無人機(jī)是如何成為5G基站的

今年 7 月，湖南地區(qū)遭受嚴(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)度了一套無人機(jī)高空基站系統(tǒng)，這是無人機(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，僅為 2G，最大服務(wù)范圍 5 公里，且信號(hào)不穩(wěn)定。

8 月，無人機(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。

本文是我們推薦來自中國(guó)電子科技集團(tuán)的論文——系留多旋翼無人機(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，盤點(diǎn)基于無人機(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 。利用無人機(jī)搭載通信載荷升空來改善受地形、地物和地球曲率影響導(dǎo)致的通信問題在國(guó)內(nèi)外已逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn) 。

無人機(jī)中繼通信很早就起步了，受限于無人機(jī)的飛行搭載能力 、滯空時(shí)間等因素 ，無人機(jī)中繼通信主要選用大中型固定翼無人機(jī)和無人直升機(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（潛鳥計(jì)劃，將中繼器通過熱氣球上升至平流層，續(xù)航 100 天~180 天）和臉書的 Aquila（天鷹計(jì)劃，利用無人機(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，來自 SpaceX、OneWeb 等。此類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 可以說是一個(gè)非常簡(jiǎn)單粗暴的項(xiàng)目，起初，項(xiàng)目開發(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，然后再看看有沒有信號(hào)。

經(jīng)過不斷的演進(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 Aquila：波音 737 那么大的展翼

2014 年，臉書收購(gòu)英國(guó)航空公司 Ascenta，為無人機(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，即以無人機(jī)為載體，利用激光通信，實(shí)現(xiàn)全球三分之二的無線覆蓋率。

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，需要專門的起降場(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 。

系留式無人機(jī)：全天候超靈活

從需求來看，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)單位和人員通信過多而負(fù)荷過重不能保證實(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)。

常見的應(yīng)急通信系統(tǒng)是應(yīng)急通信車，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。

一般的多旋翼無人機(jī)僅能飛行 30 分鐘至 1 個(gè)小時(shí) ，系留多旋翼無人機(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人機(jī)飛行高度升高，覆蓋角度可隨無人機(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)試過基于無人機(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)：由小型越野車搭載無人機(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，據(jù)稱已經(jīng)獲投數(shù)千萬元。

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)開通。實(shí)際運(yùn)用中還有很多具體問題需要解決），平均下載速率為 36.4Mbps，上傳速率為 5.47Mbps，平均語音 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：無線也能行

除了系留式無人機(jī)，諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室還提出了 F-Cell，集成太陽(yáng)能電池模塊的無人機(jī)基站，以無線的方式實(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)后立即開始傳輸高清視頻。由于其靈活性（無線）、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，該架構(gòu)將通過擴(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)境不適宜車載系統(tǒng)進(jìn)入的問題，還是在未來的通訊部署方面。

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