劉牧洲 席緒亞 關(guān) 蕾 張成巖 周 晶

中國(guó)聯(lián)通研究院 北京 100176

引言

隨著，低空經(jīng)濟(jì)概念首次寫(xiě)入國(guó)家規(guī)劃[1]，其牽引的低空應(yīng)用市場(chǎng)正以肉眼可見(jiàn)的速度壯大，并逐步邁向高質(zhì)量發(fā)展階段。無(wú)人機(jī)是新技術(shù)和先進(jìn)生產(chǎn)力的重要載體，已經(jīng)成為低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)密集創(chuàng)新和高速增長(zhǎng)的戰(zhàn)略機(jī)遇[2]，得益于系統(tǒng)具有無(wú)人、智能、安全、高效等顯著優(yōu)勢(shì)，正面向垂直領(lǐng)域不斷滲透，進(jìn)而創(chuàng)造了“無(wú)人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用”的全新數(shù)字化治理模式。然而，無(wú)人機(jī)應(yīng)用在擁有良好發(fā)展前景的同時(shí)，亦存在了諸如監(jiān)管難度較大、測(cè)控技術(shù)落后等痛點(diǎn)問(wèn)題，始終未能形成真正的規(guī)模商用?，F(xiàn)有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由飛行平臺(tái)(無(wú)人機(jī))和地面控制站組成，飛行平臺(tái)針對(duì)不同任務(wù)內(nèi)容選擇性搭配相關(guān)功能載荷，如光學(xué)吊艙、喊話器、特種作業(yè)設(shè)備(滅火器、水體取樣器等)。在這套系統(tǒng)內(nèi)，通信和數(shù)據(jù)交互僅限于在無(wú)人機(jī)和地面控制站之間進(jìn)行。在監(jiān)管上，系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息分散存在于一個(gè)個(gè)上述無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，為集中管理制造了極大困難。在測(cè)控上，系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，受限于設(shè)備無(wú)線電發(fā)射功率有限、視通環(huán)境保持無(wú)遮擋的問(wèn)題，有效距離范圍無(wú)法滿足多元行業(yè)的訴求。

基于此，亟須以技術(shù)手段革新現(xiàn)有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)固有應(yīng)用局限性。5G網(wǎng)絡(luò)具有超高帶寬、毫秒級(jí)時(shí)延、超高密度鏈接等方面的優(yōu)勢(shì)[3]，自商用至今，迅速征服了正著眼找尋創(chuàng)新轉(zhuǎn)型有利抓手的眾多領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)行業(yè)應(yīng)用就是其中之一。

5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)，顧名思義，就是利用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程或程序操控的不載人飛機(jī)[4]，其在現(xiàn)有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改造替換，以5G通信鏈路取代原有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路，同時(shí)將地面控制站的全部功能進(jìn)一步集成至云端平臺(tái)中，從而解決測(cè)控距離受限、數(shù)據(jù)孤島隔離的核心痛點(diǎn)問(wèn)題，減少專業(yè)人員投入，提升系統(tǒng)的智能無(wú)人水平，促成產(chǎn)業(yè)一體化整合，賦能廣泛的行業(yè)應(yīng)用需求。

但是，5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)想要達(dá)成上述應(yīng)用成效，還需要在以下幾方面關(guān)鍵內(nèi)容上取得實(shí)質(zhì)突破。首先，5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的最顯著特征在于使用5G通信鏈路實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的連網(wǎng)接入，因而低空網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量決定了5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性?？梢哉f(shuō)，低空網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、規(guī)劃和優(yōu)化是實(shí)施5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)的先決條件。其次，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)如何進(jìn)行5G網(wǎng)聯(lián)改造，改造后的系統(tǒng)怎么廣泛適用于更多場(chǎng)景，會(huì)是影響5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)有效應(yīng)用的重要問(wèn)題。最后，無(wú)人機(jī)“黑飛”事件頻發(fā)[5]，針對(duì)5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的安全問(wèn)題需要重點(diǎn)關(guān)注論證，一方面要結(jié)合行業(yè)應(yīng)用的差異要求，另一方面則需兼顧對(duì)應(yīng)用實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避。

