0 引言

    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。

    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。

    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；

    (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。

3 5G技术赋能应急通信

    第五代移动通信技术(5G)能够以全新的网络架构和性能赋能应急管理系统的部署与发展。与4G相比，5G系统在数据传输速率、网络容量、可靠性和资源利用率等方面实现了大幅提升。因此，5G技术赋能的应急系统将会逐步发展并将满足不同的应急场景需求。5G赋能应急通信与其关键技术密切相关，主要表现在大规模天线技术、边缘计算技术和网络切片技术三方面。

3.1 大规模天线技术

    5G不仅采用更加灵活的频谱使用策略，同时引入了大规模波束赋形技术，成为5G无线系统设计的基石。通过采用更多的天线阵元和端口，使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用Massive MIMO提供的空间自由度与基站同时进行通信，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率和网络容量。为了便于机载基站的安装，即使采用100 MHz带宽的4T4R 5G微基站，下行峰值速率也可达1 Gb/s以上，上行峰值速率>240 Mb/s，可以大幅提升高空平台应急系统的容量提供能力。

3.2 边缘计算技术

    5G网络采用NFV和SDN技术进行网元功能的分解、抽象和重构。通过控制面和转发面的分离，使网络架构更加扁平化，转发面网关设备可以采用分布式按需的部署方式，通过多元化、多级的业务流向从根本上解决网络竖井化单一业务流向造成的传输和核心网负担过重的问题，如图2所示。针对回传受限的应急场景，将核心网的转发面网元在地面应急通信车内部部署，实现向网络边缘的最大可能下沉。通过业务向本地分流，可以有效降低机载基站回传链路的传输需求，达到节省卫星链路租赁造成的高额投资的目的。针对时延受限的应急场景，将核心网的转发面网元和业务平台在地面应急通信车内部部署的同时，并适时引入低时延高可靠技术（Ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）加以保障，将为应急现场远程控制类业务提供更低的时延。

3.3 网络切片技术

    网络切片技术是5G网络的重要特性，该技术可实现将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端网络，如图3所示。每个虚拟网络之间（包括接入、传输和核心网）逻辑独立，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他的虚拟网络。在高空平台的应急通信系统中，可以根据公众通信业务、应急指挥通信业务和远程控制类业务等多种场景的需求，自主定义不同切片对应的网络特性，包括时延、速率、连接密度、频谱效率、流量容量和网络效率等，通过网络配置的灵活性保证用户的体验。

4 面向5G的系留式应急通信

4.1 系统架构

    较之当前基于4G机载基站的系留式无人机系统，5G系留式应急通信系统的重点在于通过引入5G机载基站的同时，在地面应急通信车中进行边缘计算能力的部署，利用5G网络切片能力实现对大带宽低时延的应急通信业务的保障。基于5G的系留式无人机应急通信系统如图4所示。

    该系统主要包括高空平台子系统、地面控制子系统、光电复合缆和通信终端等部分。

4.2 高空平台子系统

4.2.1 功能模块

    高空子平台主要包含以下模块^[6-7]：

    (1)旋翼式无人机：为机载基站提供升空平台，结构尺寸要求紧凑，能够满足车辆或舰船的运输与装载要求。建议旋翼式无人机有效载荷不低于15 kg，最大起飞重量不低于40 kg，飞行高度不低于100 m。可以考虑六旋翼布局的升力系统设计方案替代四旋翼无人机。无人机采用碳纤维复合材料和铝合金材料的设计结构，可获得更好的负载和稳定性能。此外，通过选用散热性能好的高功率电机以及高升力系数的高原桨叶，可以保证更大高度下的安全飞行。

