陳鋒　許紹松　陳?！《蹮R

【摘? 要】無人機(jī)高清視頻傳輸作為當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)的熱門應(yīng)用，由于場景的特殊性，對覆蓋、速率、時(shí)延有著自身特殊需求。從5G網(wǎng)絡(luò)對專項(xiàng)場景的優(yōu)化困難入手，結(jié)合優(yōu)化實(shí)例，對人機(jī)高清視頻傳輸場景下5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、速率、時(shí)延方面給出優(yōu)化建議。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化;MEC;massive MIMO

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.007? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）09-0034-08

引用格式：陳鋒，許紹松，陳海，等. 無人機(jī)高清視頻傳輸場景的5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（9）： 34-41.

Research on 5G Network Optimization of UAV HD Video Transmission Scene

[Abstract]?As a popular application of 5G network， UAV high-definition video transmission has its own special requirements for coverage， speed and delay due to the particularity of the scene. Starting with the difficulty of 5G network optimization for special scenarios， this paper gives some optimization suggestions on coverage， speed and delay of 5G network in HD video transmission scenarios.

[Key words]UAV; 5G network optimization; MEC; massive MIMO

1? ?引言

5G網(wǎng)絡(luò)[1]帶來了高速率大寬帶、低延時(shí)高可靠、低功耗大連接的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以預(yù)見，5G應(yīng)用將使網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)更加優(yōu)化，產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速增效。作為第一個(gè)以用例為推動(dòng)力的移動(dòng)通信技術(shù)，隨著5G SA標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)，5G應(yīng)用即將呈現(xiàn)井噴之勢。5G將深刻地影響到娛樂、制造、汽車、能源、醫(yī)療、交通、教育、養(yǎng)老等各個(gè)行業(yè)。目前，不少企業(yè)已經(jīng)推出5G應(yīng)用的雛形，構(gòu)建5G應(yīng)用生態(tài)。

無人機(jī)高清視頻傳輸做為當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)的熱門應(yīng)用，是5G高速率特色的直觀體現(xiàn)。為推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，更好服務(wù)于5G用戶提升運(yùn)營商品牌形象，針對無人機(jī)高清視頻傳輸應(yīng)用的優(yōu)化研究有了迫切需求。

2? ?無人機(jī)高清視頻傳輸場景的5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)

化難點(diǎn)

在移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)覆蓋中，空域覆蓋一直以來是一個(gè)少見的場景。由于無人機(jī)飛行空域高度高、業(yè)務(wù)上行速率要求穩(wěn)定、時(shí)效性要求高等方面的因素，使得無人機(jī)高清視頻傳輸場景在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋中存在一些挑戰(zhàn)。

2.1? 飛行空域高對信號覆蓋需求更立體

無人機(jī)種類繁多，當(dāng)前主流民用的是超近程、低空或超低空無人機(jī)，活動(dòng)半徑在15 km以內(nèi)，飛行高度在1 000 m以下。通常無人機(jī)高清視頻傳輸場景應(yīng)用飛行高度為10 m～120 m，個(gè)別特殊應(yīng)用飛行高度為120 m～300 m，飛行空域呈立方體式，這要求無線信號覆蓋即需水平寬度也需垂直高度，大大加深了無線信號覆蓋難度。圖1為無人機(jī)飛行示意圖：

2.2? 上下行速率要求高、業(yè)務(wù)量需求穩(wěn)定

隨著技術(shù)發(fā)展，視頻業(yè)務(wù)清晰度更新?lián)Q代，當(dāng)前高清視頻已由4K向8K邁進(jìn)，視頻帶寬要求也與日俱增。無人機(jī)高清視頻傳輸即使使用入門級4K技術(shù)，也需求至少30 Mbit/s的上行速率需求，而且隨著設(shè)備的發(fā)展、8K視頻的普及帶寬需求，上行速率需求將向百兆級單位跨進(jìn)。

