馬 丹，田 軍

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 山東省分公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

近幾年，業(yè)內(nèi)廠家將無(wú)人機(jī)與通信基站結(jié)合起來(lái)，借助系留式無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間飛行的特性和基站產(chǎn)品深度結(jié)合，提出了系留式無(wú)人機(jī)高空基站解決方案，可滿足應(yīng)急救災(zāi)指揮、熱點(diǎn)覆蓋等應(yīng)急通信場(chǎng)景下的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的系留式無(wú)人機(jī)高空基站解決方案主要是基于4G的系統(tǒng)。受限于5G基站重量、天線復(fù)雜度等因素，迄今尚未有成熟的5G系留式無(wú)人機(jī)高空基站產(chǎn)品，且從未考慮過(guò)實(shí)際的應(yīng)急業(yè)務(wù)需求。

1 系留無(wú)人機(jī)智簡(jiǎn)專網(wǎng)方案技術(shù)介紹

系留無(wú)人機(jī)因其靈活機(jī)動(dòng)、部署快捷等特點(diǎn)，在應(yīng)急通信保障領(lǐng)域受到越來(lái)越多的重視，并發(fā)揮了不可替代的作用?；?G系留式無(wú)人機(jī)高空基站和5G通信系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，佰才邦公司與中興公司聯(lián)合研發(fā)了一款全新的5G無(wú)人機(jī)高空基站解決方案。該解決方案基于大載重系留式無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、專門為無(wú)人機(jī)場(chǎng)景打造的輕量化5G基站以及結(jié)合無(wú)人機(jī)與基站需求定制的5G機(jī)載基站天線系統(tǒng)，具有更加強(qiáng)大的應(yīng)急通信保障能力。結(jié)合中興通訊最新推出的算計(jì)基站/視頻網(wǎng)關(guān)方案和中山智能車研究院的智能操控?zé)o人車技術(shù)，在高空無(wú)人機(jī)覆蓋場(chǎng)景下，構(gòu)建起一套完整的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)解決方案，大大提高了設(shè)備的投資效率。

1.1 總體解決方案

5G無(wú)人機(jī)高空基站解決方案由系留式無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、5G高空基站系統(tǒng)、機(jī)載基站定制天線系統(tǒng)等組成[1]。機(jī)載5G射頻拉遠(yuǎn)單元（Radio Remote Unit，RRU）設(shè)備通過(guò)系留無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的光纖線路與地面5G室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unite，BBU）設(shè)備相連，繼而再通過(guò)衛(wèi)星通信車或便攜式衛(wèi)星終端將信號(hào)接入遠(yuǎn)端核心網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)受災(zāi)地區(qū)移動(dòng)信號(hào)的快速覆蓋，極大地滿足組網(wǎng)及擴(kuò)容的帶寬要求。在基站V9200 BBU上安裝算力板卡，支持本地分流等功能，通過(guò)本地分流將無(wú)人機(jī)航拍視頻，無(wú)人車的IP攝像頭和串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，SDI）攝像頭視頻回傳到本地應(yīng)急指揮服務(wù)器，并能完成應(yīng)急指揮服務(wù)器遠(yuǎn)程控制無(wú)人車的操作。

1.2 系留無(wú)人機(jī)解決方案

系留無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由系留無(wú)人機(jī)空中系統(tǒng)、系留無(wú)人機(jī)地面系統(tǒng)、系留無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中系留無(wú)人機(jī)空中系統(tǒng)依靠系留無(wú)人機(jī)地面系統(tǒng)通過(guò)線纜的供電實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的飛行，并將系留無(wú)人機(jī)空中系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)通過(guò)系留無(wú)人機(jī)地面系統(tǒng)內(nèi)的線纜光纖回傳到地面端。

整套系留無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可分裝在2個(gè)箱體內(nèi)，可由普通的皮卡等車輛運(yùn)輸，其中無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)單獨(dú)收納于航空箱中，航空箱和系線纜收線箱可各自單獨(dú)安放。在使用系留無(wú)人機(jī)外出作業(yè)時(shí)，由車輛裝載系留無(wú)人機(jī)系統(tǒng)到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)后，只須將系留無(wú)人機(jī)由車上搬至地面，然后由操作人員通過(guò)地面站/遙控器控制其起飛并開展作業(yè)即可。

