文／中交通信大數(shù)據(jù)（上海）科技有限公司 周元峰 楊煌財(cái) 從偉 宋亮

關(guān)鍵字:5G；相控陣技術(shù)；小型海上寬帶；無(wú)人機(jī)

1 研究背景

隨著近年人工智能和無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能化、科技化、無(wú)人化將是水域監(jiān)控和應(yīng)急作業(yè)在新時(shí)代的必由之路，智能機(jī)械代替人工成為海上作業(yè)控制人力成本、提高工作效率、增強(qiáng)應(yīng)急處理能力的有效方式。由于缺乏有效的地面基站支持，海上通信一直是小型無(wú)人機(jī)海上作業(yè)的短板。要實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)和海事“五個(gè)一流”的目標(biāo)，需要加快“陸?？仗臁毖b備設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)信息融合和科技應(yīng)用，有效構(gòu)建“陸?？仗臁绷Ⅲw通信網(wǎng)絡(luò)。本文提出和驗(yàn)證的基于小型海上寬帶5G 通信技術(shù)的無(wú)人機(jī)通信中繼和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將為海上多源信息的采集、積累、共享和大數(shù)據(jù)分析等未來(lái)自動(dòng)化作業(yè)提供重要保障。

1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

由于海上通信環(huán)境、應(yīng)用場(chǎng)景、用戶需求的特殊性，海上通信與陸地通信情況存在較大差異當(dāng)前，海上通信最大的問(wèn)題是岸基通信雖然速率高但覆蓋距離近，衛(wèi)星通信雖然覆蓋廣但速率低、延時(shí)大、費(fèi)用高。以往中遠(yuǎn)海通信主要依靠海事衛(wèi)星作為主要的應(yīng)急手段，帶寬低、費(fèi)用高等因素制約了海上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、圖像視頻傳輸需求的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)岸基通信手段只有甚高頻VHF、中頻MF 電臺(tái)提供的話音通信和NBDP、NAVTEXT 等窄帶數(shù)據(jù)通信，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足用戶需求，通信手段的不足嚴(yán)重限制了航運(yùn)及海上活動(dòng)尤其是海上搜救效果，為此世界各國(guó)都在研究尋找一種低成本、高效率、可靠實(shí)用的海上寬帶數(shù)字通信解決方案，重點(diǎn)解決距離沿岸中遠(yuǎn)距離內(nèi)的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題。

目前較為成熟先進(jìn)的解決方案是將最早應(yīng)用在雷達(dá)領(lǐng)域的相控陣天線技術(shù)應(yīng)用在通信系統(tǒng)中，研制使用電子相控波束成型技術(shù)的小型化智能天線，并使用目前尚未廣泛使用的5GHz頻段資源用于數(shù)據(jù)傳輸。目前，美國(guó)、日本、挪威等國(guó)都已經(jīng)開(kāi)始在本國(guó)船舶或海工平臺(tái)上部署類(lèi)似通信系統(tǒng)。目前我國(guó)相關(guān)技術(shù)尚不成熟，一些專業(yè)的通信技術(shù)科研院所在進(jìn)行相關(guān)研究，但尚未成熟的應(yīng)用到海上通信。

2 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 相控陣天線通信技術(shù)

相控陣天線是從陣列天線發(fā)展起來(lái)的，主要依靠相位變化實(shí)現(xiàn)天線波束指向在空間的移動(dòng)或掃描，亦稱電子掃描陣列（ESA）天線。相控陣天線的基本原理是微處理器接收到包含通信方向的控制信息后，根據(jù)控制軟件提供的算法計(jì)算出各個(gè)移相器的相移量，然后通過(guò)天線控制器來(lái)控制饋電網(wǎng)絡(luò)完成移相過(guò)程。由于移相能夠補(bǔ)償同一信號(hào)到達(dá)各個(gè)不同陣元而產(chǎn)生的時(shí)間差，所以此時(shí)天線陣的輸出同相疊加達(dá)到最大。一旦信號(hào)方向發(fā)生變化，只要通過(guò)調(diào)整移相器的相移量就可使天線陣波束的最大指向做相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)波束掃描和跟蹤。

