5G无人机应用（二）

“小沃”为客户开发项目中经常遇到开发后的平台软件系统产品实际运营中效果不是太好，“小沃”也是一个刨根问底的工作狂，所以收集了对应各行业的市场调研报告进行分析，一方面可以精准的了解客户开发需求；另一方便也是能为客户提供相关建议，避免不必要的投资。所以萌生了每天为大家分享各行业市场调研报告的想法，希望能给大家带来方便。

今天“小沃”就跟各位朋友分享下2018年5G无人机（二），

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5G无人机应用（二）

1.1 5G的关键技术

1.1.1 精准波束消除干扰 大规模天线大规模天线站点的天线数显著提升（64/128/256或更多天线），且天线与射频单 元一起集成为有源天线处理单元AAU。当基站 天线数量增多时，相对于用户的几百根天线就拥 有了几百个信道，如果信道相互独立，同时陷入 衰落的概率便大大减小，这对于通信系统而言变 得简单而易于处理。通过使用大规模天线阵列对 信号进行联合接收解调或发送处理，相对于传统 多天线技术，大规模天线大规模天线可以大幅提 升单用户链路性能和多用户空分复用能力，从而 显著增强了系统链路质量和传输速率。此外，大 规模天线的多天线阵列系统增加了垂直维的自由 度，可灵活调整水平维和垂直维的波束形状。因 此，基站的三维覆盖能力显著提升。

大规模天线的典型应用场景一般是热点地 区、高楼或者需要深度覆盖的区域，对于无人机 通信而言，通过大规模天线垂直面和水平面的波 束赋形，可以形成精准的窄波束进行发送和接收。对于下行链路而言，精准的窄波束一方面提 高了无人机的覆盖，另一方面也减少了小区内或者小区间的干扰。如果可以进行多小区协作波束 赋形，则无人机的下行链路传输质量将进一步提 升，有助于其C&C数据的传输。对于上行链路而 言，既可以是基站侧形成接收波束，也可以是用 户侧形成发送波束，从而既可以实现无人机上行 大容量高清视频的传输，也可以减少无人机对地 面终端的干扰。

1.1.2 边缘计算

在目前的网络架构中，由于核心网的高位 置部署，传输时延比较大，不能满足超低时延业 务需求；此外，业务完全在云端终结并非完全有 效，尤其一些区域性业务不在本地终结，既浪费 带宽，也增加时延。因此，时延指标和连接数指 标决定了5G业务的终结点不可能全部都在核心网 后端的云平台。

移动边缘计算正好契合该需求。一方面，移 动边缘计算部署在边缘位置，边缘服务在终端设 备上运行，反馈更迅速，解决了时延问题；另一 方面，移动边缘计算将内容与计算能力下沉，提 供智能化的流量调度，将业务本地化，内容本地 缓存，让部分区域性业务不必大费周章在云端终 结。

移动边缘计算部署在移动边缘，将把无线网 络和互联网两者技术有效融合在一起，并在无线 网络侧增加计算、存储、处理等功能，构建移动 边缘云，提供信息技术服务环境和云计算能力。 由于应用服务和内容部署在移动边缘，这样便可以减少数据传输中的转发和处理时间，降低端到 端时延，满足低时延要求，并降低功耗。移动边 缘计算将确保未来无人机应用低时延和高可靠性

1.1.3 网络切片

图1-1 网络切片

网络切片是SDN/NFV技术应用于5G网络的 关键服务。一个网络切片将构成一个端到端的逻 辑网络，按切片需求方的需求灵活地提供一种或 多种网络服务。5G基础设施平台支持5G网络的 高性能转发要求和电信级管理要求，并以网络切 片为实例实现5G移动网络定制化部署。5G网络 端到端网络切片将网络资源灵活分配，网络能力 按需组合，基于一个5G网络虚拟出多个具备不同 特性的逻辑子网。每个端到端切片均由核心网， 无线网、传输网子切片组合而成，并通过端到端 切片管理系统进行统一管理。

