無(wú)人機(jī)基站有望成為一種靈活的,、續(xù)航可靠的通信基站,特別是作為臺(tái)風(fēng)、塌方、地震自然災(zāi)害,、極端條件下的應(yīng)急方案,。本文作者將帶您走進(jìn)無(wú)人機(jī)的世界,,一探無(wú)人機(jī)技術(shù)的究竟,。
今年7月,,湖南地區(qū)遭受?chē)?yán)重的暴雨侵襲,,多地出現(xiàn)通信基站中斷、受損的情況,。為保障緊急通訊要求,,湖南移動(dòng)緊急調(diào)度了一套無(wú)人機(jī)高空基站系統(tǒng),這是無(wú)人機(jī)高空基站第一次在國(guó)內(nèi)投入實(shí)戰(zhàn),,之前的常用方案是應(yīng)急通訊車(chē),,僅為2G,最大服務(wù)范圍5公里,,且信號(hào)不穩(wěn)定,。
8月,無(wú)人機(jī)高空基站再一次被用于四川移動(dòng),,在光纜損毀,、基站中斷的九寨溝景區(qū)荷葉寨緊急升空投入使用,迅速打通了方圓30多平方公里受災(zāi)區(qū)域的移動(dòng)通信信號(hào),,支持指揮調(diào)度,。
本文是我們推薦來(lái)自中國(guó)電子科技集團(tuán)的論文——系留多旋翼無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)在應(yīng)急救災(zāi)通信中的應(yīng)用,結(jié)合市場(chǎng)觀察,,盤(pán)點(diǎn)基于無(wú)人機(jī)的通訊基站發(fā)展現(xiàn)狀,。
如火如荼的高空基站建設(shè)
天線高度是影響無(wú)線通信覆蓋范圍的主要因素之將天線 升高可以減小地形對(duì)電波傳播的影響,甚至可以將超視距通信改變?yōu)橐暰嗤ㄐ?,,顯著改善通信鏈路質(zhì)量 ,。利用無(wú)人機(jī)搭載通信載荷升空來(lái)改善受地形、地物和地球曲率影響導(dǎo)致的通信問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外已逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn) ,。
無(wú)人機(jī)中繼通信很早就起步了,,受限于無(wú)人機(jī)的飛行搭載能力 、滯空時(shí)間等因素 ,,無(wú)人機(jī)中繼通信主要選用大中型固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人直升機(jī)作為通信平臺(tái),。
Loon項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)高空通訊的原理示意
知名的空中網(wǎng)絡(luò)基站項(xiàng)目主要包括谷歌的Loon(潛鳥(niǎo)計(jì)劃,將中繼器通過(guò)熱氣球上升至平流層,,續(xù)航100天~180天)和臉書(shū)的Aquila(天鷹計(jì)劃,,利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行激光通信,續(xù)航90天),;以及近地衛(wèi)星通信解決方案,,來(lái)自SpaceX、OneWeb等。此類(lèi)空中基站的目的多是為了實(shí)現(xiàn)廣域的信號(hào)覆蓋,,解決偏遠(yuǎn)地區(qū)缺乏基建的問(wèn)題,,以此擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)服務(wù)受眾。
谷歌Loon:天馬行空的氦氣球群
Loon可以說(shuō)是一個(gè)非常簡(jiǎn)單粗暴的項(xiàng)目,,起初,,項(xiàng)目開(kāi)發(fā)人員將路由器(信號(hào)中繼設(shè)備)掛在氣象氣球上,讓它飛到10公里高,,然后再看看有沒(méi)有信號(hào),。
經(jīng)過(guò)不斷的演進(jìn),氦氣球有了可充封結(jié)構(gòu),,和模塊化的鋁制負(fù)載,,以及太陽(yáng)能電池、燃料電池和一些電子元件,,使其能夠在溫差變化,、高強(qiáng)紫外輻射的條件下保持長(zhǎng)時(shí)間飛行,并利用算法指揮動(dòng)力,、熱力系統(tǒng),,改變氣球位置進(jìn)而調(diào)節(jié)氣球群的布居。據(jù)悉,,Loon項(xiàng)目已經(jīng)在新西蘭,、斯里蘭卡、澳大利亞,、印尼等地進(jìn)行飛行試驗(yàn),。