2.2 5G 天線射頻關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

大規(guī)模MIMO 技術(shù)是指在5G 通信系統(tǒng)中采用一定規(guī)模的天線陣列。通過(guò)多天線系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多信號(hào)傳播路徑（如圖2-1所示），從而確?？臻g復(fù)用，有效提升系統(tǒng)射頻效率和可靠性。利用大規(guī)模的天線陣列實(shí)現(xiàn)多用戶波束智能賦型，并提升波束本身的定向性，將明顯提升空間分辨率?？梢猿浞滞诰蚩臻g的維度資源，顯著提升頻譜效率。波束非常集中，可以降低對(duì)其他用戶的干擾，同時(shí)降低發(fā)射功率，有效提升功率效率。

2.2.2 同頻全雙工技術(shù)

同頻全雙工技術(shù)被看做是5G 通信射頻技術(shù)中最具潛力、可以被充分挖掘頻譜資源的重要技術(shù)，將形成無(wú)線頻譜資源合理使用的全新局面。對(duì)比傳統(tǒng)FDD、TDD 雙工形式（如圖2-2所示），無(wú)線同頻全雙工技術(shù)（如圖2-3 所示）的優(yōu)勢(shì)在于可以保證同頻段的同時(shí)收發(fā)，提升了無(wú)線頻譜資源的使用頻率，同時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層的優(yōu)化設(shè)計(jì),研發(fā)重點(diǎn)集中于充分挖掘和分析頻譜資源。這兩種通信技術(shù)已經(jīng)難以滿足實(shí)際需要。因此，提升同頻全雙工通信技術(shù)的研究質(zhì)量，成為當(dāng)前5G 通信技術(shù)的研究重點(diǎn)。

圖2 （a）頻分雙工系統(tǒng)頻段分配示意圖（b）時(shí)分雙工系統(tǒng)時(shí)隙分配示意圖

圖3 同頻全雙工系統(tǒng)時(shí)隙、頻段分配示意圖

2.2.3 毫米波技術(shù)

5G 通信系統(tǒng)的高網(wǎng)絡(luò)容量和高傳輸速率，需要有相應(yīng)的頻譜資源加以保障。3GHz 下的低頻段頻譜較為擁堵，高頻段頻譜資源相對(duì)豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)高速無(wú)線通信，同時(shí)能滿足5G 通信系統(tǒng)對(duì)傳輸速率和容量的基本要求。伴隨微波毫米波集成電路的持續(xù)發(fā)展，射頻通信技術(shù)不斷成熟，毫米波通信必然會(huì)成為移動(dòng)通信的主要技術(shù)形式。毫米波頻段是5G 通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向之一，很多國(guó)家和相關(guān)研究部門(mén)對(duì)毫米波頻段通信技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證與研究工作。同時(shí)，毫米波通信技術(shù)能夠整合MIMO 技術(shù)實(shí)現(xiàn)多波束賦型，可以提供良好的空間分辨率，有效提升了頻譜使用效率。毫米波頻段信號(hào)在空氣中傳播會(huì)出現(xiàn)較大幅度的衰減，繞射能力也較弱。換言之，如果5G 通信利用毫米頻波段技術(shù)會(huì)被阻礙物所抵擋，穿墻功能相對(duì)較差。但是，能夠使用毫米頻波段的這一特征拉近不同終端之間的距離?？諝庵醒鯕獾墓舱耦l率通常為60GHz，以此為依據(jù)，5G 通信系統(tǒng)選擇60GHz 毫米波頻段，能夠有效避免終端信號(hào)干擾的問(wèn)題。顯然，該特征不能在手機(jī)終端與基站距離較遠(yuǎn)的情況下使用。