同時(shí)無人機(jī)高清視頻傳輸場景業(yè)務(wù)存在直播需求，這對5G網(wǎng)絡(luò)速率的需求提出了極大的挑戰(zhàn)。

2.3? 視頻傳輸時(shí)效要求高

無人機(jī)高清視頻傳輸場景為直播類業(yè)務(wù)，對視頻的時(shí)效性有一定需求。如圖2所示，我們提到直播流程通常為：直播內(nèi)容采集→處理→編碼→封包→推流→傳輸→轉(zhuǎn)碼→分發(fā)→解碼→播放，每個(gè)階段對直播的延時(shí)都會有一定的影響。無人機(jī)高清視頻傳輸場景業(yè)務(wù)一般對畫面延遲要求在3 s以內(nèi)，除去傳輸、各環(huán)節(jié)設(shè)備性能外，對5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化也提出了較大挑戰(zhàn)。

3? ?無人機(jī)高清視頻傳輸場景的5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

3.1? 5G覆蓋特性優(yōu)化改善無人機(jī)空域覆蓋

（1）Massive MIMO特性簡述

Massive MIMO和波束賦形（BF， Beamforming）是5G的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，5G將LTE時(shí)期的MIMO進(jìn)行了擴(kuò)展和延伸，LTE的MIMO最多8天線，到5G擴(kuò)增為16/32/64/128天線，所示被稱為“大規(guī)?！钡腗IMO。Massive MIMO和波束賦形二者相輔相成，缺一不可。我們甚至可以說大規(guī)模MIMO就是大量天線的波束，如果把Massive MIMO比作外在肉體，那波束賦形就是內(nèi)在靈魂。

Massive MIMO負(fù)責(zé)在發(fā)送端和接收端將越來越多的天線聚合起來;波束賦形負(fù)責(zé)將每個(gè)信號引導(dǎo)到終端接收器的最佳路徑上，提高信號強(qiáng)度，避免信號干擾，從而改善通信質(zhì)量。增益展示如圖3所示。

總體來說，Massive MIMO和波束賦形的優(yōu)點(diǎn)：

1）更精確的3D波束賦形，提升終端接收信號強(qiáng)度[1];

2）同時(shí)同頻服務(wù)更多用戶（多用戶空分），提高網(wǎng)絡(luò)容量;

3）有效減少小區(qū)間的干擾;

4）更好地覆蓋遠(yuǎn)端和近端的小區(qū)。

（2）Massive MIMO特性參數(shù)實(shí)測效果

目前現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備通過幅度、相位算法調(diào)整可調(diào)整Massive MIMO波束的覆蓋寬度，依據(jù)覆蓋情況選定不同水平、垂直波瓣寬度的MIMO設(shè)置。當(dāng)前版本基站Massive MIMO波束有1個(gè)默認(rèn)場景與16種其他非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，分別提供15°、25°、45°、65°、105°、110°的水平半功率波瓣寬度和6°、12°、25°的垂直半功率波瓣寬度設(shè)置，適用于不同的應(yīng)用場景。

5G建網(wǎng)初期，根據(jù)實(shí)際建設(shè)需求出發(fā)，選擇不同典型場景，挑選相應(yīng)應(yīng)用模式模擬測試驗(yàn)證，確認(rèn)對比覆蓋效果，為后期場景差異化覆蓋積累相關(guān)數(shù)據(jù)。

1）場景一、小角度水平波瓣角設(shè)置信號能量更集中，有利于深度覆蓋。

Massive MIMO水平波瓣角特性驗(yàn)證場景如圖4所示：

表2為Massive MIMO特性測試結(jié)果（一）。

2）場景二、同垂直掃描范圍場景下，大水平掃描范圍場景設(shè)置在測試點(diǎn)有MIMO信號增益，有利于廣域覆蓋。

Massive MIMO水平波瓣角特性驗(yàn)證場景如圖5所示。

表3為Massive MIMO特性測試結(jié)果（二）：

3）場景三、對于高樓場景設(shè)置更寬的垂直波瓣角能有效提升樓宇高層覆蓋。

Massive MIMO實(shí)際特性驗(yàn)證場景如圖6所示：

綜上所述，小角度水平波瓣角MASSIVE MIMO設(shè)置信號能量更集中，有利于深度覆蓋，并且不同覆蓋場景采用相應(yīng)的Massive MIMO波束設(shè)置可以帶來信號增益。廣域覆蓋建議用大水平掃描范圍Massive MIMO波束設(shè)置，針對無人機(jī)場景建議采用垂直波束更寬的參數(shù)設(shè)置，改善無人機(jī)飛行空域網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