臉書(shū)Aquila:波音737那么大的展翼
2014年,臉書(shū)收購(gòu)英國(guó)航空公司Ascenta,,為無(wú)人機(jī)制造以及激光通信做足準(zhǔn)備工作,。隨后,扎克伯格宣布天鷹計(jì)劃,,即以無(wú)人機(jī)為載體,,利用激光通信,實(shí)現(xiàn)全球三分之二的無(wú)線覆蓋率,。
據(jù)悉,Aquila計(jì)劃由氦氣球提升至氣候環(huán)境穩(wěn)定的平流層,,白天飛行于9萬(wàn)英尺,,規(guī)避商業(yè)飛機(jī)航線,吸收和貯存太陽(yáng)能,,晚上則飛行于6萬(wàn)英尺,,目標(biāo)續(xù)航時(shí)間為一次90天。Aquila將沿著半徑約為3公里的圓形空中區(qū)域飛行,F(xiàn)acebook加州實(shí)驗(yàn)室工程師希望它的激光信號(hào)能覆蓋半徑約50公里的地面區(qū)域,。
根據(jù)最近媒體披露的Aquila第二次試飛:高度從第一次的655米上升到了約914米,,時(shí)間上延長(zhǎng)了10分鐘,達(dá)1小時(shí)46分鐘,。
低軌道衛(wèi)星群方面,,去年11月,SpaceX向FCC請(qǐng)求,,利用可重復(fù)使用的獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射4425顆衛(wèi)星為全球提供高速互聯(lián)網(wǎng),,但由于計(jì)劃的衛(wèi)星數(shù)過(guò)多FCC便是方案仍需審查。相反,,初創(chuàng)公司OneWeb獲得了高通,、維珍、軟銀的支持,,計(jì)劃到2019年發(fā)射720顆低軌道衛(wèi)星,,并被FCC允許進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)。
以上通信平臺(tái)在實(shí)際推廣中往往有些困難,,主要因?yàn)椋?/p>
1,、載荷能力較強(qiáng),飛行高度高,、距離遠(yuǎn),,滯空工作時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。
2,、體積大,、地面保障系統(tǒng)復(fù)雜、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜,、維護(hù)成本高,、訓(xùn)練保障要求高 ;
3,、發(fā)射回收條件要求高,,需要專(zhuān)門(mén)的起降場(chǎng)地;
4,、靈活性不足從而導(dǎo)致整體滯空時(shí)間短,;
5、需協(xié)調(diào)飛行空域 ,。
系留式無(wú)人機(jī):全天候超靈活
從需求來(lái)看,,國(guó)內(nèi)基站建設(shè)相對(duì)比較完善,但由于幅員遼闊,,地理,、氣候條件復(fù)雜,,是全球遭受自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。自然災(zāi)害導(dǎo)致的光纖,、基站受損可使通訊中斷,,影響救災(zāi)組織、指揮調(diào)度,、人員搜救,、次生災(zāi)害預(yù)防等進(jìn)程。
應(yīng)急衛(wèi)星通信系統(tǒng)(國(guó)際海事衛(wèi)星)因搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)的搶險(xiǎn)單位和人員通信過(guò)多而負(fù)荷過(guò)重不能保證實(shí)時(shí)通信,;北斗衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)階段還只能提供通信簡(jiǎn)i吾服務(wù),。許多搶險(xiǎn)隊(duì)伍因無(wú)搶險(xiǎn)應(yīng)急通信系統(tǒng)支持 , 使得搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息不能實(shí)時(shí)送至搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)指揮部和后方應(yīng)急中心,。搶險(xiǎn)隊(duì)伍在進(jìn)入災(zāi)區(qū)核心區(qū)域和進(jìn)入后的工作過(guò)程中,, 與搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)指揮部和后方應(yīng)急中心基本處于通信失聯(lián)狀態(tài)。