2.3 陣列天線波束成形技術(shù)

波束成形技術(shù)是預(yù)編碼技術(shù)中一種典型代表，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多天線系統(tǒng)中的陣列增益。它的實(shí)現(xiàn)原理是利用信號(hào)中空間方向信息，從而讓位于特定方向的信號(hào)經(jīng)歷相長(zhǎng)干涉，而其它方向的信號(hào)經(jīng)歷相消干涉。因此，可以通過(guò)調(diào)整天線陣列中每個(gè)天線上發(fā)送信號(hào)的幅值和相位，使得每個(gè)波束的主瓣恰好能夠?qū)?zhǔn)其對(duì)應(yīng)的用戶，同時(shí)將天線方向圖的旁瓣置于其他用戶的方位處。與全向天線的接收/傳輸相比較，波束成形技術(shù)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)空間選擇性，進(jìn)而大幅提升用戶接收信號(hào)的信干燥比，以達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)容量或增大覆蓋范圍的目的。

3 需求分析

傳統(tǒng)巡邏艇巡航速度慢、視野窄，燃油使用、巡邏艇的設(shè)備維護(hù)及保養(yǎng)成本都比較高。相比無(wú)人機(jī)具有飛得高、看得遠(yuǎn)、范圍廣、視角全面等空中俯視優(yōu)勢(shì)，在和船舶巡航距離相同的情況下，無(wú)人機(jī)的巡視范圍輻射面積約為船舶的12 倍，可在有限時(shí)間內(nèi)極大地提高海事巡航和預(yù)檢的效率。海上無(wú)人機(jī)采集面廣，數(shù)據(jù)量大，對(duì)通信帶寬、距離、穩(wěn)定性有更高的要求，通信技術(shù)是無(wú)人機(jī)在海上全面展開(kāi)、應(yīng)用的基礎(chǔ)，具備實(shí)時(shí)通信的能力，無(wú)人機(jī)從空中采集的數(shù)據(jù)才具有時(shí)效性。然而，現(xiàn)階段海上通信基本通過(guò)衛(wèi)星、微波等設(shè)備，速率低、延時(shí)大、費(fèi)用高，是當(dāng)前海上通信不可避免的弊端。小型無(wú)人機(jī)因荷載能力有限無(wú)法掛載衛(wèi)星通信設(shè)備，因此研究小型海上寬帶5G 通信技術(shù)與小型無(wú)人機(jī)的搭載和應(yīng)用，對(duì)拓展海上無(wú)人機(jī)應(yīng)用變得至關(guān)重要。

4 基于無(wú)人機(jī)的海上5G 通信遠(yuǎn)距離測(cè)試

4.1 網(wǎng)絡(luò)連通性及可用性測(cè)試

高度保持通信能力測(cè)試：本文在海岸線高度為60 米的樓頂進(jìn)行簡(jiǎn)單部署海上寬帶岸基設(shè)備，利用小型無(wú)人機(jī)部署輕量化海上寬帶機(jī)載設(shè)備，以測(cè)試無(wú)人機(jī)載海上寬帶5G 通信的可行性。測(cè)試示意圖所示。

圖4 小型海上寬帶示意圖

岸基設(shè)備設(shè)置站點(diǎn)信息，配置頻點(diǎn)為5862，創(chuàng)建CTTIC局域網(wǎng)并將三方管理設(shè)備統(tǒng)一加入局域網(wǎng)其中包括但不限于室外無(wú)線網(wǎng)橋（AP）、交換機(jī)、路由器。主站建立局域網(wǎng)，機(jī)載設(shè)備作為副站加入局域網(wǎng)且將機(jī)載設(shè)備相關(guān)的三方也加入。通信過(guò)程中，岸基基站、機(jī)載基站無(wú)主備之分。

