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(dǎo)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(dòng)性與靈活性較差，難以滿(mǎn)足應(yīng)急通信的要求。因此，高靈活性、高可靠性的應(yīng)急通信措施成為通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

我國(guó)政府為保證并推進(jìn)我國(guó)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，成立了國(guó)家應(yīng)急管理部，啟動(dòng)天地一體的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)。為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商積極開(kāi)展應(yīng)急通信保障研究。傳統(tǒng)應(yīng)急通信通常采用應(yīng)急通信車(chē)方式，應(yīng)急通信車(chē)具有較高的機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性，是應(yīng)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(chǎng)景，通信車(chē)輛難以及時(shí)部署;同時(shí)，由于應(yīng)急通信車(chē)桅桿升降高度限制，導(dǎo)致天線(xiàn)投射面積有限。因此，單一應(yīng)急通信措施難以滿(mǎn)足全方面的應(yīng)急通信的需要[3]。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展，特別是無(wú)人機(jī)的飛行高度、移動(dòng)半徑、續(xù)航和載重等能力的大幅提升，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載基站具備了可行性。此外，無(wú)人機(jī)基站具有高可靠的視距鏈路和靈活部署的能力，使得無(wú)人機(jī)組網(wǎng)技術(shù)在未來(lái)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中具有廣闊前景。

5G是面向2020年以后移動(dòng)通信需求而發(fā)展起來(lái)的新一代移動(dòng)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(hù)在享受更高、更快、更豐富的體驗(yàn)的同時(shí)，也對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率和時(shí)延等性能指標(biāo)提出更高的要求。相對(duì)于4G“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)特性，5G大帶寬(0～10 Gb/s)、低時(shí)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(yīng)急系統(tǒng)將會(huì)逐步成為滿(mǎn)足應(yīng)急通信不同場(chǎng)景需求的首選技術(shù)。

本文將基于5G技術(shù)，對(duì)固定翼式無(wú)人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)該架構(gòu)下的固定翼無(wú)人機(jī)覆蓋和回傳能力進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)結(jié)論。

1、組網(wǎng)架構(gòu)

1.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)選擇

應(yīng)急通信對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的要求主要包括：

(1)續(xù)航時(shí)長(zhǎng)：由于應(yīng)急通信場(chǎng)景的需要，續(xù)航時(shí)間超過(guò)20小時(shí)將更具有實(shí)用性;

(2)快速部署：鑒于應(yīng)急通信事件突發(fā)的特點(diǎn)，需要在出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)在盡量短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)始運(yùn)作;

(3)運(yùn)輸便捷：鑒于應(yīng)急事件發(fā)生地點(diǎn)的不確定性，需要在短時(shí)間內(nèi)將設(shè)備運(yùn)輸至突發(fā)事件發(fā)生地點(diǎn);

(4)載荷較大：鑒于應(yīng)急通信需求的復(fù)雜性，需要平臺(tái)具有較大起飛重量，可以搭載多種應(yīng)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(hào)覆蓋;

(6)經(jīng)濟(jì)使用：在降低制造和運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)，具有較好的使用可靠性。

無(wú)人機(jī)包括民用級(jí)無(wú)人機(jī)和專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)兩種類(lèi)型。民用無(wú)人機(jī)載荷較小，自帶蓄電池的設(shè)計(jì)在保證機(jī)體輕便的同時(shí)也使得飛行時(shí)間通常在20～70 min，無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)急通信保障的需求。專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)主要包括旋翼無(wú)人機(jī)、系留式無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)3種類(lèi)型。旋翼無(wú)人機(jī)具有便于操控、垂直起降和長(zhǎng)時(shí)間懸停等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸較小。系留式無(wú)人機(jī)系統(tǒng)以多旋翼無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，通過(guò)專(zhuān)用電源和電纜實(shí)現(xiàn)供電和傳輸，可實(shí)現(xiàn)在一定載荷下長(zhǎng)時(shí)間懸停，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信覆蓋。系留式無(wú)人機(jī)具有攜帶方便、開(kāi)設(shè)迅速、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但負(fù)載有限(載荷為2～10 kg)，從而限制了其應(yīng)用范圍。固定翼無(wú)人機(jī)尺寸相對(duì)較大，操控相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)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(lái)小型化的氫燃料電池逐步實(shí)用化)、更久的續(xù)航能力使得固定翼無(wú)人機(jī)更適合于大范圍的應(yīng)急通信保障。

