灵活性和多样化的业务需求，如超宽带、超低时延、海量连接、超高可靠性等。以业务为中心，高效灵活地提供最佳用户体验，是5G网络系统设计的指导目标。
5G网络能力图
5G超高速、超低时延和超高可靠性的显著特征，将不仅提升人类通信体验，还将拓展智能制造、车联网、智能物流、无线家庭宽带接入等行业应用，承担着推进全社会数字化进程的使命。5G的空中接口和系统架构以革命性的创新设计支持超大带宽、多连接以及低时延高可靠性等极致体验。
前几代无线网络的特点是有固定的接入参数和频谱资源块，以低频为主；5G网络允许使用全频谱（低频+高频）和创新的新空口和架构来提供最佳通信服务。
5G在容量方面，5G通信技术将比4G实现单位面积移动数据流量增长1000倍；在传输速率方面，单用户典型数据速率提升10到100倍，峰值传输速率可达10Gbps（相当于4G网络速率的100倍）；端到端时延缩短5倍；在可接入性方面：可联网设备的数量增加10到100倍；在可靠性和能耗方面：每比特能源消耗应降至千分之一，低功率电池续航时间增加10倍。
凭借5G无限的发展潜力，蜂窝技术为无人机带来了全新级别的高可靠性、强大的安全性、无处不在的覆盖和无缝的移动性。
5G网联无人机网络整体解决方案
5G网联无人机的无人机终端和地面控制终端均通过5G网络进行数据传输和控制指令传输，并通过业务服务器加载各类场景的应用。其中5G网络提供了从无线网到核心网的整体网络解决方案，以适配之前提到的各种复杂应用场景的网络实现。
5G网络对无人机应用通信需求满足度
5G新空口技术包括采用大规模多天线,新频谱(引入C波段，毫米波频段)、新编码(Polar码，LDPC码)、新的帧结构(新子帧结构，自包含子帧)、灵活Numerology、新的物理信号设计。5G采用大规模多天线技术，采用更窄的波束精确对准服务的无人机和地面终端，增强有用信号，并减少小区内和小区间干扰，减少无人机低空上下行干扰，提升对低空的覆盖能力。5G以用户级下行导频替代小区级下行导频，降低了无人机在低负载网络下受到的下行干扰。
5G灵活Numerology在时域、频域、码域、空域、功率域等采用灵活的资源调度来减少无人机的上下行干扰。
5G空口云化包括上下行解耦技术以及以用户为中心网络技术，上下行解耦打破上下行绑定与同一频段的传统限制，以5G高频段与4G中低频共站部署增强小区覆盖，5G下行传输利用高频段，上行传输与4G的低频段进行频谱共享，根据4G空闲程度灵活分配给5G上行使用，实现5G覆盖增强。以用户为中心网络，突破用户与小区绑定的传统架构，联合优选多个物理小区链路随时随地适配用户体验，有效提升有用信号、降低信号衰落和干扰。同时因上层逻辑小区唯一识别，可成功减少小区间切换，提升无人机在空中的移动性和覆盖。
以业务为中心的云化架构，基于软件定义网络(Software Defined Network,以下简称SDN)和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，以下简称NFV）的网络将实现更灵活的开放和应用创新，为了满足多种行业多样化的业务需求，按需实现网络切片资源分配，为不同切片提供相应的QoS保障。网络切片使得一张5G网络上同时承载无人机大带宽、低时延、高可靠的多种不同应用。
比较4G网络，5G网络能力满足了绝大部分无人机的应用场景的通信需求，无人机的联网，已经先在4G网络中实现了部分应用，用5G能够做得更好、更完善，网联无人机将驱动多类场景应用升级。为满足自主飞行、编队等未来更加自动化和智能化的无人机应用需求，将对移动通信网络的能力提出更高的要求。
5G具备的超高带宽、低时延高可靠、广覆盖大连接特性，与网络切片、边缘计算能力结合，将进一步拓展无人机的应用场景，使能低空数字化经济。在国内，无人机结合5G的试点应用已经悄然起步。我么来看看5G+无人机在测绘地理信息方面的应用。
