兼顾民用无人机通信的5G网络部署方案探讨

技术交流

2020年第3期

兼顾民用无人机通信的5G网络部署方案探讨

付道繁

渊福建省邮电规划设计院有限公司袁福建省福州市350002冤

摘要对民用无人机通信方式的现状和存在的问题进行分析袁提出5G时代无人机通

信的需求袁并阐述当前5G网络的部署策略袁指出该策略在无人机通信方面存在的不足之

处遥提出5G网络部署对民用无人机通信的几种解决方案袁并重点提出在现有网络部署策

略的基础上袁兼顾民用无人机的解决方案遥同时以福州城区为例估算利用5G基站解决民

用无人机通信问题的数量袁进一步论证其可行性遥最后提出无人机通信的5G网络部署需

要考虑的问题遥

关键词5G曰无人机曰网联无人机曰网络部署

0引言

都说4G改变生活袁5G改变社会袁5G是当今通

其中袁最常见的是在2.4GHz频段的FHSS或Wi-Fi

信号遥

2冤无人机图传链路

目前袁最广泛使用的民用无人机图传链路使用

的是5.8GHz频段袁使用WiFi数字信号等ISM非

授权频段遥应用这些频段无需许可证或费用袁但需要

遵守一定的发射功率渊不能超过1W冤袁并且不能对

其它频段造成干扰遥

3冤无人机导航信号

民用无人机在飞行过程中袁会利用卫星导航信

号实时确定自身位置袁从而实现回传位置状态尧调整

飞行方向等功能遥因此在预设路径飞行模式下袁无人

机可以预先按照设计好的位置信息进行自主导航飞

行袁可做到不需要任何遥控操作遥

在遥控操作模式下袁如果指挥与控制链路信号

出现异常中断袁无人机也可以利用卫星导航信号袁启

动失效保护模式袁自主控制飞行袁返回起飞地点或就

地降落袁确保无人机及周边环境安全遥目前绝大多数

的无人机都已配备基于美国GPS渊全球定位系统冤尧

俄罗斯GLONASS渊俄罗斯的卫星定位系统冤系统和

中国北斗卫星导航系统三模一体的导航模块袁以提

高定位精度和抗干扰能力遥

1.2当前民用无人机通信存在的问题

当前民用无人机的指挥与控制链路尧图传链路

和导航信号袁使用的都是基于ISM的非授权频段或

信行业最热门的话题遥5G将推动社会各垂直行业的

应用袁包括院人工智能尧智慧工业尧智慧农业尧智慧医

疗尧智慧城市尧远程医疗尧无人驾驶尧民用无人机等遥

UAV渊无人机冤袁全称无人驾驶航空器袁其全球

市场在过去十年中大幅增长袁现在已经成为商业尧政

府和消费应用的重要工具遥无人机能够支持诸多领

域的解决方案袁可以广泛应用于建筑尧石油尧天然气尧

能源尧公用事业和农业等领域遥

然而袁据统计当前民用无人机的利用率非常低袁

90%的民用无人机都处于静默状态遥造成这种现象

除了设备技术尧空中管制等多方面原因外袁无人机没

有无线网络连接技术支持是非常重要的原因遥

1民用无人机通信现状

民用无人机通信包括三个方面院无人机指挥与

控制链路袁无人机图传链路和无人机的导航信号遥

1.1当前民用无人机通信方式

1冤无人机指挥与控制链路

目前我国市场上90%以上的民用无人机指挥

与控制链路都工作在免执照的ISM渊工业尧科学尧医

学冤频段袁常用的技术制式有FHSS渊跳频扩频冤尧

DSSS渊直接序列扩频冤尧WiFi渊无线局域网冤尧蓝牙等遥

2020年第3期

技术交流

如荼的进行遥国内计划在2020年实现5G全面商

用袁就目前的无线网络部署策略来看还基本是沿用

4G的模式遥

运营商4G无线网络的部署策略是院用室外宏

站来覆盖室外袁用室内分布进行室内信号覆盖遥城区

的室外宏站主要部署在城区建筑物的楼顶袁其站址

高度一般在60m以下袁其天线俯仰角绝大多数是向

下倾斜袁主要是为了覆盖地面街道尧建筑等遥当前室

外宏站部署策略如图1所示遥

2.2当前5G无线网络部署存在的不足

当前5G无线网络部署方式袁在60m以下空间

得到天线的主瓣覆盖无线信号强度较好效果可以

在-60~-80dBm之间袁信号质量也较好遥60~100m

