無人駕駛航空器（Unmanned Aerial Vehicle，以下簡稱UAV）簡稱為無人機，其全球市場在過去十年中大幅增長，現在已經成為商業、政府和消費應用的重要工具。無人機能夠支持諸多領域的解決方案，可以廣泛應用于建筑、石油、天然氣、能源、公用事業和農業等領域。當前，無人機技術正在朝軍民融合的方向高速發展，無人機產業已經是國際航空航天最具活力的新興市場，成了各國經濟增長的亮點。

無線通信在過去20年經歷了突飛猛進的發展，從以話音為主的2G時代，發展到以數據為主的3G和4G時代，目前正在步入萬物互聯的5G時代。移動網絡在繼續豐富人們的溝通和生活的同時，也向全行業數字化轉型提供能力，提高各行業的運作效率和服務質量。5G以全新的網絡架構，提供10Gbps以上的帶寬、毫秒級時延、超高密度連接，實現網絡性能新的躍升。ITU定義了5G三大場景：增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband，以下簡稱eMBB）、超高可靠低時延通信（Ultr a-Reliable Low-latency Communications，以下簡稱uRLLC）、大規模機器類通信（Massive Machine-Type Communications，以下簡稱mMTC）。

無人機行業高速發展的同時，也對無人機通信鏈路提出了新需求，呈現出與蜂窩移動通信技術緊密結合的發展趨勢，形成“網聯無人機”。在即將到來的5G時代，5G蜂窩移動通信技術與無人機的結合使得這些原本難以想象的想法成為可能。中國信息通信研究院聯合各單位發布了《5G無人機應用白皮書》，展示出未來5G網絡對無人機需求的滿足度以及5G網絡下網聯無人機的應用案例。

5G網絡能力

5G網絡通過提供人人通信、人機通信和機器之間通信的多種方式，支持移動因特網和物聯網的多種應用場景。同時，5G網絡通過提供多樣化業務需求和業務特征的能力，適應不同應用場景的靈活性和多樣化的業務需求，如超寬帶、超低時延、海量連接、超高可靠性等。以業務為中心，高效靈活地提供最佳用戶體驗，是5G網絡系統設計的指導目標。

5G網絡能力圖

5G超高速、超低時延和超高可靠性的顯著特征，將不僅提升人類通信體驗，還將拓展智能制造、車聯網、智能物流、無線家庭寬帶接入等行業應用，承擔著推進全社會數字化進程的使命。5G的空中接口和系統架構以革命性的創新設計支持超大帶寬、多連接以及低時延高可靠性等極致體驗。

前幾代無線網絡的特點是有固定的接入參數和頻譜資源塊，以低頻為主；5G網絡允許使用全頻譜（低頻+高頻）和創新的新空口和架構來提供最佳通信服務。

5G在容量方面，5G通信技術將比4G實現單位面積移動數據流量增長1000倍；在傳輸速率方面，單用戶典型數據速率提升10到100倍，峰值傳輸速率可達10Gbps（相當于4G網絡速率的100倍）；端到端時延縮短5倍；在可接入性方面：可聯網設備的數量增加10到100倍；在可靠性和能耗方面：每比特能源消耗應降至千分之一，低功率電池續航時間增加10倍。

憑借5G無限的發展潛力，蜂窩技術為無人機帶來了全新級別的高可靠性、強大的安全性、無處不在的覆蓋和無縫的移動性。

5G網聯無人機網絡整體解決方案

5G網聯無人機的無人機終端和地面控制終端均通過5G網絡進行數據傳輸和控制指令傳輸，并通過業務服務器加載各類場景的應用。其中5G網絡提供了從無線網到核心網的整體網絡解決方案，以適配之前提到的各種復雜應用場景的網絡實現。

5G網絡對無人機應用通信需求滿足度

5G新空口技術包括采用大規模多天線，新頻譜（引入C波段，毫米波頻段）、新編碼（Polar碼，LDPC碼）、新的幀結構（新子幀結構，自包含子幀）、靈活Numerology、新的物理信號設計。5G采用大規模多天線技術，采用更窄的波束精確對準服務的無人機和地面終端，增強有用信號，并減少小區內和小區間干擾，減少無人機低空上下行干擾，提升對低空的覆蓋能力。5G以用戶級下行導頻替代小區級下行導頻，降低了無人機在低負載網絡下受到的下行干擾。

5G靈活Numerology在時域、頻域、碼域、空域、功率域等采用靈活的資源調度來減少無人機的上下行干擾。

5G空口云化包括上下行解耦技術以及以用戶為中心網絡技術，上下行解耦打破上下行綁定與同一頻段的傳統限制，以5G高頻段與4G中低頻共站部署增強小區覆蓋，5G下行傳輸利用高頻段，上行傳輸與4G的低頻段進行頻譜共享，根據4G空閑程度靈活分配給5G上行使用，實現5G覆蓋增強。以用戶為中心網絡，突破用戶與小區綁定的傳統架構，聯合優選多個物理小區鏈路隨時隨地適配用戶體驗，有效提升有用信號、降低信號衰落和干擾。同時因上層邏輯小區唯一識別，可成功減少小區間切換，提升無人機在空中的移動性和覆蓋。