1 低空網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題分析及建議

低空網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)存在的主要差異為地面網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線信號(hào)的傳播過(guò)程中遮擋多、干擾大，而低空網(wǎng)絡(luò)由于空域相對(duì)純凈，視距傳播多，導(dǎo)致低空網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)更顯雜亂無(wú)章，同時(shí)存在由于相隔數(shù)公里外的基站通過(guò)大氣波導(dǎo)[6]而產(chǎn)生的橫跨若干小區(qū)的干擾覆蓋，導(dǎo)致低空網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加復(fù)雜難以處理。

1.1 低空網(wǎng)絡(luò)實(shí)際飛行測(cè)試情況

針對(duì)低空網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不確定性，選取湖南常德31.38km2的區(qū)域進(jìn)行實(shí)際飛行測(cè)試，頻段及帶寬使用5G N1 20/40MHz、4G B3 20MHz、4G B1 20MHz、4G B8 10MHz。使用多旋翼無(wú)人機(jī)掛載自研機(jī)載終端進(jìn)行飛行中的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)采集到的日志文件對(duì)飛行中的低空網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，飛行測(cè)試總體情況如表1所示。

表1 測(cè)試飛行總體情況

通過(guò)測(cè)試可得出以下主要結(jié)論：

1)盡管基站天線為向下傾斜，但因?yàn)樽杂煽臻g傳播條件彌補(bǔ)了天線增益的降低，在距離站點(diǎn)的水平距離合適的前提下，終端仍可以在200m～300m的高度接收到相當(dāng)強(qiáng)的信號(hào)；

2)受限于5G小區(qū)相比于4G小區(qū)更少，且由于5G頻段明顯高于4G頻段導(dǎo)致5G小區(qū)的覆蓋明顯弱于4G小區(qū)的覆蓋范圍；

3)與地面相比，在低空網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中同時(shí)觀察到了更低的5G與4G小區(qū)的SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，即信號(hào)與干擾加噪聲比，用以描述接收信號(hào)強(qiáng)度和接收中干擾信號(hào)的比值，表述鏈路質(zhì)量的重要參數(shù)之一)，說(shuō)明與地面相比，測(cè)試所使用的低空環(huán)境高度的干擾更高；

4)在沒(méi)有進(jìn)行任何吞吐量測(cè)試業(yè)務(wù)進(jìn)程的情況下，可以在飛行測(cè)試日志中觀測(cè)到來(lái)自數(shù)公里外的幾個(gè)小區(qū)的信號(hào)；

5)在飛行測(cè)試日志中，既沒(méi)有觀察到5G到4G的切換，同時(shí)也沒(méi)有觀測(cè)到4G到5G的切換。終端只有在5G小區(qū)上出現(xiàn)無(wú)線鏈路失敗以及停止服務(wù)的情況后會(huì)重新注冊(cè)至4G網(wǎng)絡(luò)，并一直保持在4G網(wǎng)絡(luò)上，在高速飛行中不同制式系統(tǒng)之間的切換變的更加困難。

上行吞吐量測(cè)試具體表現(xiàn)情況如表2所示。從上行吞吐率測(cè)試具體情況中也可得出的如下結(jié)論：

表2 上行吞吐量測(cè)試具體情況

1)UL調(diào)度率達(dá)到88%以上，這表明即使是使用面向公眾地面用戶的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，在飛行測(cè)試期間基站接收到的上行業(yè)務(wù)量整體偏低；

2)物理上行共享信道發(fā)射功率在4G及5G上均逼近終端最大發(fā)射功率23dBm，說(shuō)明終端在上行業(yè)務(wù)時(shí)進(jìn)行了接近滿功率的發(fā)射。