圖5 小型海上寬帶位置示意圖

建立通信鏈路后，無(wú)人機(jī)根據(jù)規(guī)劃航路向海上縱深飛行70KM， 分 別 在10KM、20KM、30KM、40KM、50KM、60KM、70KM 處測(cè)試連通性及穩(wěn)定性。實(shí)時(shí)觀測(cè)Ping 包情況。從驗(yàn)證情況分析，在70KM處海上寬帶設(shè)備連通且穩(wěn)定，延時(shí)低、無(wú)丟包，數(shù)據(jù)包往返行程平均時(shí)間為28 毫秒。

圖6 Ping 包情況圖

到達(dá)70KM 處，無(wú)人機(jī)保持高度100 米開(kāi)始返程，并使用測(cè)試軟件實(shí)時(shí)測(cè)試帶寬，數(shù)值如下。

表4-1 海上通信技術(shù)驗(yàn)證距離、帶寬間關(guān)系

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)，70KM 處實(shí)時(shí)測(cè)總帶寬為0.1Mbps，基本不具備視頻傳輸能力；50KM 處總帶寬數(shù)值突躍至3Mbps，可傳輸一路1080 高清視頻數(shù)據(jù)；45.7KM 處帶寬上升至7Mbps，滿足海上空中高帶寬數(shù)據(jù)傳輸需求；27.2KM 至海岸沿線總帶寬保持在15Mbps。如圖理論值與實(shí)際值對(duì)比分析，本文測(cè)試的基于小型無(wú)人機(jī)的小型海上5G 寬帶設(shè)備帶寬實(shí)際測(cè)試數(shù)值基本與理論計(jì)算數(shù)值保持一致。

圖7 海上通信距離、帶寬關(guān)系圖

變高通信能力測(cè)試：保持岸基高度不變，測(cè)試無(wú)人機(jī)飛行高度對(duì)海上通信帶寬的影響。無(wú)人機(jī)飛行至27.2KM 處，無(wú)人機(jī)高度從100 米降至10 米，實(shí)時(shí)測(cè)試總帶寬依舊為15Mbps。飛行至45.7KM 處，無(wú)人機(jī)高度從100 米降至10 米，實(shí)時(shí)測(cè)得總帶寬從7Mpbs 降低至4Mbps。無(wú)人機(jī)從46KM 處，原路返航。由此，初步可判斷，通信帶寬與設(shè)備部署高度、距離有緊密的關(guān)系，機(jī)載設(shè)備高度越高帶寬越高，距離越近帶寬越高。間接可分析得，在設(shè)備帶寬穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值，機(jī)載設(shè)備高度越高，通信距離越遠(yuǎn)。岸基設(shè)備為60 米，機(jī)載設(shè)備100 米，15Mpbs 帶寬的極限通信為27.2KM。

4.2 系統(tǒng)可用性測(cè)試

海上網(wǎng)絡(luò)連通性測(cè)試成功后,進(jìn)行視頻傳輸可用性驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)小型垂起復(fù)合翼無(wú)人機(jī)集成安裝高清攝像頭,并與小型海上5G 寬帶通信設(shè)備接口，基于無(wú)人機(jī)和小型海上寬帶5G 設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻傳輸測(cè)試。白光攝像機(jī)清晰度為1080P，一路視頻傳回帶寬需4M，無(wú)人機(jī)自主飛行航路規(guī)劃及監(jiān)控如下圖顯示，并通過(guò)地面站觀看航拍效果。如圖所示,在離岸縱深30 公里左右,能夠清晰地拍攝和高速回傳海上采集的實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面。