1.1.4 安全 网络切片技术中每个切片（例如分级分类的无人机）配置不同等级的安全保护，实现切片安 全即服务SaaS，使能运营商为垂直行业提供差异 化、可定制的安全套餐（包括加密算法、参数、 配置黑白名单、认证方法、隔离强度等等），并 监测安全套餐性能，及时调整增强套餐或删除部 分配套、调整资源配置，有效防止外部攻击，提 升整体业务E2E安全性。

网络安全能力开放平台：5G将安全能力同网 络能力一样开放给垂直行业使用，为行业应用提 供统一身份管理、认证鉴权、密钥分发等能力， 简化行业应用的开发和部署难度。安全能力以模 块化的方式部署，以通用标准接口的方式提供。 通过组合不同的安全能力，可以快速提供安全能 力以满足多种业务的端到端安全需求。

1.2 5G网络对无人机应用通信需求满足度

表1-1 5G网络对无人机应用通信需求满足度

相比较4G网络，5G网络能力满足了绝大部 分无人机的应用场景的通信需求，无人机的联 网，已经先在4G网络中实现了部分应用，用5G 能够做得更好、更完善，网联无人机将驱动多类场景应用升级。为满足自主飞行、编队等未来更 加自动化和智能化的无人机应用需求，将对移动 通信网络的能力提出更高的要求。

网联无人机终端通信能力

未来网联无人机包括六大部分：飞控系统、 通信系统、导航系统、机载计算机系统、任务载

荷系统以及安全飞行管理系统。如下图所示：

图1-2 网联无人机终端通信能力

· 飞控系统，使网联无人机实现高可靠、稳 定的飞行操作，并向智能化和微型化升级；

· 通信/导航系统，使得网联无人机具备低时 延、大带宽超视距远程控制、路径规划、自主导 航、集群飞行的能力；

· 安全飞行管理系统，具备认证、实时安全 加密的能力；

· 任务载荷系统，载荷数据的实时联网传 输、本地/云端系统的智能化分析能力；

· 机载计算机系统，使得网联无人机具备智 能环境感知、智能识别以及能力开放的能力。

根据上述分析，未来的机载终端归纳为ABC 三类，以满足不同行业应用场景下需求：

A类：保障安全飞行 B类：无人机远程超视距实时控制 保障安全飞行

C类：超大带宽，智能化分析 三类机载终端的主要功能规格如下：

表1-3 三类机载终端主要功能规格表

5G应用案例

2.1 综述

5G具备的超高带宽、低时延高可靠、广覆盖 大连接特性，与网络切片、边缘计算能力结合， 将进一步拓展无人机的应用场景，使能低空数字 化经济。在国内，无人机结合5G的试点应用已经 悄然起步。

2.2 VR直播

在过往五年中，VR业内公司一直在尝试VR 直播在综艺娱乐和体育直播的落地应用可行方 案，但因4G网络环境的带宽限制无法满足高清 VR视频的传输，即使用于内容采集的VR摄像机拥有超清VR视频采集和直播能力的情况下，用户 终端的观看体验仍然欠佳，导致VR直播应用发 展缓慢。随着5G时代的来临，这一现状将彻底改 变，5G网络可实现上行单用户体验速率100Mbps 以上，空口时延 10ms，将使得VR直播更加流 畅、更加清晰、用户体验更优。

无人机通过挂载在无人机机体上的360度全 景相机进行视频拍摄，全景相机通过连入5G网络 的CPE将4K全景视频通过上行链路传输到流媒体 服务器中，用户再通过VR眼镜、PC从该服务器 拉流观看。

图2-1 基于5G的无人机VR直播组网图

2018年5月，搭载5G通信技术模组的无人机 在上海虹口北外滩，成功实现了一场基于5G网络 传输叠加无人机全景4K高清视频的现场直播。同 年5月， 5G之城----杭州也实现了基于5G的无人 机全景直播，用户在展厅戴上VR眼镜后可以实 时看到无人机在浙大玉泉校区拍摄到的4K全景视 频。上海与杭州的5G直播试验都验证了5G与4G 网络相比，5G图像更为清晰，画面播放也更加流 畅。远端VR观看无晕眩感，能够更好地实现身临 其境的效果。