200m及300m的不同高度下的RSRP情況如圖1所示。從圖1可以得出如下結(jié)論：

圖1 200/300m RSRP分布情況

1)在200m及300m的高度上，RSRP的浮動(dòng)范圍基本處于-110～-100dBm之間，基本可以滿足1080P視頻傳輸?shù)男诺罈l件；

2)200m與300m高度上的RSRP分布情況基本一致，即300m以下的高度對(duì)RSRP的影響較小。

300m高度下的SINR情況如圖2所示。

圖2 300m高度SINR分布情況

從圖2可以看出，由于受限于基站覆蓋、沒(méi)有合格的主服務(wù)小區(qū)信號(hào)，以及由于高空的良好自由空間傳播條件導(dǎo)致的小區(qū)間干擾相對(duì)較高等幾方面的因素，促使整體下行SINR偏低，SINR≤12dB的概率達(dá)到了63%。

1.2 低空網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃建議

1.2.1 公網(wǎng)模式

無(wú)人機(jī)與地面用戶共用一張地面網(wǎng)絡(luò)，涉及以下兩方面調(diào)整優(yōu)化。

1)基站初始規(guī)劃：為了使大部分基站所發(fā)射的信號(hào)能量都能輻射到無(wú)人機(jī)的飛行區(qū)域內(nèi)，同時(shí)減少對(duì)相鄰小區(qū)間的干擾，在初始設(shè)置天線的上傾角時(shí)，盡可能使天線主瓣的半功率點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)覆蓋區(qū)的邊緣，以達(dá)到SINR最優(yōu)，解決空中SINR差的問(wèn)題。同時(shí)選取PRACH前導(dǎo)序列Preamble為長(zhǎng)格式[7]，增加基站的覆蓋距離。

2)采用切片或者QoS獨(dú)立保障的機(jī)制：無(wú)人機(jī)用戶和普通地面終端用戶共用地面基礎(chǔ)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于正在進(jìn)行業(yè)務(wù)的無(wú)人機(jī)，可使用QoS及切片等保障機(jī)制，根據(jù)無(wú)人機(jī)不同作業(yè)場(chǎng)景需求，劃分不同的時(shí)延、可靠性要求等，對(duì)QoS或切片等進(jìn)行差異化設(shè)置，從邏輯網(wǎng)絡(luò)角度對(duì)無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)與地面普通終端用戶進(jìn)行區(qū)隔。同時(shí)，采用切片的保障機(jī)制，由于切片之間是互相隔離的，每個(gè)切片都有自己邏輯上獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)組件和網(wǎng)絡(luò)資源，使得切片之間不會(huì)互相干擾，進(jìn)一步保障了業(yè)務(wù)進(jìn)程之間的獨(dú)立與安全。

1.2.2 專網(wǎng)模式

專網(wǎng)模式下[8]，無(wú)人機(jī)業(yè)務(wù)和普通地面終端用戶在物理網(wǎng)絡(luò)和邏輯網(wǎng)絡(luò)完全隔離，根據(jù)需求為用戶專門搭建專屬的物理專網(wǎng)為無(wú)人機(jī)特定業(yè)務(wù)場(chǎng)景服務(wù)。專網(wǎng)模式下需要單獨(dú)建設(shè)一條新的涵蓋頻率、無(wú)線、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等環(huán)節(jié)在內(nèi)的物理網(wǎng)絡(luò)通道，缺點(diǎn)在于投資成本高，優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)獨(dú)享，具有最高的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和穩(wěn)定性保障，可以為用戶提供最好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