常見(jiàn)的應(yīng)急通信系統(tǒng)是應(yīng)急通信車(chē),,但當(dāng)遭遇道路損毀,、塌方使其局限了其使用。再加上近兩三年 ,,隨著直流無(wú)刷電機(jī) ,、高能鋰聚合物 、多旋翼協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)的突破 ,,微小型多旋翼無(wú)人機(jī)日漸成熟,。于是,便攜式通訊基站,,也即是基于系留式無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)的空中應(yīng)急基站成為一種重要的解決方案,。
一般的多旋翼無(wú)人機(jī)僅能飛行30分鐘至1個(gè)小時(shí) ,系留多旋翼無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷飛行 ,。與此同時(shí),,由于天線高度可隨無(wú)人機(jī)飛行高度升高,覆蓋角度可隨無(wú)人機(jī)旋轉(zhuǎn)方向調(diào)整,,能更加有效地實(shí)現(xiàn)大面積信號(hào)覆蓋,。
2009年,德國(guó)研究人員們初步測(cè)試了可提供Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的無(wú)人機(jī),。美國(guó)運(yùn)營(yíng)商AT&T(Flying COW),、Verizon和高通均已測(cè)試過(guò)基于無(wú)人機(jī)的機(jī)載LTE網(wǎng)絡(luò)基站,此外還有日本電信運(yùn)營(yíng)商KDDI的雄蜂基站,、英國(guó)EE的LIVE,。
最近,北德克薩斯大學(xué)的無(wú)人機(jī)基站也進(jìn)行了野外實(shí)地測(cè)試,,據(jù)稱將系統(tǒng)傳輸功率上調(diào)到10W時(shí),,覆蓋范圍可以拓展到整個(gè)丹頓市。
系留式無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信高空基站具備三大特點(diǎn):
1,、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng):采用光電復(fù)合纜,,為無(wú)人機(jī)和RRU供電,續(xù)航時(shí)間可達(dá)8小時(shí),,較傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)基站續(xù)航時(shí)間提升31倍,。
2、靈活性強(qiáng):由小型越野車(chē)搭載無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng),,可快速到達(dá)通信中斷現(xiàn)場(chǎng),,滿足保障需求。
3,、可擴(kuò)展性強(qiáng):根據(jù)應(yīng)急通信的不同場(chǎng)景,,可靈活配置全向或定向天線,選擇分組化微波或無(wú)線環(huán)網(wǎng)傳輸設(shè)備,,安裝模塊化,、飛控半自動(dòng)化,普通人員短期培訓(xùn)即可上崗,。
除了應(yīng)自然災(zāi)害下的應(yīng)急通訊通道需求,,系留式無(wú)人機(jī)還被應(yīng)用于監(jiān)視和偵察,如CTTSO出資支持的美國(guó)航空環(huán)境公司(AeroVironment)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)Tether Eye,,以色列用于邊界監(jiān)視,、新聞采訪的小型無(wú)人機(jī)產(chǎn)品HoverLite,CyPhy公司與美軍合作的全景攝像袖珍系留無(wú)人機(jī)Pocket Flyer……
國(guó)內(nèi)方案:華為+移動(dòng)+創(chuàng)企
