無人駕駛航空器（Unmanned Aerial Vehicle，以下簡稱UAV）簡稱為無人機，其全球市場在過去十年中大幅增長，現(xiàn)在已經(jīng)成為商業(yè)、政府和消費應用的重要工具。無人機能夠支持諸多領(lǐng)域的解決方案，可以廣泛應用于建筑、石油、天然氣、能源、公用事業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。當前，無人機技術(shù)正在朝軍民融合的方向高速發(fā)展，無人機產(chǎn)業(yè)已經(jīng)是國際航空航天最具活力的新興市場，成了各國經(jīng)濟增長的亮點。

無線通信在過去20年經(jīng)歷了突飛猛進的發(fā)展，從以話音為主的2G時代，發(fā)展到以數(shù)據(jù)為主的3G和4G時代，目前正在步入萬物互聯(lián)的5G時代。移動網(wǎng)絡在繼續(xù)豐富人們的溝通和生活的同時，也向全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供能力，提高各行業(yè)的運作效率和服務質(zhì)量。5G以全新的網(wǎng)絡架構(gòu)，提供10Gbps以上的帶寬、毫秒級時延、超高密度連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡性能新的躍升。ITU定義了5G三大場景：增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband，以下簡稱eMBB）、超高可靠低時延通信（Ultr a-Reliable Low-latency Communications，以下簡稱uRLLC）、大規(guī)模機器類通信（Massive Machine-Type Communications，以下簡稱mMTC）。

無人機行業(yè)高速發(fā)展的同時，也對無人機通信鏈路提出了新需求，呈現(xiàn)出與蜂窩移動通信技術(shù)緊密結(jié)合的發(fā)展趨勢，形成“網(wǎng)聯(lián)無人機”。在即將到來的5G時代，5G蜂窩移動通信技術(shù)與無人機的結(jié)合使得這些原本難以想象的想法成為可能。中國信息通信研究院聯(lián)合各單位發(fā)布了《5G無人機應用白皮書》，展示出未來5G網(wǎng)絡對無人機需求的滿足度以及5G網(wǎng)絡下網(wǎng)聯(lián)無人機的應用案例。

5G網(wǎng)絡能力

5G網(wǎng)絡通過提供人人通信、人機通信和機器之間通信的多種方式，支持移動因特網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的多種應用場景。同時，5G網(wǎng)絡通過提供多樣化業(yè)務需求和業(yè)務特征的能力，適應不同應用場景的靈活性和多樣化的業(yè)務需求，如超寬帶、超低時延、海量連接、超高可靠性等。以業(yè)務為中心，高效靈活地提供最佳用戶體驗，是5G網(wǎng)絡系統(tǒng)設計的指導目標。

5G網(wǎng)絡能力圖

5G超高速、超低時延和超高可靠性的顯著特征，將不僅提升人類通信體驗，還將拓展智能制造、車聯(lián)網(wǎng)、智能物流、無線家庭寬帶接入等行業(yè)應用，承擔著推進全社會數(shù)字化進程的使命。5G的空中接口和系統(tǒng)架構(gòu)以革命性的創(chuàng)新設計支持超大帶寬、多連接以及低時延高可靠性等極致體驗。

前幾代無線網(wǎng)絡的特點是有固定的接入參數(shù)和頻譜資源塊，以低頻為主；5G網(wǎng)絡允許使用全頻譜（低頻+高頻）和創(chuàng)新的新空口和架構(gòu)來提供最佳通信服務。

5G在容量方面，5G通信技術(shù)將比4G實現(xiàn)單位面積移動數(shù)據(jù)流量增長1000倍；在傳輸速率方面，單用戶典型數(shù)據(jù)速率提升10到100倍，峰值傳輸速率可達10Gbps（相當于4G網(wǎng)絡速率的100倍）；端到端時延縮短5倍；在可接入性方面：可聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)量增加10到100倍；在可靠性和能耗方面：每比特能源消耗應降至千分之一，低功率電池續(xù)航時間增加10倍。

憑借5G無限的發(fā)展?jié)摿?，蜂窩技術(shù)為無人機帶來了全新級別的高可靠性、強大的安全性、無處不在的覆蓋和無縫的移動性。

5G網(wǎng)聯(lián)無人機網(wǎng)絡整體解決方案

5G網(wǎng)聯(lián)無人機的無人機終端和地面控制終端均通過5G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸，并通過業(yè)務服務器加載各類場景的應用。其中5G網(wǎng)絡提供了從無線網(wǎng)到核心網(wǎng)的整體網(wǎng)絡解決方案，以適配之前提到的各種復雜應用場景的網(wǎng)絡實現(xiàn)。