2 5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

現(xiàn)有系統(tǒng)是由空中子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)、無(wú)線通信子系統(tǒng)等部分共同組成。其中，空中子系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)最基本、最重要組成部分，由飛行平臺(tái)、動(dòng)力單元、控制導(dǎo)航、任務(wù)載荷等單元模塊構(gòu)成。地面子系統(tǒng)主要包括任務(wù)規(guī)劃、控制處理、數(shù)據(jù)處理、集成無(wú)線通信等功能。其中，任務(wù)規(guī)劃負(fù)責(zé)預(yù)定任務(wù)內(nèi)容，控制處理承擔(dān)執(zhí)行和交互，數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)和傳遞。無(wú)線通信子系統(tǒng)是保持前端和后端之間聯(lián)絡(luò)的關(guān)鍵單元，傳輸媒介以無(wú)線電波為主。無(wú)線通信鏈路分為上行鏈路和下行鏈路。上行通信鏈路負(fù)責(zé)地面站到無(wú)人機(jī)的遙控指令的發(fā)送和接收，下行通信鏈路主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)到地面站的遙測(cè)數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)等的發(fā)送和接收[9]。

5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)將在不破壞原有各無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)協(xié)同關(guān)系的前提下，通過(guò)融入5G通信鏈路替換點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信鏈路，完成整體系統(tǒng)無(wú)人智能化的升級(jí)改造。5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具體是通過(guò)對(duì)原有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的空中子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)、無(wú)線通信子系統(tǒng)的重塑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 針對(duì)無(wú)人機(jī)空中子系統(tǒng)的網(wǎng)聯(lián)改造

針對(duì)無(wú)人機(jī)空中子系統(tǒng)的網(wǎng)聯(lián)改造主要集中在飛行平臺(tái)上，通過(guò)適配裝載或嵌入集成具有5G網(wǎng)絡(luò)接入能力的機(jī)載式通信終端，即5G機(jī)載網(wǎng)聯(lián)通信終端。該5G機(jī)載網(wǎng)聯(lián)通信終端將與控制導(dǎo)航、任務(wù)載荷等單元模塊進(jìn)行軟硬件適配連接。其中，5G機(jī)載網(wǎng)聯(lián)通信終端與無(wú)人機(jī)控制導(dǎo)航模塊通過(guò)如RS232/422/485、TTL等硬件標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口連接，由前者進(jìn)行輪詢獲取相應(yīng)的飛行數(shù)據(jù)，再借助5G通信鏈路將這部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸至后端設(shè)備或服務(wù)器處。同時(shí)，5G機(jī)載網(wǎng)聯(lián)通信終端可以針對(duì)無(wú)人機(jī)控制導(dǎo)航模塊信息的定義和格式進(jìn)行解析、二次封裝和轉(zhuǎn)發(fā)。5G機(jī)載網(wǎng)聯(lián)通信終端和無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷模塊(視頻傳輸是無(wú)人機(jī)應(yīng)用的主要業(yè)務(wù)[10]，以光學(xué)吊艙為例)既可以通過(guò)高清晰多媒體接口、數(shù)字分量串行接口進(jìn)行硬件連接，獲取無(wú)人機(jī)飛行產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)消息傳輸協(xié)議(RTMP)、實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTC)、安全可靠傳輸協(xié)議(SRT)等開(kāi)源或私有流媒體標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)視頻編碼(H.264/AVC)、高效視頻編碼(H.265/HEVC)等編解碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)，又可以通過(guò)RJ45等網(wǎng)線接口進(jìn)行連接，由5G機(jī)載網(wǎng)聯(lián)通信終端為支持網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的光學(xué)吊艙提供傳輸鏈路資源，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)向后端的傳遞。