2.3 城市、园区安防

在安防场景中，需要无人机实现高清视频实 时传输、远程控制等功能，这些功能都需要通过 网络连接来支撑。具体来说，无人机安防监控的 典型网络需求包括：实时视频传输（多路）、飞行状态监控、远程操控以及网络定位

在传输速率方面，当前安防业务通常使用 1080P视频实时传输，随着安防业务对视频清晰 度要求的逐渐提升，需要实现4K、8K高清视频 的实时传输，对5G网络提出上行30-120Mbps的传 输速率需求，时延方面，在未来远程操控时延要 求100ms以下，对应的无线网络侧时延要求约为 20ms，对未来网络建设能力提出更高要求。

5G网络的大带宽、低时延实时视频流回传至 控制中心,融合AI深度学习能力，快速视频分析 实现多手段的目标锁定及实时跟踪监控，控制中 心能通过5G网络向无人机飞行控制系统发送控制 指令，极大地提升传统无人机用于安防场景的效 率。 方案实现示意图如下：

图2-2 基于5G的无人机城市安防系统

无人机与５Ｇ结合实现多种功能，达到全方 位无死角的安防布控：

一是控制中心人员通过VR眼镜的4K高清视 频呈现实时观看和与地面安防设备的同步联动， 优势互补，最大化安防场景能力;

二是控制中心人员通过VR眼镜、PAD等地面 控制终端经由5G网络远程控制无人机机载摄像头 的转向、无人机的飞行状态及路线，进一步追踪 锁定目标;

三是无人机对突发安防场景问题的预判以及 自动识别的目标实现进行自动跟踪。

通过智能无人机飞行平台以及5G蜂窝网络能 力的有效引入，促进了传统安防产业像天地一体 化协同作战的方向转型以及多场景安防能力的智慧升级，必将作为一种新型的安防解决方案模式 得到更加广泛的应用，从而促进传统安防服务商 的智慧升级，从而带到整个产业的发展。

2.4 高清直播

在我国雄安新区第一栋地标性建筑'市民中 心'的建设过程中，无人机的高清视频直播提供 了从空中俯瞰的实时画面，为近距离观察市民中 心建设情况提供了极大的便利。雄安新区的另外 一个重要景观-白洋淀，无人机的高清直播可以把 白洋淀的风景实时传到20km之外的市民中心临时 指挥部。视频直播采用专业级航拍无人机，支持 实时回传1080P30帧高清视频，通过与之相连的 5G TUE，将高清视频信号通过5G网络传输，供 远在市民中心的参观者观赏。

图2-3 基于5G的无人机高清直播组网图

整套系统要求空对地通信带宽不低于50Mbps，屏到屏业务延时不超过60ms，每路地 对空通信带宽不低于1Mbps，控制业务延时不超过20ms。借助于5G网络的低延时大带宽的eMBB 业务，和超低延时超高可靠性的URLLC业务，可 以实现更优质的用户体验。

图2-4 基于5G的无人机高清直播示意图

2.5 电力巡检

电力设备中输电线路一般位于崇山峻岭、无 人区居多，人工巡视检查设备缺陷的效率较低， 因蛇、虫、蚁等小动物咬伤员工的事件也屡见不 鲜；另外，输电铁塔、导线、绝缘子等设备位处 高空，应用无人机巡查，既能避免高空爬塔作业 的安全风险，亦可以360°全视角查看设备细节情 况，提高巡视质量。而当前的4G网络只能支持 1K的图传，对于某些细节检查，视频和图片的清 晰度明显不足，而5G网络可实现上行单用户体验 速率100Mbps以上，空口时延10ms，将使得实时视频更加流畅、更加清晰、巡查效果更优。 多旋翼无人机可分别或者组合搭载高清变焦