5G網(wǎng)絡對無人機應用通信需求滿足度

5G新空口技術(shù)包括采用大規(guī)模多天線，新頻譜（引入C波段，毫米波頻段）、新編碼（Polar碼，LDPC碼）、新的幀結(jié)構(gòu)（新子幀結(jié)構(gòu)，自包含子幀）、靈活Numerology、新的物理信號設計。5G采用大規(guī)模多天線技術(shù)，采用更窄的波束精確對準服務的無人機和地面終端，增強有用信號，并減少小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾，減少無人機低空上下行干擾，提升對低空的覆蓋能力。5G以用戶級下行導頻替代小區(qū)級下行導頻，降低了無人機在低負載網(wǎng)絡下受到的下行干擾。

5G靈活Numerology在時域、頻域、碼域、空域、功率域等采用靈活的資源調(diào)度來減少無人機的上下行干擾。

5G空口云化包括上下行解耦技術(shù)以及以用戶為中心網(wǎng)絡技術(shù)，上下行解耦打破上下行綁定與同一頻段的傳統(tǒng)限制，以5G高頻段與4G中低頻共站部署增強小區(qū)覆蓋，5G下行傳輸利用高頻段，上行傳輸與4G的低頻段進行頻譜共享，根據(jù)4G空閑程度靈活分配給5G上行使用，實現(xiàn)5G覆蓋增強。以用戶為中心網(wǎng)絡，突破用戶與小區(qū)綁定的傳統(tǒng)架構(gòu)，聯(lián)合優(yōu)選多個物理小區(qū)鏈路隨時隨地適配用戶體驗，有效提升有用信號、降低信號衰落和干擾。同時因上層邏輯小區(qū)唯一識別，可成功減少小區(qū)間切換，提升無人機在空中的移動性和覆蓋。

以業(yè)務為中心的云化架構(gòu)，基于軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，以下簡稱SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，以下簡稱NFV）的網(wǎng)絡將實現(xiàn)更靈活的開放和應用創(chuàng)新，為了滿足多種行業(yè)多樣化的業(yè)務需求，按需實現(xiàn)網(wǎng)絡切片資源分配，為不同切片提供相應的QoS保障。網(wǎng)絡切片使得一張5G網(wǎng)絡上同時承載無人機大帶寬、低時延、高可靠的多種不同應用。

比較4G網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡能力滿足了絕大部分無人機的應用場景的通信需求，無人機的聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)先在4G網(wǎng)絡中實現(xiàn)了部分應用，用5G能夠做得更好、更完善，網(wǎng)聯(lián)無人機將驅(qū)動多類場景應用升級。為滿足自主飛行、編隊等未來更加自動化和智能化的無人機應用需求，將對移動通信網(wǎng)絡的能力提出更高的要求。

5G應用案例

5G具備的超高帶寬、低時延高可靠、廣覆蓋大連接特性，與網(wǎng)絡切片、邊緣計算能力結(jié)合，將進一步拓展無人機的應用場景，使能低空數(shù)字化經(jīng)濟。在國內(nèi)，無人機結(jié)合5G的試點應用已經(jīng)悄然起步。我么來看看5G+無人機在測繪地理信息方面的應用。

1、城市、園區(qū)安防

在安防場景中，需要無人機實現(xiàn)高清視頻實時傳輸、遠程控制等功能，這些功能都需要通過網(wǎng)絡連接來支撐。具體來說，無人機安防監(jiān)控的典型網(wǎng)絡需求包括：實時視頻傳輸（多路）、飛行狀態(tài)監(jiān)控、遠程操控以及網(wǎng)絡定位。

基于5G的無人機城市安防系統(tǒng)

在傳輸速率方面，當前安防業(yè)務通常使用1080P視頻實時傳輸，隨著安防業(yè)務對視頻清晰度要求的逐漸提升，需要實現(xiàn)4K、8K高清視頻的實時傳輸，對5G網(wǎng)絡提出上行30-120Mbps的傳輸速率需求，時延方面，在未來遠程操控時延要求100ms以下，對應的無線網(wǎng)絡側(cè)時延要求約為20ms，對未來網(wǎng)絡建設能力提出更高要求。

5G網(wǎng)絡的大帶寬、低時延實時視頻流回傳至控制中心，融合AI深度學習能力，快速視頻分析實現(xiàn)多手段的目標鎖定及實時跟蹤監(jiān)控，控制中心能通過5G網(wǎng)絡向無人機飛行控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，極大地提升傳統(tǒng)無人機用于安防場景的效率。方案實現(xiàn)示意圖如上圖所示：

無人機與5G結(jié)合實現(xiàn)多種功能，達到全方位無死角的安防布控：

一是控制中心人員通過VR眼鏡的4K高清視頻呈現(xiàn)實時觀看和與地面安防設備的同步聯(lián)動，優(yōu)勢互補，最大化安防場景能力;