SkyCells-T15kg200m系留無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)為多旋翼無(wú)人機(jī)，采用了六旋翼布局的升力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，此布局具有負(fù)載大和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，與一般的四旋翼無(wú)人機(jī)相比搭載能力性能突出[2]。

1.3 5G高空基站解決方案

考慮到系留無(wú)人機(jī)平臺(tái)的實(shí)際載重能力和飛行安全，4G/5G基站的選型主要考慮PAD RRU的體積、重量、功耗等因素作為關(guān)鍵選型要素。R9115 M2135做為雙頻雙模PAD RRU是中興公司根據(jù)全新的場(chǎng)景開發(fā)的平臺(tái)和產(chǎn)品，能夠滿足燈桿站以及無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信場(chǎng)景的要求。

1.4 智簡(jiǎn)專網(wǎng)方案

本次智簡(jiǎn)專網(wǎng)方案中，首次在應(yīng)急通信場(chǎng)景使用中興自研新一代邊緣計(jì)算產(chǎn)品NodeEngine和中興的一款低時(shí)延視頻網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品SE9102。

NodeEngine又稱創(chuàng)新基站引擎，將算力下沉至基站側(cè)；硬件只涉及一塊單板，部署簡(jiǎn)單即開即用；提供更好的無(wú)線能力支撐且成本可控。

NodeEngine采用單BBU部署，BBU增加VGC單板，提供基站級(jí)流量卸載（Traffic Offload Function，TOF）功能及低時(shí)延視頻、孤站自治等附加網(wǎng)絡(luò)能力，滿足各種突發(fā)場(chǎng)景下應(yīng)急通信臨時(shí)專網(wǎng)搭建服務(wù)。

SmartEdge 9102（SE 9102）是一款業(yè)界領(lǐng)先的低時(shí)延視頻網(wǎng)關(guān)，可提供視頻編碼、數(shù)據(jù)回傳等各類業(yè)務(wù)。得益于強(qiáng)大的內(nèi)置算力及先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可提供高性能、多樣化服務(wù)支撐，且外形緊湊、可靠性高，同時(shí)可與各種通用工業(yè)輸入輸出（Input/Output，I/O）接口完美對(duì)接。

SE9102支持多樣的部署場(chǎng)景、配備豐富的工業(yè)接口、具有超強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力并且組網(wǎng)方案較為靈活。

對(duì)于無(wú)人車視頻業(yè)務(wù)，SE9102收到下掛的海康IP攝像頭和SDI攝像頭視頻報(bào)文后，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)分流至NE連接的視頻播放端播放。其中SDI攝像頭的視頻數(shù)據(jù)會(huì)在SE9102側(cè)完成編碼，然后通過(guò)分流網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，顯著降低視頻時(shí)延。

為保障業(yè)務(wù)連續(xù)性開啟孤站自治功能，當(dāng)基站到核心網(wǎng)NG-C斷鏈時(shí)，對(duì)于連接態(tài)終端保持Connected不釋放，配置通過(guò)切片+5QI選擇特定用戶，可使其已有業(yè)務(wù)不中斷，提高網(wǎng)絡(luò)整體穩(wěn)定性。

1.5 機(jī)載基站定制天線解決方案

本次使用的5G基站支持4T4R的特性，為了更好地測(cè)試5G基站在高空條件下的覆蓋效果，找到最優(yōu)的覆蓋條件。在本次測(cè)試中，使用的天線配置如下：4根單極化全向天線，每根天線最大增益8 dBi；在無(wú)人機(jī)兩側(cè)安裝天線，每側(cè)2根，同側(cè)2根天線之間的夾角為45°。

2 系留無(wú)人機(jī)智簡(jiǎn)專網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系留無(wú)人機(jī)智簡(jiǎn)專網(wǎng)的實(shí)際效果，山東聯(lián)通聯(lián)合中興通訊、佰才幫及中山智能研究院在濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)文昌水利站構(gòu)建智簡(jiǎn)專網(wǎng)。本次課題針對(duì)無(wú)人機(jī)5G下行覆蓋效果、無(wú)人機(jī)5G上行覆蓋效果、本地分流功能測(cè)試、低時(shí)延視頻回傳功能測(cè)試以及孤站自治功能測(cè)試測(cè)試，為后續(xù)無(wú)人機(jī)組網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)空天一體化的通信演進(jìn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1 5G下行覆蓋效果驗(yàn)證