以業務為中心的云化架構，基于軟件定義網絡（Software Defined Network，以下簡稱SDN）和網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，以下簡稱NFV）的網絡將實現更靈活的開放和應用創新，為了滿足多種行業多樣化的業務需求，按需實現網絡切片資源分配，為不同切片提供相應的QoS保障。網絡切片使得一張5G網絡上同時承載無人機大帶寬、低時延、高可靠的多種不同應用。

比較4G網絡，5G網絡能力滿足了絕大部分無人機的應用場景的通信需求，無人機的聯網，已經先在4G網絡中實現了部分應用，用5G能夠做得更好、更完善，網聯無人機將驅動多類場景應用升級。為滿足自主飛行、編隊等未來更加自動化和智能化的無人機應用需求，將對移動通信網絡的能力提出更高的要求。

5G應用案例

5G具備的超高帶寬、低時延高可靠、廣覆蓋大連接特性，與網絡切片、邊緣計算能力結合，將進一步拓展無人機的應用場景，使能低空數字化經濟。在國內，無人機結合5G的試點應用已經悄然起步。我么來看看5G+無人機在測繪地理信息方面的應用。

1、城市、園區安防

在安防場景中，需要無人機實現高清視頻實時傳輸、遠程控制等功能，這些功能都需要通過網絡連接來支撐。具體來說，無人機安防監控的典型網絡需求包括：實時視頻傳輸（多路）、飛行狀態監控、遠程操控以及網絡定位。

基于5G的無人機城市安防系統

在傳輸速率方面，當前安防業務通常使用1080P視頻實時傳輸，隨著安防業務對視頻清晰度要求的逐漸提升，需要實現4K、8K高清視頻的實時傳輸，對5G網絡提出上行30-120Mbps的傳輸速率需求，時延方面，在未來遠程操控時延要求100ms以下，對應的無線網絡側時延要求約為20ms，對未來網絡建設能力提出更高要求。

5G網絡的大帶寬、低時延實時視頻流回傳至控制中心，融合AI深度學習能力，快速視頻分析實現多手段的目標鎖定及實時跟蹤監控，控制中心能通過5G網絡向無人機飛行控制系統發送控制指令，極大地提升傳統無人機用于安防場景的效率。方案實現示意圖如上圖所示：

無人機與5G結合實現多種功能，達到全方位無死角的安防布控：

一是控制中心人員通過VR眼鏡的4K高清視頻呈現實時觀看和與地面安防設備的同步聯動，優勢互補，最大化安防場景能力;

二是控制中心人員通過VR眼鏡、PAD等地面控制終端經由5G網絡遠程控制無人機機載攝像頭的轉向、無人機的飛行狀態及路線，進一步追蹤鎖定目標；

三是無人機對突發安防場景問題的預判以及自動識別的目標實現進行自動跟蹤。

通過智能無人機飛行平臺以及5G蜂窩網絡能力的有效引入，促進了傳統安防產業向天地一體化協同作戰的方向轉型以及多場景安防能力的智慧升級，必將作為一種新型的安防解決方案模式得到更加廣泛的應用，從而促進傳統安防服務商的智慧升級，并帶動整個產業的發展。

2、電力巡檢

電力設備中輸電線路一般位于崇山峻嶺、無人區居多，人工巡視檢查設備缺陷的效率較低，因蛇、蟲、蟻等小動物咬傷員工的事件也屢見不鮮；另外，輸電鐵塔、導線、絕緣子等設備位處高空，應用無人機巡查，既能避免高空爬塔作業的安全風險，亦可以360°全視角查看設備細節情況，提高巡視質量。而當前的4G網絡只能支持1K的圖傳，對于某些細節檢查，視頻和圖片的清晰度明顯不足，而5G網絡可實現上行單用戶體驗速率100Mbps以上，空口時延10ms，將使得實時視頻更加流暢、更加清晰、巡查效果更優。

多旋翼無人機可分別或者組合搭載高清變焦相機、紅外相機、夜視相機、激光雷達等多種傳感器，傳感器通過連入5G網絡的CPE將視頻流通過上行鏈路傳輸到流媒體服務器中，用戶再通過PC從該服務器拉流觀看巡查，實現電力線巡查高清視頻的即拍即傳。

3、基站巡檢

在移動通信系統中，空間無線信號的發射和接收都是依靠移動基站天線來實現的。基站天線的工參主要有掛高、俯仰角、方位角和位置經緯度，這些參數對基站的電磁覆蓋有決定性的影響，無線網絡的運行質量也與天線參數的正確性密切相關。因此，基站天線工參定期檢測工作是移動通信系統維護工作最基本、最重要的工作之一。常規的人工攀爬基站巡檢受到多方面包括天氣、環境、儀表、人員操作等因素的影響，造成人工巡檢效率較低，無法按時完成任務。通過5G網聯無人機基站巡檢方式，在降低了人工勞動強度的同時也降低了人工登塔作業安全風險，提高了巡檢效率的同時也節省了時間成本。網聯無人機采集、拍攝基站數據并回傳數據至主服務器，人工對數據進行處理，并編輯生成報告。