（3）智慧農(nóng)場無人機(jī)VR園區(qū)直播應(yīng)用Massive MIMO特性應(yīng)用實(shí)例

農(nóng)業(yè)農(nóng)村的現(xiàn)代化核心關(guān)鍵還要靠科技創(chuàng)新、科技進(jìn)步?；ヂ?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿科技正積極再造農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程。在6月18號第六屆世界閩商大會期間，中國-以色列示范農(nóng)場將使用無人機(jī)直播園區(qū)以及作物的高清影像。為實(shí)現(xiàn)高通量、低時(shí)延的信息傳輸，我方建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)對無人機(jī)飛行空域進(jìn)行立體覆蓋。

智慧農(nóng)場無人機(jī)飛行區(qū)域如圖7所示。

無人機(jī)飛行空域?yàn)榫嗷?00 m～550 m的矩形范圍內(nèi)，飛行高度為10 m～300 m。網(wǎng)絡(luò)初期設(shè)置默認(rèn)場景（水平波瓣105°、垂直波瓣6°）未能有效覆蓋飛行空域，現(xiàn)場聯(lián)調(diào)存在卡頓情況。經(jīng)優(yōu)化調(diào)整小區(qū)波束掃描范圍至水平65°、垂直25°后，無人機(jī)飛行演示視頻流暢無卡頓。Massive MIMO模式設(shè)置的覆蓋差異示意圖如圖8所示：

3.2? 5G幀結(jié)構(gòu)與雙連接優(yōu)化改善無人機(jī)直播效果

（1）5G時(shí)隙配比優(yōu)化

5G的幀結(jié)構(gòu)與LTE類似，無線幀和子幀的長度固定，能夠更好地保證LTE與5G共存，5G幀結(jié)構(gòu)如圖9所示[2]。相比較于LTE，5G的時(shí)隙于字符長度可以根據(jù)子載波之間的間隔進(jìn)行靈活變化來定義。在LTE中子載波長度被定義為15 kHz，5G中子載波長度也為15 kHz，但是5G的子載波長度是靈活可被擴(kuò)展的，比如在5G中子載波長度可以為15 kHz、30 kHz、45kHz、60 kHz、120 kHz，也可以是7.5 kHz、3.75kHz等，相當(dāng)于子載波長度可以為15 kHz×2m，m∈（-2，-1，……，4，5）。具體如表5所示。

eMBB場景下，按照30 kHz子載波間隔，各廠家提出了不同的幀結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可支持其中的一種或多種（靜態(tài)配置）。目前設(shè)備可支持4_1_DDDSU、8_2_DDDDDDDSUU與7_3_DDDSUDDSUU三種配比方式（基站19B版本），隨著需求與技術(shù)推進(jìn)，后續(xù)將可能推出更高上行時(shí)隙比例的系統(tǒng)。

1）4_1_DDDSU

如圖9所示，每2.5 ms里面包含3個(gè)全下行時(shí)隙、一個(gè)全上行時(shí)隙和一個(gè)特殊時(shí)隙。特殊時(shí)隙配比為10：2：2（可調(diào)整），pattern周期為2.5 ms，1個(gè)上行子幀，周期較短，有利于降低時(shí)延。

2）8_2_DDDDDDDSUU

如圖10所示，每10 ms里面包含7個(gè)全下行時(shí)隙、三個(gè)全上行時(shí)隙和兩個(gè)特殊時(shí)隙。特殊時(shí)隙配比為10：2：2（可調(diào)整）。pattern周期為5 ms，上下行轉(zhuǎn)換周期長較利于下行吞吐量。

3）7_3_DDDSUDDSUU

如圖11所示，2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)，每5 ms里面包含5個(gè)全下行時(shí)隙、三個(gè)全上行時(shí)隙和兩個(gè)特殊時(shí)隙。Slot3和Slot7為特殊時(shí)隙，配比為10：2：2（可調(diào)整）。patter周期為2.5 ms，存在連續(xù)2個(gè)UL slot，可發(fā)送長PRACH格式，有利于提升上行覆蓋能力。

