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(shù)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(tǒng)常常由于自然力侵蝕,、人為破壞、年久老化導致設(shè)備性能下降等多種因素,,影響其穩(wěn)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(shù)領(lǐng)域的研究熱點,。
我國政府為保證并推進我國應急通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),,成立了國家應急管理部,啟動天地一體的應急通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè),。為響應國家號召,,國內(nèi)三大運營商積極開展應急通信保障研究。傳統(tǒng)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(wěn)定性,,是應急通信設(shè)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(shù)發(fā)展,,特別是無人機的飛行高度、移動半徑,、續(xù)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(wǎng)技術(shù)在未來應急通信網(wǎng)絡(luò)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(fā)展起來的新一代移動通信系統(tǒng),,在傳輸速率和資源利用率等方面較4G系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)性能配置提供了靈活的配置空間,。因此,,基于5G的應急系統(tǒng)將會逐步成為滿足應急通信不同場景需求的首選技術(shù)。
本文將基于5G技術(shù),,對固定翼式無人機機載系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)進行研究[6-7],,重點對該架構(gòu)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(jié)論,。
1 組網(wǎng)架構(gòu)
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(xù)航時長:由于應急通信場景的需要,,續(xù)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(fā)的特點,,需要在出現(xiàn)突發(fā)情況時在盡量短的時間內(nèi)開始運作,;
(3)運輸便捷:鑒于應急事件發(fā)生地點的不確定性,需要在短時間內(nèi)將設(shè)備運輸至突發(fā)事件發(fā)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(shè)備,;
(5)滯空穩(wěn)定:具有較好的滯空懸停能力,,提供較為穩(wěn)定的信號覆蓋;
(6)經(jīng)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(yè)級無人機兩種類型。民用無人機載荷較小,,自帶蓄電池的設(shè)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(yè)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(yōu)勢,,同時無人機結(jié)構(gòu)緊湊,,外形尺寸較小。系留式無人機系統(tǒng)以多旋翼無人機為平臺,通過專用電源和電纜實現(xiàn)供電和傳輸,,可實現(xiàn)在一定載荷下長時間懸停,,實現(xiàn)遠距離通信覆蓋。系留式無人機具有攜帶方便,、開設(shè)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(xù)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(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)
機載系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)主要由無人機平臺、機載基站,、回傳終端(Customer Premise Equipment,,CPE)、現(xiàn)網(wǎng)宏站,、安全網(wǎng)關(guān)和核心網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)覆蓋以及將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)網(wǎng)宏站的功能,,安全網(wǎng)關(guān)主要用來提供數(shù)據(jù)解密,、防火墻等功能,核心網(wǎng)主要用于用戶鑒權(quán),、接入管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能,。終端接入機載基站后,機載基站將數(shù)據(jù)進行加密,,加密后的數(shù)據(jù)通過回傳CPE傳輸?shù)胶暾疽约昂诵木W(wǎng)的網(wǎng)關(guān)中,,核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將加密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給安全網(wǎng)關(guān)后對數(shù)據(jù)進行解密,再通過核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng),,實現(xiàn)應急通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w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(shè)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(huán)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(qū)傳播計算模型,高空明區(qū)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(jù)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(jīng)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(shù)
固定翼無人機覆蓋鏈路預算參數(shù)如表5所示,。
2.3 回傳鏈路預算參數(shù)
固定翼無人機回傳鏈路預算參數(shù)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(shù),相應的預算結(jié)果如圖4所示,。
固定翼無人機的覆蓋結(jié)構(gòu)如圖5所示,。
由鏈路預算結(jié)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(shè)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(shè)4G宏基站總功率為2×20 W,,使用5 MHz工作帶寬,宏站與經(jīng)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(nèi)的語音與數(shù)據(jù)等業(yè)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(qū)域內(nèi)達到邊緣-105 dBm左右的覆蓋水平時,,隨著基站發(fā)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(nèi)用戶語音與數(shù)據(jù)等業(yè)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(fā)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(nèi)的用戶需求,。
3 結(jié)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(jié)合地面宏基站輔助實現(xiàn)組網(wǎng),。無人機基站下行覆蓋與回傳鏈路預算的仿真結(jié)果表明,固定翼無人機搭載一體化基站設(shè)備的方案在原有宏站覆蓋半徑10.7 km的基礎(chǔ)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(qū)覆蓋和應急通信的基本需求,。
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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(shù)有限公司,,北京100044)