基于5G的无人机技术和应用研究

基于5G的无人机技术和应用研究

发表时间：2019-12-12T16:45:58.640Z 来源：《基层建设》2019年第25期作者：杨华中

[导读] 摘要：目前，我国无人机技术水平不断提高，其应用范围也不断扩大，逐渐涉及航测、应急管理、船航等多个领域。

中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽省合肥市 230000

摘要：目前，我国无人机技术水平不断提高，其应用范围也不断扩大，逐渐涉及航测、应急管理、船航等多个领域。鉴于当前5G技术下无人机技术的广泛应用，文章结合实际情况对当前无人机技术展开分析和研究，希望能够为无人机技术的应用和发展提供一些支持。

关键词：无人机；技术应用；5G技术；无人机通讯

1无人机系统 概述

多旋翼无人机因结构简单、操作方便、维修成本不高，具有空中悬停、自动巡航、定点自动降落等诸多功能，可以作为相关管理部门监管航直通航工作的空中平台。无人机系统配置有图像采集和传输系统，可实现空中存储和实时回传两种模式，可以通过5G网络完成遥感控制和数据回传，作为无线监控设备，可融合到相关部门的视频监控系统中，作为视频监控的一环与其他监控设备配合使用，方便搭载，可配合移动指挥、视频监控的效果，实现多方共同执行任务，可广泛应用于巡逻、地段监测、实施通讯数据采集等。无人机通过数字微波技术将视频实时传输到地面站。当地面站被放置到监控中心时，可以通过HDMI和CVBS视频输出接口将视频传输到显示器上进行显示。为了确保录像的安全性，无人机采集的信息除了通过5G网络回传至云服务器外，无人机的云台相机也可以内置SD卡，在某些环境下，当无线网络出现中断时也可以确保无人机所拍视频的完整性。

2基于5G关键技术与能力的网联无人机

无人机从军用开始扩展到民用，无人机的用途非常广泛，成本相对较低，使用方便，而且不存在人员伤亡的风险。目前5G作为新一代移动通信技术，以全新的网络架构，提供10Gbit/s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，将加速无人机网联化进程。一方面，5G提供高可靠、低时延、广覆盖的数据链系统，可助力形成民用无人机可识别、可监控、可追溯的技术管控体系，实现无人机一机一码的实名认证，实时联网接入无人机云系统，实现无人机飞行动态的实时监控，有助于解决当前面临的监管、安全、控制等关键性难题。另一方面，5G网络的大带宽、低时延、高可靠等特点能够有效满足行业无人机对高清图传、精准定位、远程实时控制等需求，加速无人机在各行业领域的普及和应用。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，以各种复杂应用场景的网络实现。5G网络将提供增强移动宽带（eMBB，enhancedMobileBroadband）、高可靠低时延（uRLLC，ultraReliableLowLatencyCommunications）能力，全面提升速率、时延、覆盖等网络性能指标。此外，通过引入大规模天线（mMIMO）、网络切片、移动边缘计算（MEC）等多项关键技术，将为无人机的覆盖和移动性增强、端到端业务质量保障、高效识别和管控等需求提供新的技术保障，从而全面保障智能化的网联无人机应用。

35G的无人机技术应用分析

3.1保障无人机无线通信

无人机一般通过遥控系统进行控制，民用无人机与遥控器之间的数据传输，通常采用低功耗蓝牙或WiFi技术，受发射功率限制，只能在不超过500米的视距范围进行数据传输，且传输图像最大分辨率不能超过1080p，极大限制了无人机在行业领域的广泛应用。IMT-2020（5G）推进组发布的《5G无人机应用白皮书》指出，4G能够满足现有的部分低速率、对时延不敏感的无人机应用需求，5G提供的大带宽、高可靠、低时延通信，能够很好地满足无人机行业应用需求。5G网络+边缘计算确保无人机行业应用传输需求。在普通的5G网络架构中，核心网部署位置高，传输需要经过多次路由，时延长，不能满足无人机超低时延的业务需求。一些区域性业务，全部放在云端处理并非完全有效，尤其是视频类业务，既导致传输带宽的浪费，又增加了传输时延。因此，传输时延和连接数量需求决定了5G业务的处理核心，不可能全放在核心网后端的云处理平台。边缘计算（MEC）使得运营商和第三方业务可以部署在靠近用户附着接入点的位置，通过降低时延和负载来实现高效的业务分发。边缘计算服务器部署在网络边缘，把无线网络和互联网有效融合在一起，同时在无线网络侧增加计算、存储、处理等功能，构建边缘云，提供信息技术服务环境和云计算能力，将业务本地化，让区域性业务不必浪费资源在云端进行处理。由于应用服务和内容部署在网络边缘，这样便可以减少数据传输中的转发次数和处理时间，降低端到端时延，满足低时延要求。结合5G网络和边缘计算，构建适合无人机无线传输和数据处理的网络架构，将确保无人机行业应用的高可靠和低时延性。

3.2基于5G的无人机大带宽视频传输

在许多类型的无人机应用中（如巡检、监控、测绘等），需要无人机配备分辨率达到４Ｋ甚至8Ｋ的高靖摄像头，或者360度全景VR摄像头，从空中拍摄高清视频或者全景视频。另一方面，这些应用还需要将这些视频数据实时发送到服务器端，以便实时地对这些视频数据进行处理。这类应用需求，需要通信网络能够为终端提供100M以上的实时传输能力。在5G中，通过引入大带宽载波、大规模天线阵列、高阶调制等技术，可以极大地提升频谱效率、降低信号干扰，从而提升单个用户的空口数据传输宽带。此外，以用户为中心的无边界网络架构，可以在核心网侧提供更高的数据传输速率。

3.3mMIMO技术

mMIMO作为5G关键技术，通过在基站侧采用大量天线来提升数据速率和链路可靠性。mMIMO的典型应用场景一般是热点地区、高楼或者需要深度覆盖的区域，对于无人机通信而言，通过mMIMO垂直面和水平面的波束赋形，信号可以在水平和垂直方向进行动态调整，形成精准的窄波束进行发送和接收，因此能量能够更加准确地集中指向无人机。对于下行链路，精准的窄波束一方面提高了无人机的覆盖，另一方面也减少了小区内或者小区间的干扰。对于上行链路，既可以是基站侧形成接收波束，也可以是用户侧形成发送波束，从而既可以实现无人机上行大容量高清视频的传输，也可以减少无人机对地面终端的干扰。

3.4MEC部署优化无人机响应时延

MEC（Multi-accessEdgeComputing，多接入边缘计算）是ETSI标准组织提出的概念，是一种在相比中心DC（DataCenter）更靠近终端用户的边缘位置提供用户所需服务和云端计算功能的网络架构，将应用、内容和MBB核心网部分业务处理和资源调度的功能一同部署到靠近终端用户的网络边缘，通过业务靠近用户处理，以及应用、内容与网络的协同，来提供可靠、极致的业务体验。通过部署MEC，数据流将不经过互联网直接在MEC网络下传输，去除了中间的边界网关、防火墙、互联网等节点，这有效提升无人机高清视频传输的时延，降低