2.2 針對(duì)無(wú)人機(jī)地面子系統(tǒng)的網(wǎng)聯(lián)改造

無(wú)人機(jī)地面子系統(tǒng)是指可執(zhí)行對(duì)無(wú)人機(jī)下達(dá)指令和接收各類(飛行、業(yè)務(wù))數(shù)據(jù)的設(shè)備，即稱之為地面控制站?，F(xiàn)有地面控制站不具有訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的能力，因此需要加裝網(wǎng)卡等硬件來(lái)與后端基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和交互。如圖2所示，在空中前傳鏈路采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的方案中，地面控制站通過(guò)原有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路與無(wú)人機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互，所下達(dá)的指令和獲取的數(shù)據(jù)皆通過(guò)寬帶/5G/光纖等方式和后端進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互。但需要注意，雖然這一方案提高了整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)開(kāi)放程度，但測(cè)控距離則依舊維持原有水平，僅是5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)不能充分實(shí)現(xiàn)(低空網(wǎng)絡(luò)不能有力支持時(shí))的折中辦法，對(duì)于真正意義上實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的高度智能無(wú)人化沒(méi)有幫助。在低空網(wǎng)絡(luò)能夠承擔(dān)5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)全部所需的前提下，地面控制站的全部軟件功能可以進(jìn)一步集成到云端服務(wù)器，并據(jù)此完全被剔除出整體系統(tǒng)，由前端集成在無(wú)人機(jī)內(nèi)部的5G機(jī)載網(wǎng)聯(lián)通信終端通過(guò)5G無(wú)線鏈路完成與后端的雙向數(shù)據(jù)交互工作。這樣的系統(tǒng)突破了原有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)測(cè)控距離有限的問(wèn)題，即只要有低空網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋保障，5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)可以不受時(shí)空限制進(jìn)行應(yīng)用，比如異地作業(yè)，并向智能無(wú)人化邁進(jìn)了一大步，應(yīng)用近處不再需要專業(yè)人員操控作業(yè)。

2.3 針對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)線通信子系統(tǒng)的網(wǎng)聯(lián)改造

在無(wú)人機(jī)的無(wú)線通信子系統(tǒng)中，由于采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，因而存在數(shù)傳、圖傳或數(shù)圖傳一體的硬件設(shè)備，同時(shí)地面端也需要與之配套的硬件設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，但卻制造了一個(gè)個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)信息孤島的狀況。此外，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信多采用公共非授權(quán)無(wú)線點(diǎn)頻段，帶寬資源相對(duì)有限，在無(wú)人機(jī)應(yīng)用數(shù)量集中出現(xiàn)的情況下，會(huì)給無(wú)人機(jī)系統(tǒng)間帶來(lái)嚴(yán)重的相互同頻通信干擾問(wèn)題，同一頻段僅通過(guò)利用有限的不同頻點(diǎn)進(jìn)行錯(cuò)開(kāi)規(guī)避，無(wú)人機(jī)數(shù)量較少時(shí)效果尚可，但在數(shù)量大幅增加時(shí)，則難以為繼。此外，由于行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景需求逐步呈現(xiàn)復(fù)雜化趨勢(shì)，往往一套無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作業(yè)需要兼顧多個(gè)應(yīng)用內(nèi)容。舉個(gè)例子，在公共安防領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)在區(qū)域作業(yè)時(shí)，由最初的僅拍攝視頻圖像，已慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榧纫臄z視頻圖像又要應(yīng)急處置(如喊話驅(qū)散、投放滅火彈等)。這將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路通信資源有限的弊端進(jìn)一步放大，甚至當(dāng)單個(gè)視頻圖像拍攝任務(wù)要求4K及更高清晰度時(shí)，捉襟見(jiàn)肘。

如前所述，5G無(wú)線通信的入替對(duì)無(wú)人機(jī)原有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式的替代，將使得無(wú)人機(jī)通信擁有更多頻譜資源，在應(yīng)對(duì)復(fù)雜且要求嚴(yán)苛的應(yīng)用需求時(shí)，能表現(xiàn)地更加游刃有余。同時(shí)，5G無(wú)線鏈路的融合，使無(wú)人機(jī)應(yīng)用數(shù)據(jù)可以匯集到后端云平臺(tái)處，其原有系統(tǒng)的信息孤島問(wèn)題被解決，讓監(jiān)督管理變得簡(jiǎn)單，且數(shù)據(jù)時(shí)效價(jià)值進(jìn)一步被發(fā)揮出來(lái)，成長(zhǎng)為更多行業(yè)賦能者的角色。