在安防场景中，需要无人机实现高清视频实时传输、远程控制等功能，这些功能都需要通过网络连接来支撑。具体来说，无人机安防监控的典型网络需求包括：实时视频传输（多路）、飞行状态监控、远程操控以及网络定位。
基于5G的无人机城市安防系统
在传输速率方面，当前安防业务通常使用1080P视频实时传输，随着安防业务对视频清晰度要求的逐渐提升，需要实现4K、8K高清视频的实时传输，对5G网络提出上行30-120Mbps的传输速率需求，时延方面，在未来远程操控时延要求100ms以下，对应的无线网络侧时延要求约为20ms，对未来网络建设能力提出更高要求。
5G网络的大带宽、低时延实时视频流回传至控制中心,融合AI深度学习能力，快速视频分析实现多手段的目标锁定及实时跟踪监控，控制中心能通过5G网络向无人机飞行控制系统发送控制指令，极大地提升传统无人机用于安防场景的效率。方案实现示意图如上图所示：
无人机与5G结合实现多种功能，达到全方位无死角的安防布控：
一是控制中心人员通过VR眼镜的4K高清视频呈现实时观看和与地面安防设备的同步联动，优势互补，最大化安防场景能力;
二是控制中心人员通过VR眼镜、PAD等地面控制终端经由5G网络远程控制无人机机载摄像头的转向、无人机的飞行状态及路线，进一步追踪锁定目标；
三是无人机对突发安防场景问题的预判以及自动识别的目标实现进行自动跟踪。
通过智能无人机飞行平台以及5G蜂窝网络能力的有效引入，促进了传统安防产业向天地一体化协同作战的方向转型以及多场景安防能力的智慧升级，必将作为一种新型的安防解决方案模式得到更加广泛的应用，从而促进传统安防服务商的智慧升级，并带动整个产业的发展。
电力设备中输电线路一般位于崇山峻岭、无人区居多，人工巡视检查设备缺陷的效率较低，因蛇、虫、蚁等小动物咬伤员工的事件也屡见不鲜；另外，输电铁塔、导线、绝缘子等设备位处高空，应用无人机巡查，既能避免高空爬塔作业的安全风险，亦可以360°全视角查看设备细节情况，提高巡视质量。而当前的4G网络只能支持1K的图传，对于某些细节检查，视频和图片的清晰度明显不足，而5G网络可实现上行单用户体验速率100Mbps以上，空口时延10ms，将使得实时视频更加流畅、更加清晰、巡查效果更优。
多旋翼无人机可分别或者组合搭载高清变焦相机、红外相机、夜视相机、激光雷达等多种传感器，传感器通过连入5G网络的CPE将视频流通过上行链路传输到流媒体服务器中，用户再通过PC从该服务器拉流观看巡查，实现电力线巡查高清视频的即拍即传。
在移动通信系统中，空间无线信号的发射和接收都是依靠移动基站天线来实现的。基站天线的工参主要有挂高、俯仰角、方位角和位置经纬度，这些参数对基站的电磁覆盖有决定性的影响，无线网络的运行质量也与天线参数的正确性密切相关。因此，基站天线工参定期检测工作是移动通信系统维护工作最基本、最重要的工作之一。常规的人工攀爬基站巡检受到多方面包括天气、环境、仪表、人员操作等因素的影响，造成人工巡检效率较低，无法按时完成任务。通过5G网联无人机基站巡检方式，在降低了人工劳动强度的同时也降低了人工登塔作业安全风险，提高了巡检效率的同时也节省了时间成本。网联无人机采集、拍摄基站数据并回传数据至主服务器，人工对数据进行处理，并编辑生成报告。
巡检生成的数据量大，4G或传统微波电台无法进行实时数据传输，只能后期进行数据处理。由于测量误差要求较高，故应配备高精度定位模块，需利用5G高带宽、低时延、高可靠性特点，对采集数据进行高精度定位。通过5G网络可将网联无人机连入无人机管理云平台，可对多架基站巡检无人机进行实时监控。
无人机在水务方面的应用越来越广泛，如水质监测、日常巡查、水文数据获取、防汛抗洪、水土保持监测等等。