無(wú)人機(jī)基站開通3.5 GHz新空口（New Radio，NR），配上4根單極化全向天線進(jìn)行覆蓋，采用地面光纖的回傳方式接入核心網(wǎng)[3]。固定天線傾角，無(wú)人機(jī)分別懸停于100 m高空、120 m高空、150 m高空進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，5G小區(qū)配置商用功率，測(cè)試車輛?？吭跓o(wú)人機(jī)單小區(qū)中心位置，固定終端位置，并進(jìn)行FTP下載或下行灌包業(yè)務(wù)，以相對(duì)固定的低速（小于30 km/h）沿小區(qū)主瓣覆蓋方向向遠(yuǎn)處移動(dòng)，直至掉線，重復(fù)測(cè)試2次。

下行媒體訪問(wèn)控制（Medium Access Control，MAC）定點(diǎn)峰值速率能達(dá)到1103 Mb/s，PAD RRU采用了高帶寬（100 MHz）高效GaN功放的全新技術(shù)，峰值速率較高。不同高度的下行拉遠(yuǎn)測(cè)試結(jié)果比較如表1所示。

表1 不同高度下行拉遠(yuǎn)測(cè)試結(jié)果的比較（濟(jì)南測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)）

無(wú)人機(jī)高度越高，覆蓋距離表現(xiàn)越好，但速率性能會(huì)有一定的損失[4]。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，150 m的時(shí)候覆蓋距離約為3.4 km，平均參考信號(hào)接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP） 相 比 于100 m、120 m時(shí)低了大約6 dBm。由于隨著覆蓋距離延伸，大部分處于差點(diǎn)點(diǎn)位，導(dǎo)致速率和平均電平都會(huì)降低。

2.2 5G上行覆蓋效果驗(yàn)證

無(wú)人機(jī)基站開通3.5 GHz NR，配上4根單極化全向天線進(jìn)行覆蓋，基站采用地面光纖的回傳方式接入核心網(wǎng)。固定天線傾角，無(wú)人機(jī)懸停于150 m高空進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，5G小區(qū)配置商用功率，測(cè)試車輛?？吭跓o(wú)人機(jī)單小區(qū)中心位置，固定終端位置，并進(jìn)行文件傳輸協(xié)議（File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）上傳或上行灌包業(yè)務(wù)，以相對(duì)固定的低速（小于30 km/h）沿小區(qū)主瓣覆蓋方向向遠(yuǎn)處移動(dòng)，直至掉線，重復(fù)測(cè)試2次。上行拉遠(yuǎn)測(cè)試結(jié)果的比較如表2所示。

表2 上行拉遠(yuǎn)測(cè)試結(jié)果的比較（濟(jì)南測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)）

可以看出，上行峰值速率可達(dá)312 Mb/s，測(cè)試的拉遠(yuǎn)距離達(dá)到2.97 km左右，和下行拉遠(yuǎn)距離存在一些差距，這是由于基站周邊存在同頻干擾，在遠(yuǎn)點(diǎn)的時(shí)候上行更容易受到干擾而導(dǎo)致終端拖網(wǎng)，所以拉遠(yuǎn)距離和下行存在一定差距，上行平均速率在30 Mb/s左右。

后續(xù)覆蓋測(cè)試可考慮提升無(wú)人機(jī)高度，由于此次測(cè)試無(wú)人機(jī)載重受限，最大高度飛到了150 m，后期建議可以飛到200 m高度，測(cè)試最大覆蓋距離；同時(shí)增加天線與垂直方向5°、10°、15°、20°夾角的遍歷。此次測(cè)試無(wú)人機(jī)天線結(jié)構(gòu)件只支持45°夾角，而對(duì)于天線覆蓋增益來(lái)說(shuō)，不同角度的測(cè)試覆蓋數(shù)據(jù)更加全面。