3 5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全分析及對(duì)策

隨著泛低空領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)作為泛低空經(jīng)濟(jì)中的典型形態(tài)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保、電力巡線、城市道路巡檢、應(yīng)急救援等行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。然而，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展的同時(shí)，進(jìn)入各垂直領(lǐng)域后面臨的系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題也日益顯現(xiàn)。傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)在各種場(chǎng)景的規(guī)模化使用過(guò)程中，正在暴露一系列的安全隱患和監(jiān)管漏洞，這類安全問(wèn)題對(duì)社會(huì)和個(gè)人都會(huì)造成一定影響，需要在技術(shù)層面給予完善和加強(qiáng)。

3.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)類型

1)導(dǎo)航系統(tǒng)攻擊。導(dǎo)航信息欺騙的原理是向無(wú)人機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)送虛假的地理位置坐標(biāo)，從而控制導(dǎo)航系統(tǒng)，誘導(dǎo)無(wú)人機(jī)飛向錯(cuò)誤的地點(diǎn)。由于無(wú)人機(jī)接收GPS信號(hào)總是以信號(hào)最強(qiáng)的信號(hào)源為準(zhǔn)，因此在地面人造的GPS信號(hào)只要強(qiáng)度足夠大，就可以覆蓋真正的GPS信號(hào)，從而欺騙無(wú)人機(jī)的定位接收模塊。

2)飛控信號(hào)劫持。由于無(wú)線信號(hào)是無(wú)人機(jī)和控制者之間的主要通信方式，對(duì)無(wú)線信號(hào)的攻擊可以直接影響無(wú)人機(jī)的正常運(yùn)作，乃至獲得無(wú)人機(jī)的控制權(quán)。攻擊者利用干擾器產(chǎn)生無(wú)人機(jī)飛控干擾信號(hào)以及衛(wèi)星定位干擾信號(hào)，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)的上行飛控信道和衛(wèi)星定位信道進(jìn)行阻塞式干擾，從而使其失去飛控指令和衛(wèi)星定位信息，使之無(wú)法正常飛行，根據(jù)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)不同會(huì)產(chǎn)生返航、降落以及墜落的管控效果。

3)通信鏈路攻擊。針對(duì)這些通信鏈路進(jìn)行干擾、竊聽(tīng)甚至是截獲和篡改等信息安全攻擊，則可以對(duì)無(wú)人機(jī)產(chǎn)生直接的打擊后果。當(dāng)前主要的無(wú)人機(jī)地空通信鏈路也普遍存在著頻點(diǎn)公開(kāi)、鏈路透明、缺乏保密措施等嚴(yán)重問(wèn)題，極易成為各種攻擊手段的目標(biāo)[11]。

3.2 5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)安全技術(shù)策略

本論文提出幾種網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，主要通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)保障無(wú)線空口機(jī)密性、完整性和可用性。通過(guò)射頻指紋識(shí)別、輕量級(jí)認(rèn)證、無(wú)線傳輸加密、信號(hào)抗干擾等安全防護(hù)，從物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層等各個(gè)層面保障合法終端入網(wǎng)，抵御竊聽(tīng)、劫持、篡改等無(wú)人機(jī)系統(tǒng)攻擊[11]。

1)射頻指紋識(shí)別。針對(duì)網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)終端通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)接入平臺(tái)系統(tǒng)之前，需進(jìn)行信號(hào)識(shí)別和授權(quán)，確保無(wú)人機(jī)的合法性，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)射頻指紋識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行鑒權(quán)。射頻指紋識(shí)別技術(shù)通過(guò)信號(hào)處理手段，提取采集到的無(wú)線信號(hào)特征, 建立無(wú)人機(jī)終端射頻指紋庫(kù)，通信雙方利用射頻指紋識(shí)別與檢測(cè)方法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)終端的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)輻射源設(shè)備個(gè)體識(shí)別，發(fā)現(xiàn)和阻斷非法終端連接。近年來(lái)，輻射源個(gè)體識(shí)別技術(shù)相關(guān)理論與實(shí)踐應(yīng)用不斷完善，指紋特征提取方法的研究取得了較大的進(jìn)展。

