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『无人机』基于5G的系留式无人机应急方案研究( 二 )


无人机分为两种类型：民用级无人机和专业级无人机 。 民用无人机有体积较小、载荷较小、飞行时间较短的特点 ， 故无法用作应急保障系统的高空平台 。 专业无人机主要包括旋翼无人机和固定翼无人机等类型 。 固定翼无人机尺寸较大 ， 起降有场地限制 ， 操控较为复杂 。 而旋翼无人机具有结构简单、体积小、重量轻、垂直起降、操控简便和可在空中悬停等优势 。 特别是近年来通过使用专用的电源和电缆为旋翼无人机提供了不间断的供电 ， 可实现在一定载荷下连续不间断的悬停 ， 可有效解决地形对天线覆盖的影响 。 因此 ， 成本低廉、携带方便和操作简单的特点使得旋翼无人机具有在应急通信领域广泛推广的条件 。
1.3 机载基站系统
机载基站系统包括轻量化基站、基站天线和光电复合缆等主要组成部分[1] 。
(1)轻量化基站：通常选择可4G一体化通信基站或超短波通信基站等 。 采用4G一体化站时 ， 基站主要由基带控制单元(BBU)、射频拉远单元(RRU)和电源模块等组成 ， 采用轻量化设计 ， 在应急通信现场随无人机升高后悬停 ， 便捷地形成以基站为中心的大覆盖范围4G无线专网；
(2)基站天线：通常采用全向天线或定向天线 ， 为基站提供射频信号的发射和接收能力 。 通常天线水平角度为360° ， 垂直角度为15°~20° ， 天线增益为7 dBi~15 dBi；
【『无人机』基于5G的系留式无人机应急方案研究】(3)光电复合缆：将地面应急通信车的电能传输到高空平台的机载基站系统 ， 并实现空地数据的双向光纤传输 ， 光电复合缆在应急通信车的控制下可以收起或释放 。
2 系留式应急系统的发展需求
当前 ， 系留式无人机作为飞行平台主要为应急通信服务需求提供信号覆盖能力 ， 主要业务功能包括[5]：
(1)实时采集应急现场状况；
(2)解决现场通信覆盖；
(3)实现现场救援队伍之间的沟通交流；
(4)实现现场与指挥中心的沟通交流；
(5)为现场应急资源调配提供技术支撑 。
随着应急通信技术的不断发展 ， 场景需求也日益丰富 ， 并对应急通信服务系统提出了更高的要求 ， 主要表现为：
(1)机载基站对大带宽的要求不断提升 。 较之原有的蜂窝组网方式 ， 单个机载基站覆盖范围大幅度增加后 ， 容量需求自然成为制约应急系统性能的瓶颈 。 此外 ， 在实时采集应急现场状况的场景下 ， 无人机搭载的视频采集设备需要将高清晰度的视频实时传输给现场救险人员和指挥中心；在现场救援队伍之间沟通交流和现场与指挥中心沟通交流的场景下 ， 在满足基本音频需求的同时 ， 多路视频多带来的数据通信需求也在提升 ， 这必然要求机载基站具备大带宽的能力 。
(2)机载基站对回传带宽的要求难以满足 。 目前高空平台的机载基站一般通过地面应急通信车的卫星设备 ， 实现与移动核心网的远距离连接 。 机载基站具备大带宽能力必然对回传带宽形成压力 ， 并大幅提升部署成本 。
(3)应急现场远程控制类业务需要更低的时延 。 地震、洪水等自然灾害现场环境中 ， 使用当前系留式应急通信系统虽然可以实现广覆盖的目的 ， 但对于道路阻断、山体遮挡和险情频发的区域 ， 救援人员难以进入并实施排险 ， 故远程控制的无人机、挖掘机等设备将会发挥重要作用 。 同时考虑目前的4G LTE网络端到端时延和卫星回传时延 ， 秒级时延将无法实现救援设备的远程控制 。
(4)应急现场多种业务需要更高的网络质量保障 。 当自然灾害发生时 ， 通过系留式应急通信系统实现的灾区覆盖区域将会面临同时服务公众通信业务、应急指挥通信业务和远程控制类业务等多种场景的情况 ， 由于公众通信话务量激增 ， 会导致有限的网络通信拥塞和瘫痪 ， 既无法进行调度指挥 ， 也无法保证政府决策与支持系统的信息传输畅通 ， 业务质量无法得到有效保障 。


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