文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209002
中文引用格式： 袁雪琪，云翔，李娜. 基于5G的固定翼無人機應急通信覆蓋能力研究[J].電子技術應用，2020，46(2)：5-8，13.
英文引用格式： Yuan Xueqi，Yun Xiang，Li Na. Research on emergency coverage capability of fixed wing UAV based on 5G[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：5-8，13.
0 引言
地面通信系統常常由于自然力侵蝕、人為破壞、年久老化導致設備性能下降等多種因素，影響其穩定性和可靠性，其移動性與靈活性較差，難以滿足應急通信的要求[1-2]。因此，高靈活性、高可靠性的應急通信措施成為通信技術領域的研究熱點。
我國政府為保證并推進我國應急通信網絡的建設，成立了國家應急管理部，啟動天地一體的應急通信網絡規劃和建設。為響應國家號召，國內三大運營商積極開展應急通信保障研究。傳統應急通信通常采用應急通信車方式，應急通信車具有較高的機動性與穩定性，是應急通信設備中的重要組成部分。但在塌方、山體滑坡、地震、海域覆蓋等極端場景，通信車輛難以及時部署；同時，由于應急通信車桅桿升降高度限制，導致天線投射面積有限。因此，單一應急通信措施難以滿足全方面的應急通信的需要[3]。隨著無人機技術發展，特別是無人機的飛行高度、移動半徑、續航和載重等能力的大幅提升，通過無人機搭載基站具備了可行性。此外，無人機基站具有高可靠的視距鏈路和靈活部署的能力，使得無人機組網技術在未來應急通信網絡中具有廣闊前景[4-5]。
5G是面向2020年以后移動通信需求而發展起來的新一代移動通信系統，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G系統獲得大幅提升。用戶在享受更高、更快、更豐富的體驗的同時，也對網絡速率和時延等性能指標提出更高的要求。相對于4G“盡力而為”的網絡特性，5G大帶寬(0～10 Gb/s)、低時延(1～100 ms)和高可靠性(0～99.999 9%)等能力，為網絡性能配置提供了靈活的配置空間。因此，基于5G的應急系統將會逐步成為滿足應急通信不同場景需求的首選技術。
本文將基于5G技術，對固定翼式無人機機載系統的組網架構進行研究[6-7]，重點對該架構下的固定翼無人機覆蓋和回傳能力進行分析，并給出相應結論。
1 組網架構
1.1 無人機平臺選擇
應急通信對無人機平臺的要求主要包括：
(1)續航時長：由于應急通信場景的需要，續航時間超過20小時將更具有實用性；
(2)快速部署：鑒于應急通信事件突發的特點，需要在出現突發情況時在盡量短的時間內開始運作；
(3)運輸便捷：鑒于應急事件發生地點的不確定性，需要在短時間內將設備運輸至突發事件發生地點；
(4)載荷較大：鑒于應急通信需求的復雜性，需要平臺具有較大起飛重量，可以搭載多種應急通信設備；
(5)滯空穩定：具有較好的滯空懸停能力，提供較為穩定的信號覆蓋；
(6)經濟使用：在降低制造和運營成本的同時，具有較好的使用可靠性。
無人機包括民用級無人機和專業級無人機兩種類型。民用無人機載荷較小，自帶蓄電池的設計在保證機體輕便的同時也使得飛行時間通常在20～70 min，無法滿足應急通信保障的需求。專業無人機主要包括旋翼無人機、系留式無人機和固定翼無人機3種類型。旋翼無人機具有便于操控、垂直起降和長時間懸停等優勢，同時無人機結構緊湊，外形尺寸較小。系留式無人機系統以多旋翼無人機為平臺，通過專用電源和電纜實現供電和傳輸，可實現在一定載荷下長時間懸停，實現遠距離通信覆蓋。系留式無人機具有攜帶方便、開設迅速、操作簡單的特點，但負載有限(載荷為2～10 kg)，從而限制了其應用范圍。固定翼無人機尺寸相對較大，操控相對復雜，同時有一定的起降受限，但其更高的飛行高度、更大的載荷重量(特別是近年來小型化的氫燃料電池逐步實用化)、更久的續航能力使得固定翼無人機更適合于大范圍的應急通信保障。