二是控制中心人員通過VR眼鏡、PAD等地面控制終端經(jīng)由5G網(wǎng)絡遠程控制無人機機載攝像頭的轉(zhuǎn)向、無人機的飛行狀態(tài)及路線，進一步追蹤鎖定目標；

三是無人機對突發(fā)安防場景問題的預判以及自動識別的目標實現(xiàn)進行自動跟蹤。

通過智能無人機飛行平臺以及5G蜂窩網(wǎng)絡能力的有效引入，促進了傳統(tǒng)安防產(chǎn)業(yè)向天地一體化協(xié)同作戰(zhàn)的方向轉(zhuǎn)型以及多場景安防能力的智慧升級，必將作為一種新型的安防解決方案模式得到更加廣泛的應用，從而促進傳統(tǒng)安防服務商的智慧升級，并帶動整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2、電力巡檢

電力設備中輸電線路一般位于崇山峻嶺、無人區(qū)居多，人工巡視檢查設備缺陷的效率較低，因蛇、蟲、蟻等小動物咬傷員工的事件也屢見不鮮；另外，輸電鐵塔、導線、絕緣子等設備位處高空，應用無人機巡查，既能避免高空爬塔作業(yè)的安全風險，亦可以360°全視角查看設備細節(jié)情況，提高巡視質(zhì)量。而當前的4G網(wǎng)絡只能支持1K的圖傳，對于某些細節(jié)檢查，視頻和圖片的清晰度明顯不足，而5G網(wǎng)絡可實現(xiàn)上行單用戶體驗速率100Mbps以上，空口時延10ms，將使得實時視頻更加流暢、更加清晰、巡查效果更優(yōu)。

多旋翼無人機可分別或者組合搭載高清變焦相機、紅外相機、夜視相機、激光雷達等多種傳感器，傳感器通過連入5G網(wǎng)絡的CPE將視頻流通過上行鏈路傳輸?shù)搅髅襟w服務器中，用戶再通過PC從該服務器拉流觀看巡查，實現(xiàn)電力線巡查高清視頻的即拍即傳。

3、基站巡檢

在移動通信系統(tǒng)中，空間無線信號的發(fā)射和接收都是依靠移動基站天線來實現(xiàn)的?；咎炀€的工參主要有掛高、俯仰角、方位角和位置經(jīng)緯度，這些參數(shù)對基站的電磁覆蓋有決定性的影響，無線網(wǎng)絡的運行質(zhì)量也與天線參數(shù)的正確性密切相關(guān)。因此，基站天線工參定期檢測工作是移動通信系統(tǒng)維護工作最基本、最重要的工作之一。常規(guī)的人工攀爬基站巡檢受到多方面包括天氣、環(huán)境、儀表、人員操作等因素的影響，造成人工巡檢效率較低，無法按時完成任務。通過5G網(wǎng)聯(lián)無人機基站巡檢方式，在降低了人工勞動強度的同時也降低了人工登塔作業(yè)安全風險，提高了巡檢效率的同時也節(jié)省了時間成本。網(wǎng)聯(lián)無人機采集、拍攝基站數(shù)據(jù)并回傳數(shù)據(jù)至主服務器，人工對數(shù)據(jù)進行處理，并編輯生成報告。

巡檢生成的數(shù)據(jù)量大，4G或傳統(tǒng)微波電臺無法進行實時數(shù)據(jù)傳輸，只能后期進行數(shù)據(jù)處理。由于測量誤差要求較高，故應配備高精度定位模塊，需利用5G高帶寬、低時延、高可靠性特點，對采集數(shù)據(jù)進行高精度定位。通過5G網(wǎng)絡可將網(wǎng)聯(lián)無人機連入無人機管理云平臺，可對多架基站巡檢無人機進行實時監(jiān)控。

4、無人機水務

無人機在水務方面的應用越來越廣泛，如水質(zhì)監(jiān)測、日常巡查、水文數(shù)據(jù)獲取、防汛抗洪、水土保持監(jiān)測等等。

網(wǎng)聯(lián)無人機水質(zhì)監(jiān)測是在水務方面的創(chuàng)新性應用。無人機荷載多光譜相機進行水體地物光譜采集，利用采集的多光譜影像，通過自主研發(fā)的聚類分析算法，對多光譜遙感影像數(shù)據(jù)進行針對水質(zhì)特征的影像聚類分析，得出水質(zhì)狀況定性結(jié)論。結(jié)合抽樣水樣檢測數(shù)據(jù)獲得定量數(shù)據(jù)，綜合分析，可總體掌握監(jiān)測水域的水質(zhì)狀況。

