0 引言

    近年來，我國泥石流、雪災、地震、洪水等自然災害頻發，嚴重威脅到人民的生命財產安全。為了在災害發生后能夠迅速建立起有效且能保障群眾基本生活的應急反應機制，盡快恢復民眾的基礎通信需求，保證并推進應急通信網絡的建設，國家成立了應急管理部。

    由于自然災害會隨機發生且破壞力很大，地面通信系統很容易在災害中受到多種因素的影響而遭到破壞，單一的通信技術手段已無法滿足復雜多樣的搶險救災需求，給救援工作帶來諸多的困難。因此，建立響應迅速、可靠穩定、多手段保障的應急通信系統成為通信技術領域的研究熱點。

    因此，國家應急管理部啟動了天地一體化應急通信網絡規劃和建設項目。但在傳統應急通信保障中，主要使用應急通信車作為主要應急通信設備，但由于受災地區地勢險峻、道路崎嶇、車輛難以進入且應急通信車升降桿的舉升高度有限(小于20 m)，無法充分發揮通信基站信號覆蓋能力，存在通信距離近、通信盲區大和通信效果受地形地物影響明顯等缺陷^[1]。隨著無人機性能的不斷提升，特別是無人機的飛行高度、移動半徑、續航和載重等基礎能力的大幅發展，使得傳統應急通信車可以采用系留式無人機進行基站搭載，即：系留式無人機應急系統。該系統在保留傳統應急通信車較高的機動性與穩定性優勢的同時，還充分利用了無人機基站的廣區域覆蓋和靈活部署的能力，從而在未來應急通信網絡的發展中前景廣闊^[2-3]。

    針對系留式無人機應急系統發展中的大帶寬、低時延和低成本等場景需求，本文基于5G大規模天線、邊緣計算和網絡切片等關鍵技術，提出一種基于旋翼式無人機的5G應急通信解決方案，重點對方案的實現架構與關鍵技術進行分析，并給出相應結論。

1 系留式應急通信系統

1.1 總體架構

    基于高空平臺的應急通信系統總體架構如圖1所示，根據回傳方式的不同，主要包括系留式和非系留式兩種類型。

    非系留式應急通信系統主要包括：高空平臺、機載基站、回傳終端、大網宏站和核心網等。在高空平臺上搭載機載基站和回傳終端，機載基站可實現應急通信網絡的廣覆蓋，回傳終端可及時將用戶信息及數據回傳到大網宏站；核心網主要實現接入管理、會話管理和用戶數據管理與轉發等功能。整個應急通信系統的數據傳輸流程為：用戶終端首先接入機載基站，機載基站對數據進行處理，然后回傳終端將處理后的數據傳輸到宏站以及核心網，最后經過核心網網元轉發至互聯網^[4]。

    系留式應急通信系統則通過專用的電源和電纜實現不間斷的供電和數據傳輸的功能，可在一定載荷下在空中連續懸停，長時間遠距離實現通信覆蓋。系留應急通信系統具有體結構緊湊、體積小、機動性強、便于操作和續航時長的特點，也成為當前滿足應急通信不同場景需求的首選方案。

1.2 高空平臺

    基于高空平臺的應急通信系統對空中平臺的特性有一定的要求，包括：支持快速靈活部署、續航時間長、安全系數高、運輸便捷、載荷大、滯空穩定等。

    目前進入使用階段的高空平臺包括熱氣球、氦氣球和無人機等類型。系留式熱氣球成本較高(百萬級)，升空高度至1 000 m時，覆蓋范圍可超過40 km。但熱氣球體積較大(約6 000 m³)，充放氣時間較長，無法快速升空工作，滯空時間也相對較短(<6 h)，并對氣候條件要求較高，適用于非雨雪天氣且地面風力小于3級(5 m/s)、空中風力小于5級(10 m/s)的環境，并要求升空時最少需要60 m×60 m的平整且周邊無高大遮擋物的空曠場地。而系留式氦氣艇滯空時間可以超過70 h，但同時也存在系留式熱氣球由于體積大造成的多種弊端，且成本遠高于系留式熱氣球。

