代海剛

（福建省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是未來幾十年的重要研究任務(wù)，需要考慮特殊環(huán)境下的干擾，盡可能提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，從而為應(yīng)急事故提供可靠通信服務(wù)[1]。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)雖然在穩(wěn)定性和機(jī)動性兩個方面做出了改進(jìn)，但是遇到極端場景，天線投射面積會受到較大的限制，由于覆蓋面積較小，所以不能滿足大部分場所的應(yīng)急通信需求。無人機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)通信服務(wù)模式[2]。該項技術(shù)主要使用無人機(jī)基站傳輸信息，因基站具有較強(qiáng)的靈活性能，所以應(yīng)用前景較為廣闊。另外，5G 技術(shù)的產(chǎn)生，為改善其配置空間創(chuàng)造了有利條件[3]。因此，本文嘗試運用5G 網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建固定翼無人機(jī)應(yīng)急通信系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的覆蓋能力展開測試分析。

1 固定翼無人機(jī)應(yīng)急通信系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

本系統(tǒng)利用機(jī)載基站安全網(wǎng)關(guān)，建立智能終端與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信連接，實現(xiàn)了大面積通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋。為了降低干擾，本系統(tǒng)添加了宏站結(jié)構(gòu)和SP-GW 裝置，形成了終端用戶面路徑和機(jī)載基站IPSec 路徑。系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由現(xiàn)網(wǎng)宏站、無人機(jī)平臺、安全網(wǎng)關(guān)、機(jī)載基站、回傳終端（Customer Premise Equipment，CPE）、SP-GW 組成。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，回傳終端、機(jī)載基站均部署在上飛機(jī)設(shè)備中，作為數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)覆蓋工具，分別與用戶終端和宏站建立連接，形成信號傳輸路徑[4]。安全網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)運行安全管理功能模塊，主要對用戶的操作權(quán)限和身份識別進(jìn)行管理，為用戶提供不同操作權(quán)限的服務(wù)，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)下載等服務(wù)，通過對數(shù)據(jù)采取加密處理，從而提高數(shù)據(jù)傳輸期間的安全性。經(jīng)過加密處理后的數(shù)據(jù)將被發(fā)送至CPE，經(jīng)過宏站傳輸?shù)桨踩W(wǎng)關(guān)，對數(shù)據(jù)采取解密處理后生成原始數(shù)據(jù)。此部分?jǐn)?shù)據(jù)最終上傳至互聯(lián)網(wǎng)平臺，以便應(yīng)急工作獲取相關(guān)信息[5]。從該結(jié)構(gòu)的分布情況來看，該系統(tǒng)具有較高的數(shù)據(jù)傳輸安全性。

1.2 系統(tǒng)作業(yè)平臺

無人機(jī)作業(yè)平臺作為本系統(tǒng)的核心組成部分，對性能和功能的要求較高。綜合以下幾項要求，為系統(tǒng)選取適合的作業(yè)平臺。

（1）續(xù)航時長。為了滿足應(yīng)急通信需求，需要持續(xù)20 個小時以上的連續(xù)通信，所以無人機(jī)的續(xù)航時間不得低于20 個小時。

（2）載荷量。要求作業(yè)平臺的載荷量大一些，能夠搭載較多通信設(shè)備。部分應(yīng)急事故的監(jiān)測需要多種設(shè)備同時作業(yè)，所以平臺的荷載量參數(shù)應(yīng)當(dāng)大一些[6]。

（3）硬件設(shè)備部署及系統(tǒng)運行。要求硬件設(shè)備組成架構(gòu)較為簡單，能夠在短時間內(nèi)完成架構(gòu)部署，支持突發(fā)狀況的應(yīng)急通信。

（4）成本與實用性。系統(tǒng)開發(fā)必須控制成本，同時也要保證無人機(jī)可用性較強(qiáng)，能夠在實際應(yīng)用中發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋作用[7]。

（5）運輸便捷?？紤]到應(yīng)急事件的發(fā)生存在不確定性，無法確定下一個事件發(fā)生的位置，所以要求在短時間內(nèi)能將設(shè)備轉(zhuǎn)移到所需位置，因此要求無人機(jī)平臺的運輸便捷性較高。