針對無人機(jī)高清視頻傳輸場景的上行高速率需求，調(diào)整時(shí)隙配比7：3或更高上行時(shí)隙比例將有效保障視頻直播的流暢性。

（2）5G DC分流優(yōu)化

DC雙連接主要是為了使得用戶擁有更高速率和利用宏站與微站之間以提高頻譜利用率及負(fù)載均衡，通過微站與宏站現(xiàn)有的非理想回傳（non-ideal backhaul）X2接口來實(shí)現(xiàn)載波聚合[3]，使得具有雙連接功能的終端能夠同時(shí)連接兩個(gè)基站，提高單用戶的上下行吞吐率。

NSA Option 3x結(jié)構(gòu)由主基站LTE eNB根據(jù)無線算法，決定承載建立為MCG Bearer、SCG Bearer或Split Bearer。分流由gNB根據(jù)無線算法動(dòng)態(tài)控制，核心網(wǎng)側(cè)不感知。Option結(jié)構(gòu)如表6所示：

如圖12所示，在控制面，Option 3x組網(wǎng)時(shí)UE只有一個(gè)基于MN的RRC狀態(tài)（并不是LTE和NR各一個(gè)），同時(shí)只有一條到核心網(wǎng)的控制面連接。MN和SN都有自己的RRC實(shí)體，可以生成要發(fā)送給UE的RRC PDU。

在用戶面，每一種承載（MCG bearer、SCG bearer、split bearer）的PDCP可以位于MN，也可以位于SN，網(wǎng)絡(luò)可以為MCG承載配置E-UTRA PDCP或者NR的PDCP;SCG承載和Split承載只能使用NR PDCP。MN和SN通過X2接口連通，MCG bearer由MN發(fā)送數(shù)據(jù)給UE，SCG bearer由SN發(fā)送數(shù)據(jù)給UE;Split bearer指的是將LTE中UE與eNodeB之間的Radio Bearer“Split”。在Split bearer中，NR PDCP用于LTE和NR，且數(shù)據(jù)流的“Split”是由PDCP完成的。

現(xiàn)網(wǎng)當(dāng)前采用主流配置，用戶默認(rèn)承載在NR側(cè)（LTE錨點(diǎn)側(cè)設(shè)置NSA DC默認(rèn)承載模式為SCG_SPLIT_BEARER），gNB根據(jù)數(shù)據(jù)分流模式設(shè)置決定用戶數(shù)據(jù)走向（當(dāng)設(shè)置SCG bearer時(shí)數(shù)據(jù)單獨(dú)走SN側(cè)，設(shè)置Split bearer時(shí)數(shù)據(jù)同時(shí)在SN/MN側(cè)傳輸）。

如圖13、圖14所示，實(shí)測對比（選擇倉山城門海峽西展外側(cè)燈桿進(jìn)行上下行灌包拉測）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分別向LTE分流（Split bearer模式）與不分流（SCG bearer模式）時(shí)對用戶體驗(yàn)速率的影響（以RSRP值為-100 dBm作中遠(yuǎn)臨界點(diǎn)）。LTE小區(qū)為10 M帶寬，總功率為20 W（RS配置15.2），5G NR小區(qū)總功率為200 W（功率配置值34.9），效果如下：

1）RSRP值≥100 dBm時(shí)，DC分流場景下總平均速率為38 Mbit/s（其中LTE平均速率為12 Mbit/s，NR速率為 26 Mbit/s），增益46%;

2）RSRP<100 dBm時(shí)，DC分流場景下總平均速率為11 Mbit/s（其中LTE平均速率為0.7 Mbit/s，NR速率為 8 Mbit/s），增益9%。

下行增益：

1）RSRP值≥100 dBm時(shí)，DC分流場景下平均總速率為359 Mbit/s（其中LTE平均速率為44 Mbit/s，NR速率為315 Mbit/s），增益為14%;

2）RSRP<100 dBm時(shí)，DC分流場景下平均速率為215 Mbit/s（其中LTE平均速率為14 Mbit/s，NR速率為201 Mbit/s），增益為7%。