    無人機分為兩種類型：民用級無人機和專業級無人機。民用無人機有體積較小、載荷較小、飛行時間較短的特點，故無法用作應急保障系統的高空平臺。專業無人機主要包括旋翼無人機和固定翼無人機等類型。固定翼無人機尺寸較大，起降有場地限制，操控較為復雜。而旋翼無人機具有結構簡單、體積小、重量輕、垂直起降、操控簡便和可在空中懸停等優勢。特別是近年來通過使用專用的電源和電纜為旋翼無人機提供了不間斷的供電，可實現在一定載荷下連續不間斷的懸停，可有效解決地形對天線覆蓋的影響。因此，成本低廉、攜帶方便和操作簡單的特點使得旋翼無人機具有在應急通信領域廣泛推廣的條件。

1.3 機載基站系統

    機載基站系統包括輕量化基站、基站天線和光電復合纜等主要組成部分^[1]。

    (1)輕量化基站：通常選擇可4G一體化通信基站或超短波通信基站等。采用4G一體化站時，基站主要由基帶控制單元(BBU)、射頻拉遠單元(RRU)和電源模塊等組成，采用輕量化設計，在應急通信現場隨無人機升高后懸停，便捷地形成以基站為中心的大覆蓋范圍4G無線專網；

    (2)基站天線：通常采用全向天線或定向天線，為基站提供射頻信號的發射和接收能力。通常天線水平角度為360°，垂直角度為15°~20°，天線增益為7 dBi~15 dBi；

    (3)光電復合纜：將地面應急通信車的電能傳輸到高空平臺的機載基站系統，并實現空地數據的雙向光纖傳輸，光電復合纜在應急通信車的控制下可以收起或釋放。

2 系留式應急系統的發展需求

    當前，系留式無人機作為飛行平臺主要為應急通信服務需求提供信號覆蓋能力，主要業務功能包括^[5]：

    (1)實時采集應急現場狀況；

    (2)解決現場通信覆蓋；

    (3)實現現場救援隊伍之間的溝通交流；

    (4)實現現場與指揮中心的溝通交流；

    (5)為現場應急資源調配提供技術支撐。

    隨著應急通信技術的不斷發展，場景需求也日益豐富，并對應急通信服務系統提出了更高的要求，主要表現為：

    (1)機載基站對大帶寬的要求不斷提升。較之原有的蜂窩組網方式，單個機載基站覆蓋范圍大幅度增加后，容量需求自然成為制約應急系統性能的瓶頸。此外，在實時采集應急現場狀況的場景下，無人機搭載的視頻采集設備需要將高清晰度的視頻實時傳輸給現場救險人員和指揮中心；在現場救援隊伍之間溝通交流和現場與指揮中心溝通交流的場景下，在滿足基本音頻需求的同時，多路視頻多帶來的數據通信需求也在提升，這必然要求機載基站具備大帶寬的能力。

    (2)機載基站對回傳帶寬的要求難以滿足。目前高空平臺的機載基站一般通過地面應急通信車的衛星設備，實現與移動核心網的遠距離連接。機載基站具備大帶寬能力必然對回傳帶寬形成壓力，并大幅提升部署成本。

    (3)應急現場遠程控制類業務需要更低的時延。地震、洪水等自然災害現場環境中，使用當前系留式應急通信系統雖然可以實現廣覆蓋的目的，但對于道路阻斷、山體遮擋和險情頻發的區域，救援人員難以進入并實施排險，故遠程控制的無人機、挖掘機等設備將會發揮重要作用。同時考慮目前的4G LTE網絡端到端時延和衛星回傳時延，秒級時延將無法實現救援設備的遠程控制。

    (4)應急現場多種業務需要更高的網絡質量保障。當自然災害發生時，通過系留式應急通信系統實現的災區覆蓋區域將會面臨同時服務公眾通信業務、應急指揮通信業務和遠程控制類業務等多種場景的情況，由于公眾通信話務量激增，會導致有限的網絡通信擁塞和癱瘓，既無法進行調度指揮，也無法保證政府決策與支持系統的信息傳輸暢通，業務質量無法得到有效保障。

3 5G技術賦能應急通信

    第五代移動通信技術(5G)能夠以全新的網絡架構和性能賦能應急管理系統的部署與發展。與4G相比，5G系統在數據傳輸速率、網絡容量、可靠性和資源利用率等方面實現了大幅提升。因此，5G技術賦能的應急系統將會逐步發展并將滿足不同的應急場景需求。5G賦能應急通信與其關鍵技術密切相關，主要表現在大規模天線技術、邊緣計算技術和網絡切片技術三方面。