該應用要求上行速率50Mbps，在150m飛行高度上，通過使用具備垂直波束調(diào)整能力的大規(guī)模天線，有能力達到50Mbps上行速率；在300m-500m飛行高度上，要達到50Mbps上行速率，對5G網(wǎng)絡覆蓋部署提出了較高要求，可以考慮引入低頻上行載波、增加上行時隙配比以及調(diào)整天線下傾角度等增強手段解決。

相比監(jiān)測站點加人工排查的方案，利用網(wǎng)聯(lián)無人機獲取水文水質(zhì)數(shù)據(jù)，覆蓋面積廣、成本更低、效率更高，能實現(xiàn)全流域的實時動態(tài)水質(zhì)監(jiān)測和強大的水文水質(zhì)數(shù)據(jù)獲取能力，擁有廣闊的市場發(fā)展前景。

5、無人機物流配送

近年來，國內(nèi)外的主要物流企業(yè)紛紛開始布局無人機配送業(yè)務，以實現(xiàn)節(jié)省人力、降低成本的目的。通過5G網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)物流無人機狀態(tài)的實時監(jiān)控、遠程調(diào)度與控制。在無人機工作過程中，借助5G網(wǎng)絡大帶寬傳輸能力，實時回傳機載攝像頭拍攝的視頻，以便地面人員了解無人機的工作狀態(tài)。同時，地面人員可通過5G網(wǎng)絡低時延的特性，遠程控制無人機的飛行路線。此外，結(jié)合人工智能技術(shù)，無人機可以根據(jù)飛行任務計劃及實時感知的周邊環(huán)境情況，自動規(guī)劃飛行路線。

6、無人機應急通信及救援

我國幅員遼闊，多樣的環(huán)境和氣候特征使得各種自然災害時有發(fā)生，因此，災后的救援工作尤其重要。利用無人機靈活性強的特點，當災害發(fā)生時，使用搭載通信基站的無人機，基于規(guī)劃的路線飛行，觸發(fā)受災被困人員手機接入機載基站網(wǎng)絡，實現(xiàn)對被困人員通信設備的主動定位，確認被困人員的位置及身份信息。同時利用5G網(wǎng)絡的大帶寬傳輸能力，通過機載攝像頭實時拍攝并回傳現(xiàn)場高清視頻畫面，結(jié)合邊緣計算能力與AI技術(shù)，實現(xiàn)快速的人員識別及周邊環(huán)境分析，便于救援人員針對性地開展營救工作。通過該產(chǎn)品與傳統(tǒng)搜救方式的結(jié)合，可有效降低搜尋時間，保證被困人員能夠在第一時間得到有效救助，最大程度地減少人員傷亡，具有顯著的社會效益。

7、野外科學觀測

野外科學觀測是指在野外條件下通過對生態(tài)環(huán)境、動植物的指標要素進行長期采集、數(shù)據(jù)積累和測定，確定其變化趨勢，幫助科研人員進行研究，是生態(tài)學、氣象學等領(lǐng)域的基本研究手段。野外科學觀測地點普遍遠離城市，通過應用多種傳感器、視頻監(jiān)控設備、數(shù)據(jù)采集器、通信網(wǎng)絡等基礎設施，能夠?qū)崿F(xiàn)科研數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸，形成信息化的研究環(huán)境。然而，在廣域的青藏高原冰川、內(nèi)蒙古草原、新疆戈壁等環(huán)境下，建立監(jiān)測系統(tǒng)需要的成本較高。

無人機基于規(guī)劃路線飛行，可實現(xiàn)廣覆蓋、低成本的視頻數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的采集。5G網(wǎng)絡增加監(jiān)測視頻數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的上行傳輸速率，并降低空口時延，提高野外科學觀測的效率。結(jié)合5G網(wǎng)絡的大帶寬和低延遲高可靠性能，實現(xiàn)科學觀測系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)的實時觀測。如：氣象領(lǐng)域高頻的原始流數(shù)

據(jù)采樣頻率較高（10Hz），基于LTE網(wǎng)絡實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸困難。另外在觀測系統(tǒng)架構(gòu)中，通過邊緣計算在本地篩選并計算有效數(shù)據(jù)，剔除重復和無效數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)工作效率。當前，無人機與無線通信跨界融合的需求與趨勢已經(jīng)有目共睹，無人機5G應用的產(chǎn)業(yè)生態(tài)從無人機應用場景和通信需求、終端通信能力、無線技術(shù)等方面也初步成熟。未來，我們希望通過無人機5G應用領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，促進無人機在物流、巡檢、安防、救援、測繪、農(nóng)業(yè)植保、直播、編隊飛行甚至自主飛行等場景的網(wǎng)聯(lián)化智能化建設，提升航拍、送貨、勘探等各種各樣的個人及行業(yè)業(yè)務體驗，構(gòu)成一個全新的、豐富多彩的“網(wǎng)聯(lián)天空”。

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