相机、红外相机、夜视相机、激光雷达等多种传 感器，传感器通过连入5G网络的CPE将视频流通 过上行链路传输到流媒体服务器中，用户再通过 PC从该服务器拉流观看巡查，实现电力线巡查高 清视频的即拍即传。

无 人 机 4 K 视 频 实 时 回 传 ， 上 行 实 时30Mbps带宽；多机协同360°全景拍摄，数据冗余采集，减少由于对巡检目标对角、光线不一致、图像 漏拍等导致的GIS图像3D建模失败，节约成本 30~90%；地面站与管理中心进行内外场协同作业， 即时发现问题并进行图像复采集，作业效率提升 40~80%；

图2-5 无人机电力巡检示意图

2.6 基站巡检

在移动通信系统中，空间无线信号的发射 和接受都是依靠移动基站天线来实现的。基站天 线的工参主要有挂高、俯仰角、方位角和位置经 纬度，这些参数对基站的电磁覆盖有决定性的影 响，无线网络的运行质量也与天线参数的正确性密切相关。因此，基站天线工参定期检测工作是 移动通信系统维护工作最基本、最重要的工作之 一。常规的人工攀爬基站巡检受到多方面包括天 气、环境、仪表、人员操作等因素的影响，造成 人工巡检效率较低，无法按时完成任务。通过5G 网联无人机基站巡检方式，在降低了人工劳动强度的同时也降低了人工登塔作业安全风险，提高 了巡检效率的同时也节省了时间成本。网联无人机采集、拍摄基站数据并回传数据至主服务器， 人工对数据进行处理，并编辑生成报告。

图2-6 无人机基站巡检示意图

巡检生成的数据量大，4G或传统微波电台无 法进行实时数据传输，只能后期进行数据处理。 由于测量误差要求较高，故应配备高精度定位模 块，需利用5G高带宽、低时延、高可靠性特点， 对采集数据进行高精度定位。通过5G网络可将网 联无人机连入无人机管理云平台，可对多架基站 巡检无人机进行实时监控。

2.7 无人机水务

无人机在水务方面的应用越来越广泛，如水 质监测、日常巡查、水文数据获取、防汛抗洪、 水土保持监测等等。

网联无人机水质监测是在水务方面的创新性 应用。无人机荷载多光谱相机进行水体地物光谱采集，利用采集的多光谱影像，通过自主研发的 聚类分析算法，对多光谱遥感影像数据进行针对 水质特征的影像聚类分析，得出水质状况定性结论。结合抽样水样检测数据获得定量数据，综合 分析，可总体掌握监测水域的水质状况。

图2-7 无人机水务业务示意图

该应用要求上行速率50Mbps，在150m飞 行高度上，通过使用具备垂直波束调整能力的 大规模天线，有能力达到50Mbps上行速率；在 300m-500m飞行高度上，要达到50Mbps上行速 率，对5G网络覆盖部署提出了较高要求，可以考 虑引入低频上行载波、增加上行时隙配比以及调 整天线下倾角度等增强手段解决。

相比监测站点加人工排查的方案，利用网联无人机获取水文水质数据，覆盖面积广、成本更 低、效率更高，能实现全流域的实时动态水质监 测和强大的水文水质数据获取能力，拥有广阔的 市场发展前景。

2.8 无人机物流配送

近年来，国内外的主要物流企业纷纷开始布 局无人机配送业务，以实现节省人力、降低成本 的目的。通过5G网络，可以实现物流无人机状态的实时监控、远程调度与控制。在无人机工作过 程中，借助5G网络大带宽传输能力，实时回传机 载摄像头拍摄的视频，以便地面人员了解无人机 的工作状态。同时，地面人员可通过5G网络低时延的特性，远程控制无人机的飞行路线。此外， 结合人工智能技术，无人机可以根据飞行任务计 划及实时感知的周边环境情况，自动规划飞行