3.1 大規模天線技術

    5G不僅采用更加靈活的頻譜使用策略，同時引入了大規模波束賦形技術，成為5G無線系統設計的基石。通過采用更多的天線陣元和端口，使得網絡中的多個用戶可以在同一時頻資源上利用Massive MIMO提供的空間自由度與基站同時進行通信，從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率和網絡容量。為了便于機載基站的安裝，即使采用100 MHz帶寬的4T4R 5G微基站，下行峰值速率也可達1 Gb/s以上，上行峰值速率>240 Mb/s，可以大幅提升高空平臺應急系統的容量提供能力。

3.2 邊緣計算技術

    5G網絡采用NFV和SDN技術進行網元功能的分解、抽象和重構。通過控制面和轉發面的分離，使網絡架構更加扁平化，轉發面網關設備可以采用分布式按需的部署方式，通過多元化、多級的業務流向從根本上解決網絡豎井化單一業務流向造成的傳輸和核心網負擔過重的問題，如圖2所示。針對回傳受限的應急場景，將核心網的轉發面網元在地面應急通信車內部部署，實現向網絡邊緣的最大可能下沉。通過業務向本地分流，可以有效降低機載基站回傳鏈路的傳輸需求，達到節省衛星鏈路租賃造成的高額投資的目的。針對時延受限的應急場景，將核心網的轉發面網元和業務平臺在地面應急通信車內部部署的同時，并適時引入低時延高可靠技術（Ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）加以保障，將為應急現場遠程控制類業務提供更低的時延。

3.3 網絡切片技術

    網絡切片技術是5G網絡的重要特性，該技術可實現將一個物理網絡切割成多個虛擬的端到端網絡，如圖3所示。每個虛擬網絡之間（包括接入、傳輸和核心網）邏輯獨立，任何一個虛擬網絡發生故障都不會影響到其他的虛擬網絡。在高空平臺的應急通信系統中，可以根據公眾通信業務、應急指揮通信業務和遠程控制類業務等多種場景的需求，自主定義不同切片對應的網絡特性，包括時延、速率、連接密度、頻譜效率、流量容量和網絡效率等，通過網絡配置的靈活性保證用戶的體驗。

4 面向5G的系留式應急通信

4.1 系統架構

    較之當前基于4G機載基站的系留式無人機系統，5G系留式應急通信系統的重點在于通過引入5G機載基站的同時，在地面應急通信車中進行邊緣計算能力的部署，利用5G網絡切片能力實現對大帶寬低時延的應急通信業務的保障。基于5G的系留式無人機應急通信系統如圖4所示。

    該系統主要包括高空平臺子系統、地面控制子系統、光電復合纜和通信終端等部分。

4.2 高空平臺子系統

4.2.1 功能模塊

    高空子平臺主要包含以下模塊^[6-7]：

    (1)旋翼式無人機：為機載基站提供升空平臺，結構尺寸要求緊湊，能夠滿足車輛或艦船的運輸與裝載要求。建議旋翼式無人機有效載荷不低于15 kg，最大起飛重量不低于40 kg，飛行高度不低于100 m。可以考慮六旋翼布局的升力系統設計方案替代四旋翼無人機。無人機采用碳纖維復合材料和鋁合金材料的設計結構，可獲得更好的負載和穩定性能。此外，通過選用散熱性能好的高功率電機以及高升力系數的高原槳葉，可以保證更大高度下的安全飛行。