的空间无线信号主要靠天线的旁瓣覆盖袁无线信号

强度较差一般在-80~-100dBm之间袁但是由于城

区基站密集袁很多较远处基站的信号也能覆盖到该

区域袁导致干扰很强袁信号杂乱无主服务小区袁质量

极差遥而100m以上空中袁即使是天线旁瓣发射的信

号也难以覆盖到此区域袁该区域就成为移动通信无

线信号弱覆盖区甚至是盲区遥当前室外宏站覆盖情

况如图2所示遥

卫星导航信号遥

使用ISM非授权频段会存在几个方面的问题院

1冤受控的范围有限

ISM频段是非授权频段袁发射功率受到一定的

限制袁ITU-R渊国际通信联盟无线电通信局冤规定使

用ISM频段的信号发射器袁发射功率不能超过1

W袁限制了信号发射器的覆盖范围遥使用ISM频段

的无人机袁受控的范围只能在数百米以内遥

2冤保密性不强

ISM常用的技术制式有FHSS尧DSSS尧Wi-Fi尧蓝

牙等遥这些制式相对于蜂窝移动通信网袁其保密性较

低袁重要的数据容易被截获尧破解遥

3冤容易被干扰

工作在ISM频段的无人机袁容易受到其他无线

发射机信号的干扰袁尤其是易受大功率信号的暴力

阻断袁使无人机失效袁甚至坠毁遥

4冤无法网联

目前的无人机基本是处于点对点的连接状态袁

无法与蜂窝移动通信技术相结合袁无法实现网联袁无

法成为野网联无人机冶遥

2

2.1

当前5G无线网络部署策略及存在问题

当前5G网络部署策略

当前袁三大运营商的5G实验网部署也在如火

35G时代民用无人机通信需求

目前袁在中国乃至世界各地袁诸多领域已显现出

图1当前室外宏站部署策略

技术交流

2020年第3期

图2当前室外宏站覆盖情况

力及石油管线巡査尧移动基站查勘尧应急通信尧农林

作业尧环境保护尧海洋水文监测尧矿产勘探尧气象监测

等领域应用的技术效果和经济效益非常显著遥

接入低空移动通信网络的网联无人机袁可以实

现航线的规范尧设备的监视和管理尧效率的提升袁促

进空域的合理利用袁从而极大延展无人机的应用领

城袁产生巨大经济价值遥基于新一代蜂窝移动通信网

络5G为网联无人机赋予的实时超高清图传尧远程

低时延控制尧长时间在线等重要能力袁全球将形成一

表1

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

应用领域

物流

物流

物流

农林作业

农林作业

直播

巡检尧安防尧救援

测绘

编队飞行

未来云端AI

野无人机+行业应用冶的蓬勃发展势头遥无人机在电

个数以千万计的无人机智能网络袁促进各种各样的

个人及行业服务袁进而构成一个全新的尧丰富多彩的

网联天空遥

这些行业对5G网络的需求袁除了上下行速率尧

业务端到端时延尧控制端到端时延尧定位精度外袁其

无线信号的覆盖高度是其中至关重要的需求之一遥

据叶IMT-2020渊5G冤推进组要要要5G无人机应用

白皮书曳中关于无人机在各场景网络指标需求中所

述袁应用领域对网联无人机无线信号的覆盖高度需

求见表1遥

应用领域对网联无人机无线信号的覆盖高度需求

业务属性

自动飞行

基于视频的人工接管

基于高清视频的人工接管

喷洒农药

农业土地勘测

4k视频回传

1080p视频回传

激光测绘

无人机编队飞行

无人机云端自主飞行

覆盖高度/m

100

100

100

10

200

100

100

300

200

300

覆盖范围

城区尧城郊尧农村

城区尧城郊尧农村

城区尧城郊尧农村

农村

农村

安防覆盖城市

巡检覆盖基础设施

城市尧农村

城市尧农村

城市尧农村

2020年第3期

技术交流

为民用无人机分配一段频率袁还存在较大的浪费袁作

为无线频率监管的部门袁为其分配专门频率的可能

性还不是很大遥不过袁将来无人机技术更成熟袁用户

相对普及袁专门为无人机通信划分单独的频段资源