（6）滯空穩(wěn)定。為了使網(wǎng)絡(luò)信號穩(wěn)定，對無人機(jī)的滯空懸停能力要求較高。無人機(jī)要能夠根據(jù)信號覆蓋要求，在指定位置滯空懸停。

目前，應(yīng)用比較多的無人機(jī)有兩種，一種為專業(yè)無人機(jī)，另外一種為民用無人機(jī)。由于民用無人機(jī)自帶蓄電池支持的持續(xù)飛行時間不足70 min，未能達(dá)到要求。專業(yè)無人機(jī)分為3 種，分別是固定翼無人機(jī)、系留式無人機(jī)、旋翼無人機(jī)[8]。以外形尺寸大小、載荷量、攜帶便捷、操作簡單性等作為對比指標(biāo)，最終選擇了固定翼無人機(jī)。這種類型的無人機(jī)可以滿足上述提出的6 項要求，綜合性能最高。

1.3 5G 環(huán)境基站設(shè)備硬件規(guī)格

本系統(tǒng)選取5G 一體化基站設(shè)備，專為無人機(jī)機(jī)載作業(yè)需求定制?；驹O(shè)備硬件具體規(guī)格如表1所示。

表1 5G 一體化基站設(shè)備硬件規(guī)格

1.4 5G 環(huán)境基站設(shè)備接口設(shè)置

本系統(tǒng)應(yīng)急通信的正常運行，需要不同類型的接口搭配使用，將網(wǎng)絡(luò)、電源、調(diào)試、通信、GPS、光纖等聚集到一起，為系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)創(chuàng)造基礎(chǔ)環(huán)境?；驹O(shè)備主要接口的功能與規(guī)格如下：

這段論述其實是推衍朱熹《孟子集注》而來的，朱熹對此章的解釋是：“守身，持守其身，使不陷于不義也。一失其身，則虧體辱親，雖日用三牲之養(yǎng)，亦不足以為孝矣。事親孝，則可忠可移于君，順可移于長。身正，則家齊、國治而天下平?！?《孟子集注》卷八《離婁上》)但董氏將守身與敬身、成身聯(lián)系了起來，認(rèn)為要守身必先敬身，敬身是成就雙親的前提，而事親則又是成就自身的先決條件，一個人如果能做到這一步，那么其忠心可為國君服務(wù)，其順從可為長上效力了，如此就可國治而天下平了。

（1）電源接口，為基站輸送電能，規(guī)格為直流48 V 電源接口；

（2）網(wǎng)絡(luò)接口，作為外接傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時在調(diào)試過程中創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，規(guī)格為千兆以太網(wǎng)，支持LAN 口和WAN 口；

（3）調(diào)試接口，作為基站調(diào)試操作連接的通信接口；

（4）通信接口，連接無人機(jī)飛控系統(tǒng)與基站，作為通信工具；

（5）GPS 接口，用于輸送GPS 信號，作為輸入端子；

（6）光纖接口，為系統(tǒng)提供光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)回傳通道，光口規(guī)格為2.5 Gb·s-1。

2 固定翼無人機(jī)應(yīng)急通信覆蓋能力評價模型及預(yù)算參數(shù)

2.1 覆蓋能力評價模型構(gòu)建

圖2 無人機(jī)的高空明區(qū)作業(yè)體系

對圖2 的作業(yè)體系采取簡化處理，將無人機(jī)基站與用戶實際距離d、無人機(jī)掛高h(yuǎn)看作直角邊，將無人機(jī)基站與用戶實際距離看作斜邊，形成三角體系。按照三角形各邊關(guān)系，可以得到地球曲面無線視距的傳播距離，計算公式如下：

式中：hr代表用戶接收天線的有效高度，對應(yīng)單位為m；ht代表基站天線有效高度，對應(yīng)單位為m；d代表用戶與基站天線之間的距離，同樣描述的是有效高度，對應(yīng)單位為m。