    (2)光電傳輸系統：通過光電轉換模塊實現載荷數據在高空平臺子系統和地面控制子系統之間的雙向傳輸。

    (3)電源系統：實現高空平臺子系統和地面控制子系統之間的高低壓直流電轉換。

    (4)飛控系統：支持自動或地面系統手動控制模式，實現飛行器向指定區域目標移動和懸停等功能。

    (5)機載基站與天線：通過5G一體化微基站或5G AAU設備實現制定區域的5G信號覆蓋和應急業務開展。

4.2.2 覆蓋能力

    無人機使用全向天線時，采用高空明區傳播計算模型，如圖5所示。

    根據圖5所示，地球曲面無線視距的傳播距離可表示為：

式中，h_t為基站天線有效高度，單位為m；h_r為用戶接收天線有效高度，單位為m；d為基站天線與用戶之間的有效接收距離，單位為km。

    其中，本文中的鏈路損耗模型為經典自由空間傳播模型，其路徑損耗模型計算公式可以表示為：

式中，f為無人機基站工作頻率，單位為MHz。

    無人機5G覆蓋鏈路預算參數如表1所示。

    系留式無人機在5G場景下用戶接收功率和覆蓋半徑的關系如圖6所示。由分析結果可知：采用3.5 GHz頻點、4×20 W(4T4R)/20 MHz帶寬的5G機載基站，當終端接收目標RSRP為-105 dBm時，升空高度為200 m的地面覆蓋半徑為2.8 km，覆蓋面積達到25 km²以上。此外，通過使用2.1 GHz、800 MHz等更低的5G頻段，將進一步提升系留式無人機有效覆蓋范圍。

4.3 地面控制子系統

4.3.1 功能模塊

    地面控制子系統主要包含以下模塊：

    (1)供電系統：使用發電機為全系統提供工作電源，可根據系統功耗選取發電機；

    (2)電纜收放系統：隨著無人機起飛和降落，通過直流變頻電機驅動，將光電復合線纜釋放或收起；

    (3)無人機控制系統：通過地面應急通信車內顯控終端的人機交互界面，對無人機控制設備進行實時操控；

    (4)通信系統：用于通信業務的接入，視頻、話音的通信調度管理，通信資源配置以及電源分配等。高空平臺子系統中的5G一體化機載基站通過光電復合纜實現與5G核心網和業務平臺的連接。

4.3.2 邊緣計算能力部署

    5G核心網通過控制面與用戶面分離，用戶面網元(User Plane Function，UPF)可以靈活地下沉部署到網絡邊緣，而策略控制(Policy Control Function，PCF)和會話管理(Session Management Function，SMF)等控制面功能可以集中部署。應急現場終端通過UPF實現路由轉發相關的本地分流功能，5G UPF功能受5G核心網控制面的統一管理，其路由分流策略由5G核心網統一配置，如圖7所示。

    通過轉發面網元UPF下沉至應急通信現場的方案進行部署，救援區域數據流量本地分流，通過邊緣計算平臺(Mobile Edge Platform，MEP)實現與本地部署的應急通信業務平臺連接。該方式可以減少回傳鏈路的時延。由于只是通過衛星鏈路傳輸速率較低的控制信令實現與外部網絡進行互聯互通，從而在減少衛星鏈路帶寬需求的同時，為應急現場遠程控制類業務提供更低的時延。

4.3.3 網絡切片能力部署

    針對應急資源優先保障場景中的3種業務應用，網絡切片主要劃分為服務公眾通信業務、應急指揮通信業務和遠程控制類業務3類。

    (1)搶險救災專業人員：保障救災人員具備基本聯網能力，保障接入成功率和接入用戶數量，并保證一定的通話質量，其對網絡性能要求如表2所示。

    (2)公眾通信業務：保障普通公眾用戶具備基本的聯網通信能力和一定的接入成功率，其對網絡性能要求如表3所示。

    (3)遠程控制類業務：重點實現無人機和挖掘機等遠程控制業務的聯網通信能力和低時延高可靠保障能力，其對網絡性能要求如表4所示。

    5G網絡切片技術包括切片設計、部署使能、切片運行、閉環優化、運維、能力開放等。根據應用、場景需求等對網絡資源進行管理編排，實現行業客戶需求，按需定制虛擬網絡，可以滿足差異化的服務等級協議(Service Level Agreement，SLA)的服務質量需求(Quality of Service，QoS)，通過切片平臺，為應急通信不同場景提供5G端到端的大帶寬、低時延、高可靠的靈活定制化服務。

5 結論

    本文提出了基于5G的系留式無人機應急通信覆蓋解決方案，該方案結合未來應急通信的發展需求，通過無人機機載5G一體化基站，結合邊緣計算和網絡切片等關鍵技術，滿足應急通信中的大帶寬和低時延等多種業務場景。

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作者信息:

劉  蕾1，朱崢灝2，云  翔3，李  娜3

（1.中國電信股份有限公司研究院，北京102209；2.北京朝師附小黃胄分校，北京100028；

3.北京佰才邦技術有限公司，北京100044）