也是可行方案遥

从上表可以看出袁网联无人机在多数应用领域

对5G无线信号的需求高度都在100m以上袁特别

是在测绘尧未来云端AI尧编队飞行等方面的需求在

200~300m之间遥

4无人机通信的5G部署方案选择

从以上需求分析可知袁在5G时代袁无线网络的

5兼顾民用无人机通信的网络规划

从上文分析可知袁在当前的条件下袁为无人机通信号覆盖不仅要考虑地面的街道尧道路尧建筑袁还需

要考虑空中无线网络信号的覆盖袁包括超高层建筑

和空中民用无人机用户遥如何在保证传统地面建筑

无线信号覆盖的基础上袁又能兼顾民用无人机的无

线信号覆盖袁这是目前摆在运营商和通信厂商面前

的一个重要研究课题遥

其中的研究点有院如何最大效率地复用地面网

络为空中无人机提供通信袁是否需要为无人机通信

建设专用网络或者划分单独的频段资源袁干扰管理

和移动性增强的进一步研究遥

首先袁分析为无人机通信建设专用网络或者划

分单独的频段资源的可行性遥

1冤为无人机通信建设专用网络

对于为无人机通信建设专用网络袁从网联民用

无人机用户的角度来说这是非常理想的一种方法遥

这样可以做到专网专用袁用于民用无人机覆盖的信

号与其他传统地面覆盖基站的信号做到相互独立袁

互不干扰遥既可以保证信号强度袁又可以保证信号的

质量袁从而保证无人机通信传输的上下行速率遥

但是袁在目前全国的无人机数量不算太多袁并且

受到严格飞行许可管制的情况下袁为无人机通信建

设一张专用网络袁从建设的投资收益比来看袁是不大

可行的遥当然袁如果将来民用无人机技术成熟了袁用

户相对普及了袁为无人机通信建设一张专用无线通

信网络也并非不可遥

2冤为无人机通信划分单独的频段资源

为无人机通信划分单独的频段资源袁从保证无

人机用户网络质量方面考虑也是一个很有必要的方

案遥有单独的频率资源袁可以保证网络的纯净袁保证

无人机通信传输所需的信号强度尧网络质量和上下

行速率遥

但是袁频段是无线通信行业十分宝贵的资源袁并

且民用无人机用户相对较少遥在这样的情况下袁专门

信建设专用网络或者划分单独的频段资源的方案还

不可行遥那么要实现无人机的网联袁可以在现有网络

部署策略的基础上袁兼顾民用无人机通信进行个性

化的网络规划遥

1冤站址规划思路

根据低空民用无人机飞行的特点袁将0~300m

的的垂直立体空间进行分层院0~100m为低层空间袁

100~200m为中层空间袁200~300m为高层空间遥将

无线信号进行分层覆盖袁对于低层空间利用传统的

无线网络基站覆盖方式袁天线的俯仰角朝下进行覆

盖袁站点位置宜选择在50m以下建筑物上遥对于

100~300m的中高层空间袁采用天线俯仰角朝上覆

盖的方式袁站点位置宜选择在100m以上的建筑物

上遥兼顾民用无人机通信的5G网络分层部署方案

如图3所示遥

利用凯瑟琳基站覆盖范围计算工具模拟估算袁

在基站高度在100m袁天线向上朝空中20毅发射袁5G

基站天线的垂直半功率角30毅时袁天线主瓣最远的

覆盖半径是2286m遥以一个基站3个扇区计算袁每

=16.4km

2

遥凯瑟琳工具模拟基站信号覆盖范围如图

以福建省省会福州为例进行站点数量规划估

个基站大约可以覆盖的面积是院S=仔伊r

2

=3.14伊2.286

2

4所示遥

算袁福州市主城区面积约880km

2

遥粗略估算880衣

16.4=53.6袁即利用宏站覆盖福州主城区的300m以

下的低空大约需要54个基站遥

因此袁在做福州市区的5G基站规划时袁需规划

大约3000个5G宏基站覆盖地面道路和建筑物的

基础遥另外袁在相对较高的建筑上渊高度100m左右冤

再规划大约55个宏基站覆盖高度300m左右的空

中袁这样既满足了地面道路和建筑物通信终端用户

的5G信号通信需求袁又可以兼顾低空无人机通信

技术交流

2020年第3期