圖8 地面站監(jiān)控?zé)o人機(jī)飛行情況圖

圖9 離岸30 公里航拍視頻截圖

5 基于海上5G 遠(yuǎn)程通信的無(wú)人機(jī)應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載小型海上5G 通信設(shè)備和煙氣嗅探設(shè)備，對(duì)長(zhǎng)江口航道上的船舶進(jìn)行煙氣采集和實(shí)時(shí)分析，并將現(xiàn)場(chǎng)圖像和分析結(jié)果通過(guò)海上寬帶實(shí)時(shí)回傳。海事管理執(zhí)法部門(mén)可根據(jù)實(shí)時(shí)分析的結(jié)果，一鍵生成報(bào)告,指派海巡艇進(jìn)行及時(shí)的登船執(zhí)法和現(xiàn)場(chǎng)視頻回傳。通過(guò)無(wú)人機(jī)的快速出動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)信息收集，取證信息實(shí)時(shí)回傳等，能夠顯著提升?？章?lián)合巡航執(zhí)法效率，幫助海事管理部門(mén)優(yōu)化通航環(huán)境，加強(qiáng)違規(guī)違法行為的發(fā)現(xiàn)和處置力度。

此外，研究團(tuán)隊(duì)利用垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)搭載30 倍高清雙光攝像機(jī)，協(xié)助海事管理部門(mén)對(duì)海上大面積轄區(qū)進(jìn)行巡檢和業(yè)務(wù)監(jiān)管。前端無(wú)人機(jī)視頻通過(guò)海上寬帶實(shí)時(shí)回傳至指揮中心，將傳統(tǒng)海巡艇巡航模式轉(zhuǎn)換為空中巡航模式，大視角立體觀察轄區(qū)內(nèi)各類(lèi)情況，包括但不限于違規(guī)停泊、違規(guī)排污、非法走私、船舶逆行、溢油監(jiān)測(cè)等?；跓o(wú)人機(jī)和遠(yuǎn)程5G 通信技術(shù)的視頻證據(jù)的及時(shí)采集、傳送和保存，在降低傳統(tǒng)海事監(jiān)管成本的同時(shí)，可大幅提升行政執(zhí)法取證時(shí)效性和處罰效率，夯實(shí)證據(jù)鏈，保證海事執(zhí)法公開(kāi)公正透明。

6 結(jié)論

針對(duì)水域轄區(qū)范圍大，水域的巡邏艇有限，不能完全滿足業(yè)務(wù)巡檢，巡邏艇的使用成本較高，船用燃油及巡邏艇的設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)比較高等痛點(diǎn)，本文對(duì)無(wú)人機(jī)和小型海上寬帶5G 通信技術(shù)的集成應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)可搭載各類(lèi)設(shè)備其中包括但不限于白光攝像機(jī)、雙光攝像機(jī)、煙氣監(jiān)測(cè)儀、喊話器等，執(zhí)行各類(lèi)飛行任務(wù)，通過(guò)小型海上5G 通信技術(shù)的加持，既可實(shí)時(shí)采集、回傳現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，又可通過(guò)指揮中心下達(dá)命令執(zhí)行精準(zhǔn)化任務(wù)，可以大幅節(jié)約傳統(tǒng)海巡艇的日常使用及成本支持，并從空中視角提升海事管理部門(mén)的科學(xué)管理水平。

高帶寬的5G 通信技術(shù)在無(wú)人機(jī)上的應(yīng)用是海上無(wú)人機(jī)能夠推廣應(yīng)用的重要條件，只有通信鏈路真正意義上的打通，無(wú)人機(jī)作才能在海上作業(yè)中發(fā)揮更大的作用。通過(guò)本研究測(cè)試發(fā)現(xiàn)，小型海上寬帶通信距離與岸端、機(jī)載端設(shè)備架設(shè)高度、帶寬有著緊密的關(guān)系，當(dāng)岸基設(shè)備高度確定，機(jī)載設(shè)備高度越高，通信距離越遠(yuǎn)，帶寬越高。在實(shí)際應(yīng)用中，也可犧牲一部分帶寬，獲得更大的通信距離，兩者相輔相成，可根據(jù)海上應(yīng)用的距離、視頻帶寬、接入數(shù)量等需求等綜合確定。