图2-8无人机物流示意图

2.9 无人机应急通信及救援

我国幅员辽阔，多样的环境和气候特征使得 各种自然灾害时有发生，因此，灾后的救援工作 尤其重要。利用无人机灵活性强的特点，当灾害 发生时，使用搭载通信基站的无人机，基于规划的路线飞行，触发受灾被困人员手机接入机载基 站网络，实现对被困人员通信设备的主动定位， 确认被困人员的位置及身份信息。同时利用5G 网络的大带宽传输能力，通过机载摄像头实时拍 摄并回传现场高清视频画面，结合边缘计算能力与AI技术，实现快速的人员识别及周边环境分 析，便于救援人员针对性地开展营救工作。通过 该产品与传统搜救方式的结合，可有效降低搜寻时间，保证被困人员能够在第一时间得到有效救 助，最大程度地减少人员伤亡，具有显著的社会 效益。

图2-9 无人机应急通信与救援示意图

2.10 野外科学观测

野外科学观测是指在野外条件下通过对生 态环境、动植物的指标要素进行长期采集、数据 积累和测定，确定其变化趋势，帮助科研人员进 行研究，是生态学、气象学等领域的基本研究手 段。

野外科学观测地点普遍远离城市，通过应用视频监控设备、数据采集器、通信 网络等基础设施，能够实现科研数据的采集、存 储、传输，形成信息化的研究环境。然而，在广 域的青藏高原冰川、内蒙古草原、新疆戈壁等环 境下，建立监测系统需要的成本较高。

无人机基于规划路线飞行，可实现广覆盖、低成本的视频数据和遥感数据的采集。5G网络 增加监测视频数据和遥感数据的上行传输速率， 并降低空口时延，提高野外科学观测的效率。 结合5G网络的大带宽和低延迟高可靠性能，实 现科学观测系统原始数据、视频数据的实时观测。如：气象领域高频的原始流数据采样频率较 高（10Hz），基于LTE网络实现实时数据传输困 难。另外在观测系统架构中，通过边缘计算在本 地筛选并计算有效数据，剔除重复和无效数据， 提高系统工作效率。

图2-10 5G无人机野外科学观测系统示意图

无人机安全飞行

3.1 法规政策

随着无人机产业与技术的迅速发展，民用 无人机被大规模投入使用，不规范使用无人机的 问题也越来越多，给国家安全、公共安全以及飞 行安全带来了威胁，引起相关政府部门和社会各 界的广泛关注。需要尽快建立完善的无人机运行 管理机制和办法，确保无人机在运行阶段'看得 见、管得住、查得着'。既要保障空域安全，也 要尽可能多的给予无人机用户自由飞行的权益， 促进无人机行业的健康发展。

政府相关管理部门也在不断探索无人机运行 管理的思路和方案。无人机运行法规逐渐完善， 逐步出台了多项指导性文件。

3.2 运行管理技术方案探索

经过产业界长期的深入分析和研究，基于运 行风险大小的无人机分级分类的管理思路，结合

国内外的最新研究成果，无人机的运行管理方案 主要有本地广播方案和网联管理方案。

本地广播方案是不依赖移动通信网络,基于机 载技术成熟、尺寸小、功耗低、成本低的无线广 播发射机（如Wi-Fi、蓝牙），周期性的广播无人 机的身份识别信息、三维位置（经度、纬度和高 度）、飞行状态等信息。地面上使用手机、PAD 等便携式移动终端，或者车载终端、固定监测站 来接收和解析此类广播信号。该方案有成本低、 技术成熟度高、部署灵活等优点，但广播信号覆 盖范围受限，以及部分普通用户手机需要进行软 件升级。

网联管理方案是通过联网，基于现有移动通 信网络具备的实名登记、可信位置校验、实时可靠数据传输等能力，并通过一体化的管理流程与 加密认证技术实现整体业务安全可靠，达到事前 可预警、事中可管控、事后可追踪。