网联无人机水质监测是在水务方面的创新性应用。无人机荷载多光谱相机进行水体地物光谱采集，利用采集的多光谱影像，通过自主研发的聚类分析算法，对多光谱遥感影像数据进行针对水质特征的影像聚类分析，得出水质状况定性结论。结合抽样水样检测数据获得定量数据，综合分析，可总体掌握监测水域的水质状况。
该应用要求上行速率50Mbps，在150m飞行高度上，通过使用具备垂直波束调整能力的大规模天线，有能力达到50Mbps上行速率；在300m-500m飞行高度上，要达到50Mbps上行速率，对5G网络覆盖部署提出了较高要求，可以考虑引入低频上行载波、增加上行时隙配比以及调整天线下倾角度等增强手段解决。
相比监测站点加人工排查的方案，利用网联无人机获取水文水质数据，覆盖面积广、成本更低、效率更高，能实现全流域的实时动态水质监测和强大的水文水质数据获取能力，拥有广阔的市场发展前景。
近年来，国内外的主要物流企业纷纷开始布局无人机配送业务，以实现节省人力、降低成本的目的。通过5G网络，可以实现物流无人机状态的实时监控、远程调度与控制。在无人机工作过程中，借助5G网络大带宽传输能力，实时回传机载摄像头拍摄的视频，以便地面人员了解无人机的工作状态。同时，地面人员可通过5G网络低时延的特性，远程控制无人机的飞行路线。此外，结合人工智能技术，无人机可以根据飞行任务计划及实时感知的周边环境情况，自动规划飞行路线。
我国幅员辽阔，多样的环境和气候特征使得各种自然灾害时有发生，因此，灾后的救援工作尤其重要。利用无人机灵活性强的特点，当灾害发生时，使用搭载通信基站的无人机，基于规划的路线飞行，触发受灾被困人员手机接入机载基站网络，实现对被困人员通信设备的主动定位，确认被困人员的位置及身份信息。同时利用5G网络的大带宽传输能力，通过机载摄像头实时拍摄并回传现场高清视频画面，结合边缘计算能力与AI技术，实现快速的人员识别及周边环境分析，便于救援人员针对性地开展营救工作。通过该产品与传统搜救方式的结合，可有效降低搜寻时间，保证被困人员能够在第一时间得到有效救助，最大程度地减少人员伤亡，具有显著的社会效益。
野外科学观测是指在野外条件下通过对生态环境、动植物的指标要素进行长期采集、数据积累和测定，确定其变化趋势，帮助科研人员进行研究，是生态学、气象学等领域的基本研究手段。野外科学观测地点普遍远离城市，通过应用多种传感器、视频监控设备、数据采集器、通信网络等基础设施，能够实现科研数据的采集、存储、传输，形成信息化的研究环境。然而，在广域的青藏高原冰川、内蒙古草原、新疆戈壁等环境下，建立监测系统需要的成本较高。
无人机基于规划路线飞行，可实现广覆盖、低成本的视频数据和遥感数据的采集。5G网络增加监测视频数据和遥感数据的上行传输速率，并降低空口时延，提高野外科学观测的效率。结合5G网络的大带宽和低延迟高可靠性能，实现科学观测系统原始数据、视频数据的实时观测。如：气象领域高频的原始流数
据采样频率较高（10Hz），基于LTE网络实现实时数据传输困难。另外在观测系统架构中，通过边缘计算在本地筛选并计算有效数据，剔除重复和无效数据，提高系统工作效率。当前，无人机与无线通信跨界融合的需求与趋势已经有目共睹，无人机5G应用的产业生态从无人机应用场景和通信需求、终端通信能力、无线技术等方面也初步成熟。未来，我们希望通过无人机5G应用领域的持续创新，促进无人机在物流、巡检、安防、救援、测绘、农业植保、直播、编队飞行甚至自主飞行等场景的网联化智能化建设，提升航拍、送货、勘探等各种各样的个人及行业业务体验，构成一个全新的、丰富多彩的“网联天空”。
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