图3兼顾民用无人机通信的5G网络分层部署方案

图4凯瑟琳工具模拟基站信号覆盖范围

终端用户的通信需求遥

2冤链路预算

由于用于民用无人机的无线网络覆盖是朝空中

发射信号袁没有建筑物和构筑物的阻挡遥因此袁可以

参考自由空间损耗模型进行无人机通信终端的链路

预算遥

无线信号在自由空间传播损耗模型为院

路径损耗Ld=32.4+20lgd+20lgf遥

f院频率袁单位院Mhz遥d院距离袁单位院km遥

以覆盖距离2.5km袁5G的工作频率3.5GHz进

行计算遥

Ld=32.4+20lg2.5+20lg3500=111.24dB遥

根据5G基站AAU的参数可知院TX最大发射

功率=50dBm袁每RE发射功率=12.65dBm袁AAU

天线的增益为19dBi袁无人机终端天线增益2dBm遥

RxLEV=基站每RE发射功率+AAU天线的增益-

路径损耗Ld+无人机通信终端天线增益遥

如果在距离基站2.5km的空中袁无人机通信终

端能接收的信号强度为院RxLEV=12.65+19-111.24+

2=-77.59dBm袁则可以得出结论院该信号强度完全满

足无人机通信终端的信号场强需求遥

6需考虑的问题

通过以上分析袁在现有网络的基础上袁针对民用

无人机的5G通信需求部署少量基站袁从技术上是

可行的袁但是在实际的网络规划中还需要重点考虑

几个问题遥

1冤邻区规划

为了使网联无人机能在空中进行连续地飞行袁

除了要有无缝隙的5G无线网络信号之外袁还需要

2020年第3期

技术交流

用无人机应用的产业生态也日趋成熟遥未来袁通过民

用无人机在5G应用领域的不断创新袁基于5G网络

的民用无人机通信系统的不断完善袁将促进无人机

在直播尧农林作业尧测绘尧救援尧安防尧巡检尧物流尧编

队飞行直至自主飞行等场景的网联化智能化建设袁

提升民用无人机在各行业用户的体验袁构造一个丰

富多彩袁全新的野网联天空冶遥

参考文献

1

2

3

中国民用航空局飞行标准司.轻小无人机运行规定渊试

行冤咱S暂.2015.

中国民用航空局飞行标准司.民用无人驾驶航空器系统

驾驶员管理暂行规定咱S暂.2013.

李路路袁张鹏.浅谈无人机民用的发展现状咱C暂//中国航

空学会.中国无人机大会论文集院2014年卷.北京院航空工

业出版社袁2014.

4IMT-2020渊5G冤推进组.5G无人机应用白皮书咱R暂.2018.

让民用无人机能在不同小区尧不同基站间顺利地切

换袁这样就需要覆盖高层的小区间做合理的邻区关

系遥另外袁由于无人机通信终端在起飞时需要从低层

5G无线网络切换至高层5G无线网络袁这也需要覆

盖高层的5G小区与其相邻的5G小区做合理的邻

区规划遥同理袁无人机通信终端在降落时需要从高层

5G无线网络切换至低层5G无线网络袁这也需要覆

盖低层的5G小区与其相邻的高层5G小区做合理

的邻区规划遥其切换带控制在100m左右的空中遥

2冤干扰问题

5G无线网络也是自干扰系统袁所有的基站共用

100MHz的带宽遥因此袁需要通过合理的规划和优

化袁控制信号的覆盖范围袁既要避免信号不足导致覆

盖不连续或出现覆盖盲区袁又要避免过覆盖而干扰

到其他小区遥同时袁需避免覆盖低层的5G小区和覆

盖高层的5G小区相互干扰遥当然袁这需要一段长期

试验和探索的过程遥

7结束语

作为5G+的一个重要应用场景袁无线通信与民

付道繁渊1973要冤袁男袁高级工程师袁硕士袁主要研

究方向为无线通信网络规划尧优化尧设计袁无线基站

配套优化及创新遥

收稿日期院2019-11-08

用无人机的跨界融合趋势和需求已经日益明显袁民

下期要目预告

5G基站建设存在问题及解决策略

虚拟化网络功能数据测量框架研究

5G基站电源改造解决方案分析与研究

5G传送网SPN汇聚层组网策略研究

市政公园5G接入机房自建模式探索

一种灵活通用的无线传感网体系结构设计