在NSA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，5G站點(diǎn)配置DC分流對用戶體驗(yàn)有著較大提升作用，這將有效提升無人機(jī)高清視頻傳輸場景的上行速率，助力場景應(yīng)用發(fā)展。

（3）烏龍江無人機(jī)河道巡檢空口速率優(yōu)化應(yīng)用實(shí)例

如圖15所示，2019年5月福州烏龍江濕地公園河道上空開展無人機(jī)河道巡檢，烏龍江面開闊寬達(dá)1.5 km，河道西側(cè)是大學(xué)城，東側(cè)是三環(huán)城區(qū)，均是用戶密集區(qū)，江面信號雜亂，優(yōu)化評估后建設(shè)兩個(gè)5G站點(diǎn)覆蓋巡檢河段。

站點(diǎn)開通后，聯(lián)調(diào)發(fā)現(xiàn)視頻畫面在空域邊緣存在卡頓情況。因無人機(jī)巡河業(yè)務(wù)主要體現(xiàn)在視頻實(shí)時(shí)回傳上，對上行速率要求較高，在空域邊緣區(qū)域覆蓋較差上行速率不足。為提升空域邊緣上行速率，更好服務(wù)于無人機(jī)巡河的視頻觀看感知，調(diào)整了時(shí)隙配比4：1至7：3，并開啟DC分流后。調(diào)整后多次飛行，視頻直播畫面清晰流暢。

3.3? MEC部署優(yōu)化無人機(jī)響應(yīng)時(shí)延

（1）MEC概念

MEC（Multi-access Edge Computing，多接入邊緣計(jì)算）是ETSI標(biāo)準(zhǔn)組織提出的概念，是一種在相比中心DC（Data Center）更靠近終端用戶的邊緣位置提供用戶所需服務(wù)和云端計(jì)算功能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將應(yīng)用、內(nèi)容和MBB核心網(wǎng)部分業(yè)務(wù)處理和資源調(diào)度的功能一同部署到靠近終端用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣，通過業(yè)務(wù)靠近用戶處理，以及應(yīng)用、內(nèi)容與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同，來提供可靠、極致的業(yè)務(wù)體驗(yàn)[4]。

通過部署MEC，數(shù)據(jù)流將不經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)直接在MEC網(wǎng)絡(luò)下傳輸，去除了中間的邊界網(wǎng)關(guān)、防火墻、互聯(lián)網(wǎng)等節(jié)點(diǎn)，這有效提升無人機(jī)高清視頻傳輸?shù)臅r(shí)延，降低視頻畫面延遲。普通網(wǎng)絡(luò)與MEC部署業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流情況如圖16所示。

（2）江陰港無人機(jī)視頻巡港MEC部署優(yōu)化實(shí)例

福州港務(wù)集團(tuán)有限公司是國有全資港口企業(yè)，是福建省交通運(yùn)輸集團(tuán)有限責(zé)任公司所屬全資子公司，擁有交通部指定對臺客、貨運(yùn)直航的定點(diǎn)碼頭，共擁有碼頭泊位49個(gè)，在南翼江陰深水港區(qū)主要發(fā)展集裝箱運(yùn)輸，并為臨港工業(yè)提供綜合物流服務(wù)。港口生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，除普通探頭監(jiān)控外還需要對港口進(jìn)行無人機(jī)巡查，以更好地應(yīng)對突發(fā)事故，并給出危險(xiǎn)預(yù)警，業(yè)務(wù)對時(shí)延要求相對較高。

為提升視頻時(shí)延，通過在港口區(qū)域部署了MEC網(wǎng)絡(luò)，端到端PING時(shí)延改善28 ms，視頻畫面延遲在2 s以內(nèi)。

江陰港MEC部署組網(wǎng)圖如圖17所示。

4? ?結(jié)論

目前5G網(wǎng)絡(luò)無人機(jī)高清視頻傳輸主要還處于演示試點(diǎn)，本文結(jié)合試點(diǎn)應(yīng)用過程在5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中的實(shí)際應(yīng)用，探究5G網(wǎng)絡(luò)在無人機(jī)高清視頻傳輸場景下的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，對將來的場景優(yōu)化提供一些參考建議。

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