2)輕量級(jí)認(rèn)證。針對(duì)網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)變化、通信帶寬窄的特點(diǎn)，使用輕量級(jí)認(rèn)證協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的安全認(rèn)證，防止非法和假冒用戶的接入。輕量級(jí)認(rèn)證協(xié)議重點(diǎn)研究的是輕量級(jí)的認(rèn)證算法，主要目的在于簡(jiǎn)化認(rèn)證交互次數(shù)、交互數(shù)據(jù)量，同時(shí)兼顧通信的機(jī)密性、完整性及不可否認(rèn)性，協(xié)議主要是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)密鑰管理、身份認(rèn)證等功能。輕量級(jí)認(rèn)證方式主要分為有中心的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證和無(wú)中心的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證，其中有中心的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證是管理中心為無(wú)人機(jī)分發(fā)密鑰，并提供無(wú)人機(jī)身份認(rèn)證功能；無(wú)中心的無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證是利用門限密鑰技術(shù)，由網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同參與密鑰生成和身份認(rèn)證[12]。

3)無(wú)線傳輸加密。由于無(wú)人機(jī)終端與平臺(tái)系統(tǒng)之間傳輸大量的重要敏感數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拿舾袛?shù)據(jù)進(jìn)行鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等加密處理，包括使用國(guó)密SM、祖沖之算法等，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)終端和平臺(tái)系統(tǒng)之間進(jìn)行端到端加密，確保數(shù)據(jù)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臋C(jī)密性和完整性。重要數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加密模塊或軟件進(jìn)行加密傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)包始終處于加密狀態(tài)，平臺(tái)系統(tǒng)解密模塊或軟件解密出對(duì)端的數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行存儲(chǔ)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)陌踩Ｃ芄δ堋?/p>

4)信號(hào)抗干擾。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)抗干擾技術(shù)的研究方向主要集中在跳擴(kuò)頻、頻譜資源分配優(yōu)化等方面。跳頻擴(kuò)頻技術(shù)主要通過(guò)快速切換頻率載波來(lái)積極躲避干擾攻擊，長(zhǎng)期被用來(lái)提高無(wú)線通信的抗干擾能力。頻譜資源優(yōu)化技術(shù)是通過(guò)對(duì)可用頻譜資源的最佳使用實(shí)現(xiàn)抗干擾，利用自適應(yīng)方法達(dá)到最優(yōu)資源分配效果。另外，還可以利用針對(duì)干擾攻擊的“蜜罐”欺騙機(jī)制，將網(wǎng)絡(luò)中的空閑節(jié)點(diǎn)偽裝成傳輸節(jié)點(diǎn)，通過(guò)誘騙干擾方對(duì)其進(jìn)行干擾，以此來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)中傳輸對(duì)的傳輸性能[13]。

4 結(jié)語(yǔ)

未來(lái)，隨著地面通信基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)完備和功能技術(shù)的迭代，5G網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)將生動(dòng)詮釋無(wú)人和智能的含義，通過(guò)5G網(wǎng)聯(lián)能力的加持將幫助無(wú)人機(jī)蛻變成為更加智能和自主的應(yīng)用系統(tǒng)，滿足更加多元和豐富的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域及場(chǎng)景，讓無(wú)人機(jī)應(yīng)用不再受限于專業(yè)門檻的掣肘，助力低空經(jīng)濟(jì)的不斷壯大發(fā)展。此外，使其真正步入規(guī)劃化推廣，從而助力低空經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展迎來(lái)嶄新篇章。