關(guān)于無人機(jī)信號傳輸鏈路中的損耗，選取經(jīng)典自由空間傳播模型作為研究工具，計算路徑中產(chǎn)生的損耗，公式如下：

式中：f代表無人機(jī)基站工作頻率，對應(yīng)單位為MHz。

2.2 無人機(jī)下行覆蓋鏈路預(yù)算參數(shù)

本系統(tǒng)中固定翼無人機(jī)覆蓋鏈路涉及到的預(yù)算參數(shù)有很多，這些參數(shù)在很大程度上決定了通信覆蓋能力。鏈路中的主要預(yù)算參數(shù)如表2 所示。

表2 鏈路主要預(yù)算參數(shù)表

2.3 無人機(jī)回傳鏈路預(yù)算參數(shù)

系統(tǒng)作業(yè)期間，需要對固定翼無人機(jī)回傳鏈路中的各項參數(shù)進(jìn)行預(yù)算，根據(jù)預(yù)算結(jié)果下達(dá)控制命令，從而達(dá)到提升系統(tǒng)應(yīng)急通信覆蓋能力?；貍麈溌飞婕暗降闹饕A(yù)算參數(shù)如表3 所示。

表3 回傳鏈路涉及到的主要預(yù)算參數(shù)表

3 5G 基站環(huán)境下固定翼無人機(jī)應(yīng)急通信覆蓋能力分析

3.1 無人機(jī)覆蓋能力及回傳能力分析

設(shè)置無人機(jī)作業(yè)環(huán)境為5G 網(wǎng)絡(luò)，頻點為n 頻段12.1 GHz，在某地點部署應(yīng)急通信系統(tǒng)，設(shè)置作業(yè)帶寬為5 MHz，功率為2×10 W，覆蓋網(wǎng)絡(luò)信號。本次測試假設(shè)地面終端UE 目標(biāo)參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）參數(shù)數(shù)值為-104.9 dBm，當(dāng)無人機(jī)持續(xù)飛行中高度達(dá)到200 m 時，測量此時的網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍，得到覆蓋半徑結(jié)果為2.33 km。該覆蓋范圍符合系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于無人機(jī)的回傳能力測試，測試結(jié)果顯示該裝置支持約340 km2范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋。

3.2 無人機(jī)前傳／回傳鏈路預(yù)算的影響

本次測試以發(fā)射功率、PRB 占用數(shù)量作為變量，測試無人機(jī)的前傳／回傳鏈路用戶接收功率。如果達(dá)到預(yù)算值，則認(rèn)為當(dāng)前并未受到影響；如果低于此標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為當(dāng)前無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)受到影響。關(guān)于這兩項指標(biāo)的預(yù)算影響測試結(jié)果如圖3和圖4 所示。

綜合圖3 和圖4 的測試結(jié)果可知，邊緣用戶接收功率隨著基站發(fā)射功率的增加而變大。按照RSRP 分析，位于基站下行的覆蓋范圍在此過程中呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，最大覆蓋半徑為3.5 km，支持40 km2范圍內(nèi)的用戶網(wǎng)絡(luò)覆蓋。對于800 MHz 頻段的作業(yè)，回傳作業(yè)功率也有所增加，致使覆蓋半徑也隨之增加，最大值約為9 km，支持240 km2范圍內(nèi)的用戶網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

圖3 發(fā)射功率變化條件下的無人機(jī)前傳/回傳鏈路預(yù)算影響測試

圖4 PRB 占用數(shù)量變化條件下的無人機(jī)前傳/回傳鏈路預(yù)算影響測試

4 結(jié)語

本文圍繞無人機(jī)應(yīng)急通信覆蓋能力問題展開探究，根據(jù)應(yīng)急通信需求，選取5G 網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境，構(gòu)建一套新型無人機(jī)應(yīng)急通信系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置方案。通過對系統(tǒng)的應(yīng)急通信覆蓋能力進(jìn)行測試，檢驗系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計可靠性。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋能力和信號回傳能力較強(qiáng)，符合應(yīng)急通信需求，無人機(jī)前傳支持40 km2范圍內(nèi)的用戶網(wǎng)絡(luò)覆蓋，回傳支持240 km2范圍內(nèi)的用戶網(wǎng)絡(luò)覆蓋。