2.3 本地分流功能測(cè)試

2.3.1 靜態(tài)NAT功能驗(yàn)證

無(wú)人機(jī)基站開通3.5 GHz NR，基站采用地面光纖的回傳方式接入核心網(wǎng)。通過(guò)BBU增加VGC單板構(gòu)建算力基站，將客戶終端設(shè)備（Customer Premise Equipment，CPE）注冊(cè)到5G網(wǎng)絡(luò)，開啟移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）協(xié)同配置和隔離區(qū)（Demilitarized Zone，DMZ）配置，將本地服務(wù)器與NE本地接口連通，在本地分流模塊上配置設(shè)備相關(guān)的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translator，NAT）規(guī)則，將分流用戶的源地址轉(zhuǎn)換為固定的本地網(wǎng)地址，終端通過(guò)NAT轉(zhuǎn)換后的地址訪問(wèn)本地應(yīng)用[5]。配置靜態(tài)NAT規(guī)則后，算力基站能將無(wú)人機(jī)上CPE上動(dòng)態(tài)獲取的廣域網(wǎng)（Wide Area Network，WAN）地址NAT映射為固定的本地網(wǎng)地址192.168.10.99，簡(jiǎn)化本地應(yīng)急指揮服務(wù)器組網(wǎng)。

2.3.2 層二數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（VxLAN）功能驗(yàn)證

無(wú)人車控制主機(jī)網(wǎng)線連接SE9102的ETH2端口，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.1.100。本地服務(wù)器直連NE面板端口，服務(wù)器配置成和無(wú)人車同網(wǎng)段的192.168.1.167地址，從本地服務(wù)器ping無(wú)人車。從本地服務(wù)器端通過(guò)分流網(wǎng)絡(luò)控制無(wú)人車，可以成功控制車輛行駛。

2.4 SE9102低時(shí)延視頻回傳功能驗(yàn)證

在SE9102視頻網(wǎng)關(guān)上面，連接SDI高清攝像頭和?？低旾P攝像頭，能夠成功發(fā)現(xiàn)設(shè)備。在本地服務(wù)器側(cè)，使用配套軟件FlashVideo，能夠成功播放兩個(gè)攝像頭的視頻。

使用網(wǎng)頁(yè)計(jì)時(shí)器粗略計(jì)算視頻時(shí)延：將SDI攝像頭和?？礗P攝像頭同時(shí)拍攝筆記本上的網(wǎng)頁(yè)計(jì)時(shí)器，在播放端筆記本上也打開網(wǎng)頁(yè)計(jì)時(shí)器，對(duì)回傳視頻畫面進(jìn)行截屏，根據(jù)回傳視頻中的計(jì)時(shí)器時(shí)間和播放端上計(jì)時(shí)器的時(shí)間差能粗略計(jì)算出視頻時(shí)延，根據(jù)回傳視頻中兩個(gè)攝像頭拍攝的計(jì)時(shí)器時(shí)間差能計(jì)算出SDI攝像頭時(shí)延和?？礗P攝像頭的時(shí)延差。

測(cè)試得出SDI視頻時(shí)延小于100 ms，SDI低時(shí)延攝像頭時(shí)延較IP攝像頭小約200 ms，能夠大幅降低視頻的回傳時(shí)延，在應(yīng)急救災(zāi)場(chǎng)景中可有效進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控救援。

2.5 孤站自治功能驗(yàn)證

孤站自治功能滿足各種突發(fā)場(chǎng)景下應(yīng)急通信臨時(shí)專網(wǎng)搭建服務(wù)，在傳輸中斷的條件下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和操控的穩(wěn)定運(yùn)行。方案初步具備了應(yīng)急公網(wǎng)和專網(wǎng)結(jié)合的能力，為解決救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)終端互相不兼容等問(wèn)題提供了一種可行性方案。

3 結(jié) 論

本文從系留無(wú)人機(jī)解決方案、5G高空基站方案、智簡(jiǎn)專網(wǎng)方案及定制化天線方案等方面詳細(xì)介紹了系留無(wú)人機(jī)智簡(jiǎn)專網(wǎng)方案的構(gòu)成，解決了應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)多系統(tǒng)終端不兼容的問(wèn)題。