國(guó)內(nèi)系留式無(wú)人機(jī)的發(fā)展主力目前是中國(guó)移動(dòng),,相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)在洪澇,、臺(tái)風(fēng)、塌方,、地震等災(zāi)害中,,并在邊界巡視、基地安全,、景區(qū)監(jiān)測(cè),、地質(zhì)勘測(cè)、野外作業(yè),、森林防火,、應(yīng)急通信、公安反恐,、交通監(jiān)管,、新聞采訪、工程監(jiān)控,、環(huán)境監(jiān)測(cè),、影視拍攝,、科學(xué)研究、國(guó)防軍工等領(lǐng)域有一些前景,。
中國(guó)移動(dòng)的系留式無(wú)人機(jī)背后還有華為(提供4G基站)和一家創(chuàng)企(卓翼智能科技有限公司)的影子,。與兩位大佬合作的這家創(chuàng)企,團(tuán)隊(duì)來(lái)自北航,、清華,、浙大等高校,有多名北航的教授,、副教授擔(dān)任公司技術(shù)顧問(wèn),,據(jù)稱已經(jīng)獲投數(shù)千萬(wàn)元。
有報(bào)道顯示,,借助該高空基站迅速建立的應(yīng)急通信系統(tǒng),,無(wú)人機(jī)可為方圓5平方公里區(qū)域持續(xù)提供8小時(shí)的穩(wěn)定信號(hào)(一說(shuō)駐空高度800米時(shí),覆蓋可達(dá)20公里),,站點(diǎn)部署可在2小時(shí)內(nèi)完成(但本次地震中基站團(tuán)隊(duì)10日下午到達(dá)九寨溝,,11日上午完成站點(diǎn)開(kāi)通。實(shí)際運(yùn)用中還有很多具體問(wèn)題需要解決),,平均下載速率為36.4Mbps,,上傳速率為5.47Mbps,平均語(yǔ)音MOS值為3.4,,可同時(shí)為近千個(gè)手機(jī)用戶提供即時(shí)通信服務(wù),,保障救援工作順利進(jìn)行。
諾基亞F-Cell:無(wú)線也能行
除了系留式無(wú)人機(jī),,諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室還提出了F-Cell,,集成太陽(yáng)能電池模塊的無(wú)人機(jī)基站,以無(wú)線的方式實(shí)現(xiàn)自我供電,、自我配置以及自動(dòng)連接到網(wǎng)絡(luò),,并在聯(lián)網(wǎng)后立即開(kāi)始傳輸高清視頻。由于其靈活性(無(wú)線),、大容量,、低延時(shí)和可擴(kuò)展性,F(xiàn)-Cell將可以持續(xù)解決運(yùn)營(yíng)商及企業(yè)在小型基站與回傳布線,、部署及成本等方面面臨的難題,,還被寄望于更為日常的未來(lái)廣域網(wǎng)(5G、4G及LTE 4.5)建設(shè),。
據(jù)悉,,F(xiàn)-Cell架構(gòu)包含位于中心位置的閉環(huán)64天線大規(guī)模MIMO系統(tǒng),該系統(tǒng)可以將8個(gè)波束分發(fā)到8個(gè)自供能的(太陽(yáng)能供電)F-Cell,。架構(gòu)支持頻分雙工(FDD)或時(shí)分雙工(TDD)模式的非視距無(wú)線網(wǎng)絡(luò),,以及多達(dá)8個(gè)獨(dú)立的20MHz信道的并行運(yùn)行模式,,能夠在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)1Gbps的系統(tǒng)吞吐率。未來(lái),,該架構(gòu)將通過(guò)擴(kuò)展,,利用更高的頻譜帶寬、新的頻段及更大規(guī)模的天線陣列,,實(shí)現(xiàn)數(shù)十Gbps的系統(tǒng)吞吐率。
無(wú)人機(jī)基站有望成為一種靈活的,、續(xù)航可靠的通信基站,,特別是作為臺(tái)風(fēng)、塌方,、地震自然災(zāi)害,、極端條件下的應(yīng)急方案,系留式無(wú)人機(jī)基站技術(shù)已經(jīng)成熟,,并已有成功的案例,;而貝爾實(shí)驗(yàn)室提供的無(wú)線小型基站方案則具備更為強(qiáng)大的實(shí)用性,不管是在應(yīng)急方案中解決地面環(huán)境不適宜車(chē)載系統(tǒng)進(jìn)入的問(wèn)題,,還是在未來(lái)的通訊部署方面,。