巡檢生成的數據量大，4G或傳統微波電臺無法進行實時數據傳輸，只能后期進行數據處理。由于測量誤差要求較高，故應配備高精度定位模塊，需利用5G高帶寬、低時延、高可靠性特點，對采集數據進行高精度定位。通過5G網絡可將網聯無人機連入無人機管理云平臺，可對多架基站巡檢無人機進行實時監控。

4、無人機水務

無人機在水務方面的應用越來越廣泛，如水質監測、日常巡查、水文數據獲取、防汛抗洪、水土保持監測等等。

網聯無人機水質監測是在水務方面的創新性應用。無人機荷載多光譜相機進行水體地物光譜采集，利用采集的多光譜影像，通過自主研發的聚類分析算法，對多光譜遙感影像數據進行針對水質特征的影像聚類分析，得出水質狀況定性結論。結合抽樣水樣檢測數據獲得定量數據，綜合分析，可總體掌握監測水域的水質狀況。

該應用要求上行速率50Mbps，在150m飛行高度上，通過使用具備垂直波束調整能力的大規模天線，有能力達到50Mbps上行速率；在300m-500m飛行高度上，要達到50Mbps上行速率，對5G網絡覆蓋部署提出了較高要求，可以考慮引入低頻上行載波、增加上行時隙配比以及調整天線下傾角度等增強手段解決。

相比監測站點加人工排查的方案，利用網聯無人機獲取水文水質數據，覆蓋面積廣、成本更低、效率更高，能實現全流域的實時動態水質監測和強大的水文水質數據獲取能力，擁有廣闊的市場發展前景。

5、無人機物流配送

近年來，國內外的主要物流企業紛紛開始布局無人機配送業務，以實現節省人力、降低成本的目的。通過5G網絡，可以實現物流無人機狀態的實時監控、遠程調度與控制。在無人機工作過程中，借助5G網絡大帶寬傳輸能力，實時回傳機載攝像頭拍攝的視頻，以便地面人員了解無人機的工作狀態。同時，地面人員可通過5G網絡低時延的特性，遠程控制無人機的飛行路線。此外，結合人工智能技術，無人機可以根據飛行任務計劃及實時感知的周邊環境情況，自動規劃飛行路線。

6、無人機應急通信及救援

我國幅員遼闊，多樣的環境和氣候特征使得各種自然災害時有發生，因此，災后的救援工作尤其重要。利用無人機靈活性強的特點，當災害發生時，使用搭載通信基站的無人機，基于規劃的路線飛行，觸發受災被困人員手機接入機載基站網絡，實現對被困人員通信設備的主動定位，確認被困人員的位置及身份信息。同時利用5G網絡的大帶寬傳輸能力，通過機載攝像頭實時拍攝并回傳現場高清視頻畫面，結合邊緣計算能力與AI技術，實現快速的人員識別及周邊環境分析，便于救援人員針對性地開展營救工作。通過該產品與傳統搜救方式的結合，可有效降低搜尋時間，保證被困人員能夠在第一時間得到有效救助，最大程度地減少人員傷亡，具有顯著的社會效益。

7、野外科學觀測

野外科學觀測是指在野外條件下通過對生態環境、動植物的指標要素進行長期采集、數據積累和測定，確定其變化趨勢，幫助科研人員進行研究，是生態學、氣象學等領域的基本研究手段。野外科學觀測地點普遍遠離城市，通過應用多種傳感器、視頻監控設備、數據采集器、通信網絡等基礎設施，能夠實現科研數據的采集、存儲、傳輸，形成信息化的研究環境。然而，在廣域的青藏高原冰川、內蒙古草原、新疆戈壁等環境下，建立監測系統需要的成本較高。

無人機基于規劃路線飛行，可實現廣覆蓋、低成本的視頻數據和遙感數據的采集。5G網絡增加監測視頻數據和遙感數據的上行傳輸速率，并降低空口時延，提高野外科學觀測的效率。結合5G網絡的大帶寬和低延遲高可靠性能，實現科學觀測系統原始數據、視頻數據的實時觀測。如：氣象領域高頻的原始流數

據采樣頻率較高（10Hz），基于LTE網絡實現實時數據傳輸困難。另外在觀測系統架構中，通過邊緣計算在本地篩選并計算有效數據，剔除重復和無效數據，提高系統工作效率。當前，無人機與無線通信跨界融合的需求與趨勢已經有目共睹，無人機5G應用的產業生態從無人機應用場景和通信需求、終端通信能力、無線技術等方面也初步成熟。未來，我們希望通過無人機5G應用領域的持續創新，促進無人機在物流、巡檢、安防、救援、測繪、農業植保、直播、編隊飛行甚至自主飛行等場景的網聯化智能化建設，提升航拍、送貨、勘探等各種各樣的個人及行業業務體驗，構成一個全新的、豐富多彩的“網聯天空”。

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