    (2)光电传输系统：通过光电转换模块实现载荷数据在高空平台子系统和地面控制子系统之间的双向传输。

    (3)电源系统：实现高空平台子系统和地面控制子系统之间的高低压直流电转换。

    (4)飞控系统：支持自动或地面系统手动控制模式，实现飞行器向指定区域目标移动和悬停等功能。

    (5)机载基站与天线：通过5G一体化微基站或5G AAU设备实现制定区域的5G信号覆盖和应急业务开展。

4.2.2 覆盖能力

    无人机使用全向天线时，采用高空明区传播计算模型，如图5所示。

    根据图5所示，地球曲面无线视距的传播距离可表示为：

式中，h_t为基站天线有效高度，单位为m；h_r为用户接收天线有效高度，单位为m；d为基站天线与用户之间的有效接收距离，单位为km。

    其中，本文中的链路损耗模型为经典自由空间传播模型，其路径损耗模型计算公式可以表示为：

式中，f为无人机基站工作频率，单位为MHz。

    无人机5G覆盖链路预算参数如表1所示。

    系留式无人机在5G场景下用户接收功率和覆盖半径的关系如图6所示。由分析结果可知：采用3.5 GHz频点、4×20 W(4T4R)/20 MHz带宽的5G机载基站，当终端接收目标RSRP为-105 dBm时，升空高度为200 m的地面覆盖半径为2.8 km，覆盖面积达到25 km²以上。此外，通过使用2.1 GHz、800 MHz等更低的5G频段，将进一步提升系留式无人机有效覆盖范围。

4.3 地面控制子系统

4.3.1 功能模块

    地面控制子系统主要包含以下模块：

    (1)供电系统：使用发电机为全系统提供工作电源，可根据系统功耗选取发电机；

    (2)电缆收放系统：随着无人机起飞和降落，通过直流变频电机驱动，将光电复合线缆释放或收起；

    (3)无人机控制系统：通过地面应急通信车内显控终端的人机交互界面，对无人机控制设备进行实时操控；

    (4)通信系统：用于通信业务的接入，视频、话音的通信调度管理，通信资源配置以及电源分配等。高空平台子系统中的5G一体化机载基站通过光电复合缆实现与5G核心网和业务平台的连接。

4.3.2 边缘计算能力部署

    5G核心网通过控制面与用户面分离，用户面网元(User Plane Function，UPF)可以灵活地下沉部署到网络边缘，而策略控制(Policy Control Function，PCF)和会话管理(Session Management Function，SMF)等控制面功能可以集中部署。应急现场终端通过UPF实现路由转发相关的本地分流功能，5G UPF功能受5G核心网控制面的统一管理，其路由分流策略由5G核心网统一配置，如图7所示。

    通过转发面网元UPF下沉至应急通信现场的方案进行部署，救援区域数据流量本地分流，通过边缘计算平台(Mobile Edge Platform，MEP)实现与本地部署的应急通信业务平台连接。该方式可以减少回传链路的时延。由于只是通过卫星链路传输速率较低的控制信令实现与外部网络进行互联互通，从而在减少卫星链路带宽需求的同时，为应急现场远程控制类业务提供更低的时延。

4.3.3 网络切片能力部署

    针对应急资源优先保障场景中的3种业务应用，网络切片主要划分为服务公众通信业务、应急指挥通信业务和远程控制类业务3类。

    (1)抢险救灾专业人员：保障救灾人员具备基本联网能力，保障接入成功率和接入用户数量，并保证一定的通话质量，其对网络性能要求如表2所示。

    (2)公众通信业务：保障普通公众用户具备基本的联网通信能力和一定的接入成功率，其对网络性能要求如表3所示。

    (3)远程控制类业务：重点实现无人机和挖掘机等远程控制业务的联网通信能力和低时延高可靠保障能力，其对网络性能要求如表4所示。

    5G网络切片技术包括切片设计、部署使能、切片运行、闭环优化、运维、能力开放等。根据应用、场景需求等对网络资源进行管理编排，实现行业客户需求，按需定制虚拟网络，可以满足差异化的服务等级协议(Service Level Agreement，SLA)的服务质量需求(Quality of Service，QoS)，通过切片平台，为应急通信不同场景提供5G端到端的大带宽、低时延、高可靠的灵活定制化服务。

5 结论

    本文提出了基于5G的系留式无人机应急通信覆盖解决方案，该方案结合未来应急通信的发展需求，通过无人机机载5G一体化基站，结合边缘计算和网络切片等关键技术，满足应急通信中的大带宽和低时延等多种业务场景。

参考文献

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[7] 刘磊，李景峰，王烁.系留式无人机载通信系统[J].通讯世界，2016(14): 53-54.

作者信息:

刘  蕾1，朱峥灏2，云  翔3，李  娜3

（1.中国电信股份有限公司研究院，北京102209；2.北京朝师附小黄胄分校，北京100028；

3.北京佰才邦技术有限公司，北京100044）