1.2 機載系統組網架構
機載系統組網架構主要由無人機平臺、機載基站、回傳終端(Customer Premise Equipment，CPE)、現網宏站、安全網關和核心網組成，如圖1所示。
機載基站和回傳終端部署在無人機平臺上提供應急網絡覆蓋以及將數據傳輸到現網宏站的功能，安全網關主要用來提供數據解密、防火墻等功能，核心網主要用于用戶鑒權、接入管理和數據轉發等功能。終端接入機載基站后，機載基站將數據進行加密，加密后的數據通過回傳CPE傳輸到宏站以及核心網的網關中，核心網網關將加密數據轉給安全網關后對數據進行解密，再通過核心網網關轉發到互聯網，實現應急通信數據傳輸的整體流程。
機載基站建議采用專為無人機機載定制的5G一體化基站設備，其主要功能要求建議如下。
(1)功能要求建議如表1所示。
(2)接口要求建議如表2所示。
(3)性能要求建議如表3所示。
(4)環境要求建議如表4所示。
2 覆蓋能力分析
2.1 傳播模型
無人機使用全向天線時，采用高空明區傳播計算模型,高空明區示意圖如圖2所示。無人機基站與用戶實際距離如圖3所示。
根據圖3和圖4所示，地球曲面無線視距的傳播距離可表示為：
式中，ht為基站天線有效高度，單位為m；hr為用戶接收天線有效高度，單位為m；d為基站天線與用戶之間的有效接收距離，單位為km。
其中，本文中的鏈路損耗模型為經典自由空間傳播模型，其路徑損耗模型計算公式可以表示為：
式中，f為無人機基站工作頻率，單位為MHz。
2.2 下行鏈路預算參數
固定翼無人機覆蓋鏈路預算參數如表5所示。
2.3 回傳鏈路預算參數
固定翼無人機回傳鏈路預算參數如表6所示。
2.4 覆蓋能力分析
基于傳播模型以及下行與回傳鏈路預算參數，相應的預算結果如圖4所示。
固定翼無人機的覆蓋結構如圖5所示。
由鏈路預算結果可以看出：
(1)無人機覆蓋能力：采用5G n1 2.1 GHz頻點時，基于5 MHz帶寬2×10 W機載一體化基站進行覆蓋，假設地面終端UE的目標RSRP為-105 dBm，升空高度為200 m的地面覆蓋半徑超過2.3 km；
(2)無人機回傳能力：使用4G 800 MHz宏基站作為無人機回傳基站，假設4G宏基站總功率為2×20 W，使用5 MHz工作帶寬，宏站與經過無人機搭載的4G回傳CPE的覆蓋半徑大于10.7 km，升空高度為200 m的回傳CPE距離宏站的地面覆蓋半徑為9.9 km，可滿足約340 km2范圍內的語音與數據等業務使用。
由圖6和圖7可以看出：
(1)對于2.1 GHz頻段5 MHz帶寬的5G一體化基站通過無人機平臺搭載后，當覆蓋區域內達到邊緣-105 dBm左右的覆蓋水平時，隨著基站發射功率的增加，邊緣用戶接收功率逐漸增大，對于目標RSRP來說，基站下行覆蓋范圍逐漸增大，由2×1 W功率下的0.9 km覆蓋半徑最大到2×20 W的半徑3.5 km覆蓋，可最大滿足40 km2內用戶語音與數據等業務使用需求。
(2)在地面4G宏基站輔助下，800 MHz頻段的回傳CPE隨著發射功率從2×1 W逐漸增大至2×20 W時，其覆蓋半徑由2 km擴大到9 km左右，最大可滿足240 km2以內的用戶需求。
3 結論
本文提出了基于固定翼式無人機的5G應急通信覆蓋解決方案，該方案通過無人機機載5G一體化基站，結合地面宏基站輔助實現組網。無人機基站下行覆蓋與回傳鏈路預算的仿真結果表明，固定翼無人機搭載一體化基站設備的方案在原有宏站覆蓋半徑10.7 km的基礎上，進一步將覆蓋半徑提升2.3 km，達到13 km，總覆蓋面積約530 km2。該方案可以滿足偏遠地區覆蓋和應急通信的基本需求。
參考文獻
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作者信息:
袁雪琪1，云 翔2，李 娜2
(1.中國電信股份有限公司研究院，北京102209；2.北京佰才邦技術有限公司，北京100044)