1.2 機(jī)載系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

機(jī)載系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)主要由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、機(jī)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(jī)載基站和回傳終端部署在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上提供應(yīng)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(lái)提供數(shù)據(jù)解密、防火墻等功能，核心網(wǎng)主要用于用戶(hù)鑒權(quán)、接入管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。終端接入機(jī)載基站后，機(jī)載基站將數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，加密后的數(shù)據(jù)通過(guò)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，再通過(guò)核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w流程。

機(jī)載基站建議采用專(zhuān)為無(wú)人機(jī)機(jī)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。

(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(wú)人機(jī)使用全向天線(xiàn)時(shí)，采用高空明區(qū)傳播計(jì)算模型,高空明區(qū)示意圖如圖2所示。無(wú)人機(jī)基站與用戶(hù)實(shí)際距離如圖3所示。

根據(jù)圖3和圖4所示，地球曲面無(wú)線(xiàn)視距的傳播距離可表示為：

式中，ht為基站天線(xiàn)有效高度，單位為m;hr為用戶(hù)接收天線(xiàn)有效高度，單位為m;d為基站天線(xiàn)與用戶(hù)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(jì)算公式可以表示為：

式中，f為無(wú)人機(jī)基站工作頻率，單位為MHz。

2.2 下行鏈路預(yù)算參數(shù)

固定翼無(wú)人機(jī)覆蓋鏈路預(yù)算參數(shù)如表5所示。

2.3 回傳鏈路預(yù)算參數(shù)

固定翼無(wú)人機(jī)回傳鏈路預(yù)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(yù)算參數(shù)，相應(yīng)的預(yù)算結(jié)果如圖4所示。

固定翼無(wú)人機(jī)的覆蓋結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由鏈路預(yù)算結(jié)果可以看出：

(1)無(wú)人機(jī)覆蓋能力：采用5G n1 2.1 GHz頻點(diǎn)時(shí)，基于5 MHz帶寬2×10 W機(jī)載一體化基站進(jìn)行覆蓋，假設(shè)地面終端UE的目標(biāo)RSRP為-105 dBm，升空高度為200 m的地面覆蓋半徑超過(guò)2.3 km;

(2)無(wú)人機(jī)回傳能力：使用4G 800 MHz宏基站作為無(wú)人機(jī)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(guò)無(wú)人機(jī)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(mǎn)足約340 km2范圍內(nèi)的語(yǔ)音與數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)使用。

由圖6和圖7可以看出：

(1)對(duì)于2.1 GHz頻段5 MHz帶寬的5G一體化基站通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載后，當(dāng)覆蓋區(qū)域內(nèi)達(dá)到邊緣-105 dBm左右的覆蓋水平時(shí)，隨著基站發(fā)射功率的增加，邊緣用戶(hù)接收功率逐漸增大，對(duì)于目標(biāo)RSRP來(lái)說(shuō)，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(mǎn)足40 km2內(nèi)用戶(hù)語(yǔ)音與數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)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(shí)，其覆蓋半徑由2 km擴(kuò)大到9 km左右，最大可滿(mǎn)足240 km2以?xún)?nèi)的用戶(hù)需求。

3、結(jié)論

本文提出了基于固定翼式無(wú)人機(jī)的5G應(yīng)急通信覆蓋解決方案，該方案通過(guò)無(wú)人機(jī)機(jī)載5G一體化基站，結(jié)合地面宏基站輔助實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。無(wú)人機(jī)基站下行覆蓋與回傳鏈路預(yù)算的仿真結(jié)果表明，固定翼無(wú)人機(jī)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(jìn)一步將覆蓋半徑提升2.3 km，達(dá)到13 km，總覆蓋面積約530 km2。該方案可以滿(mǎn)足偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋和應(yīng)急通信的基本需求。

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