1）通过移动通信网络可实现可靠地双向数 据传输

2) 通过移动通信网络辅助定位实现位置可信

3) 通过手机实名信息，便捷、快速实现无人 机实名登记

4) 完善的管理流程与加密认证技术实现整体 业务安全可靠

无人机系统主要由无人机、控制站和数据链 三大部分组成。根据无人机系统中连接移动通信 网络模块的不同，又分为控制站地面网联管理方 案和无人机空中网联管理方案。

图3-1 无人机网联管理方案

3.2.1 控制站地面网联管理方案 无人机在飞行时与地面控制站通过遥控遥测

数据链（C2链路）建立实时连接，地面控制站 通过无线或有线接入网络的方式连接网络。无人 机的ID、三维位置以及飞行状态等数据通过遥控 遥测数据链（C2链路）从无人机传输至地面控制 站，地面控制站增加其ID和位置信息后对接收的 信息进行整合和封装，得到无人机完整系统的识 别和跟踪信息，并按照数据上报格式和频率等技 术要求向国家级无人机管控平台上报数据，移动通信网络可校验地面控制站的位置。该方案具有 地面网络覆盖率高、安全可靠、可选网络接入方 式多样、地面控制站对网络接入模块的尺寸、面 积、功耗、重量等容忍度高等优点。

3.2.2 无人机空中网联管理方案

无人机通过机载移动通信模组直接接入移 动网络，向国家级无人机管控平台发布无人机的 识别信息，如ID、运行三维位置、飞行状态等信 息，移动通信网络可校验无人机的位置。该方案 具有安全可靠性高、用户难以篡改等优点。

图3-2 蜂窝网联无人机交通管理架构

2018年2月中国民航局发布《低空联网无人 机安全飞行测试报告》，《报告》通过实施网联 无人机安全飞行管理项目技术测试，深度研究测 试蜂窝网络在无人机安全飞行管理上的有效性。 进一步验证了利用现有蜂窝网络进行无人机空中网联管理的技术可行性，该成果不仅代表着中国 在低空空域的前沿探索，对引导全球无人机产业 快速健康发展，推动低空数字化新产业更有着重 要的意义。

在该研究项目中，全球移动通信运营商、设 备商提出大量提案，进行充分的讨论，于2017年 12月输出研究报告TR36.777。研究内容包括低空 外场测试，信道模型，空中覆盖面临的问题以及 潜在的优化方案。研究报告指出当前4G商用网络 已可以为无人机终端提供服务，但可能存在上下 行干扰和移动性的挑战。当空中无人机数量较多时，问题将更加明显。报告给出了当前4G商用低 空覆盖面临的挑战和潜在优化方案。

趋势，总结和展望

当前，无人机与无线通信跨界融合的需求与 趋势已经有目共睹，无人机5G应用的产业生态 从无人机应用场景和通信需求、终端通信能力、 无线技术等方面也初步成熟。未来，我们希望通 过无人机5G应用领域的持续创新，促进无人机在 物流、巡检、安防、救援、测绘、农业植保、直 播、编队飞行甚至自主飞行等场景的网联化智能 化建设，提升航拍、送货、勘探等各种各样的个 人及行业业务体验，构成一个全新的、丰富多彩 的'网联天空'。为了实现这个目标，计划分三阶 段推进。

第一阶段，网联化：基于一张承载无人机和 MBB 用户的全联接网络，推进无人机网络连入 蜂窝网络实现无人机安全飞行,激发更多网联无人 机应用，研究在娱乐、农业植保、编队飞行等场景下，降低成本提升效率和应用体验。 第二阶段，实时化：开展区域无人机全联接

业务研究。结合5G 无线网络接入的增强移动宽 带以及低时延高可靠等技术，进行区域无人机全 联接类场景的研究。这将推进超视距范围无人机 互联互通、高清视频传输、高可靠低时延数据回 传等前沿技术的落地，有效解决巡检、安防、测 绘、救援等领域面临的人员伤亡、恶劣环境相关 安全隐患问题。

第三阶段，智能化：结合5G 与AI云端处理 技术，通过蜂窝网结合AI技术实现无人机的自主 作业，彻底实现7*24小时无间歇作业，进一步解 放人力，提高效率，并避免作业过程中的人员伤 害，让人摆脱重复劳动，投身到更有技术含量的 工作中。

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待续。。。。。。