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『无人机』基于5G的系留式无人机应急方案研究


近年来 ， 我国泥石流、雪灾、地震、洪水等自然灾害频发 ， 严重威胁到人民的生命财产安全 。 为了在灾害发生后能够迅速建立起有效且能保障群众基本生活的应急反应机制 ， 尽快恢复民众的基础通信需求 ， 保证并推进应急通信网络的建设 ， 国家成立了应急管理部 。
由于自然灾害会随机发生且破坏力很大 ， 地面通信系统很容易在灾害中受到多种因素的影响而遭到破坏 ， 单一的通信技术手段已无法满足复杂多样的抢险救灾需求 ， 给救援工作带来诸多的困难 。 因此 ， 建立响应迅速、可靠稳定、多手段保障的应急通信系统成为通信技术领域的研究热点 。
因此 ， 国家应急管理部启动了天地一体化应急通信网络规划和建设项目 。 但在传统应急通信保障中 ， 主要使用应急通信车作为主要应急通信设备 ， 但由于受灾地区地势险峻、道路崎岖、车辆难以进入且应急通信车升降杆的举升高度有限(小于20 m) ， 无法充分发挥通信基站信号覆盖能力 ， 存在通信距离近、通信盲区大和通信效果受地形地物影响明显等缺陷[1] 。 随着无人机性能的不断提升 ， 特别是无人机的飞行高度、移动半径、续航和载重等基础能力的大幅发展 ， 使得传统应急通信车可以采用系留式无人机进行基站搭载 ， 即：系留式无人机应急系统 。 该系统在保留传统应急通信车较高的机动性与稳定性优势的同时 ， 还充分利用了无人机基站的广区域覆盖和灵活部署的能力 ， 从而在未来应急通信网络的发展中前景广阔[2-3] 。
针对系留式无人机应急系统发展中的大带宽、低时延和低成本等场景需求 ， 本文基于5G大规模天线、边缘计算和网络切片等关键技术 ， 提出一种基于旋翼式无人机的5G应急通信解决方案 ， 重点对方案的实现架构与关键技术进行分析 ， 并给出相应结论 。
1 系留式应急通信系统
1.1 总体架构
基于高空平台的应急通信系统总体架构如图1所示 ， 根据回传方式的不同 ， 主要包括系留式和非系留式两种类型 。
『无人机』基于5G的系留式无人机应急方案研究
本文插图
非系留式应急通信系统主要包括：高空平台、机载基站、回传终端、大网宏站和核心网等 。 在高空平台上搭载机载基站和回传终端 ， 机载基站可实现应急通信网络的广覆盖 ， 回传终端可及时将用户信息及数据回传到大网宏站；核心网主要实现接入管理、会话管理和用户数据管理与转发等功能 。 整个应急通信系统的数据传输流程为：用户终端首先接入机载基站 ， 机载基站对数据进行处理 ， 然后回传终端将处理后的数据传输到宏站以及核心网 ， 最后经过核心网网元转发至互联网[4] 。
系留式应急通信系统则通过专用的电源和电缆实现不间断的供电和数据传输的功能 ， 可在一定载荷下在空中连续悬停 ， 长时间远距离实现通信覆盖 。 系留应急通信系统具有体结构紧凑、体积小、机动性强、便于操作和续航时长的特点 ， 也成为当前满足应急通信不同场景需求的首选方案 。
1.2 高空平台
基于高空平台的应急通信系统对空中平台的特性有一定的要求 ， 包括：支持快速灵活部署、续航时间长、安全系数高、运输便捷、载荷大、滞空稳定等 。
目前进入使用阶段的高空平台包括热气球、氦气球和无人机等类型 。 系留式热气球成本较高(百万级) ， 升空高度至1 000 m时 ， 覆盖范围可超过40 km 。 但热气球体积较大(约6 000 m3) ， 充放气时间较长 ， 无法快速升空工作 ， 滞空时间也相对较短(<6 h) ， 并对气候条件要求较高 ， 适用于非雨雪天气且地面风力小于3级(5 m/s)、空中风力小于5级(10 m/s)的环境 ， 并要求升空时最少需要60 m×60 m的平整且周边无高大遮挡物的空旷场地 。 而系留式氦气艇滞空时间可以超过70 h ， 但同时也存在系留式热气球由于体积大造成的多种弊端 ， 且成本远高于系留式热气球 。


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