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，其移動性與靈活性較差，難以滿足應(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)。

我國政府為保證并推進(jìn)我國應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，成立了國家應(yīng)急管理部，啟動天地一體的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)。為響應(yīng)國家號召，國內(nèi)三大運(yùn)營商積極開展應(yīng)急通信保障研究。傳統(tǒng)應(yīng)急通信通常采用應(yīng)急通信車方式，應(yīng)急通信車具有較高的機(jī)動性與穩(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、海域覆蓋等極端場景，通信車輛難以及時部署;同時，由于應(yīng)急通信車桅桿升降高度限制，導(dǎo)致天線投射面積有限。因此，單一應(yīng)急通信措施難以滿足全方面的應(yīng)急通信的需要[3]。隨著無人機(jī)技術(shù)發(fā)展，特別是無人機(jī)的飛行高度、移動半徑、續(xù)航和載重等能力的大幅提升，通過無人機(jī)搭載基站具備了可行性。此外，無人機(jī)基站具有高可靠的視距鏈路和靈活部署的能力，使得無人機(jī)組網(wǎng)技術(shù)在未來應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中具有廣闊前景。

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

本文將基于5G技術(shù)，對固定翼式無人機(jī)機(jī)載系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行研究，重點(diǎn)對該架構(gòu)下的固定翼無人機(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 無人機(jī)平臺選擇

應(yīng)急通信對無人機(jī)平臺的要求主要包括：

(1)續(xù)航時長：由于應(yīng)急通信場景的需要，續(xù)航時間超過20小時將更具有實(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)情況時在盡量短的時間內(nèi)開始運(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)定的信號覆蓋;

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

無人機(jī)包括民用級無人機(jī)和專業(yè)級無人機(jī)兩種類型。民用無人機(jī)載荷較小，自帶蓄電池的設(shè)計(jì)在保證機(jī)體輕便的同時也使得飛行時間通常在20～70 min，無法滿足應(yīng)急通信保障的需求。專業(yè)無人機(jī)主要包括旋翼無人機(jī)、系留式無人機(jī)和固定翼無人機(jī)3種類型。旋翼無人機(jī)具有便于操控、垂直起降和長時間懸停等優(yōu)勢，同時無人機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸較小。系留式無人機(jī)系統(tǒng)以多旋翼無人機(jī)為平臺，通過專用電源和電纜實(shí)現(xiàn)供電和傳輸，可實(shí)現(xiàn)在一定載荷下長時間懸停，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信覆蓋。系留式無人機(jī)具有攜帶方便、開設(shè)迅速、操作簡單的特點(diǎn)，但負(fù)載有限(載荷為2～10 kg)，從而限制了其應(yīng)用范圍。固定翼無人機(jī)尺寸相對較大，操控相對復(fù)雜，同時有一定的起降受限，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)主要由無人機(jī)平臺、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人機(jī)平臺上提供應(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)主要用來提供數(shù)據(jù)解密、防火墻等功能，核心網(wǎng)主要用于用戶鑒權(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)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，再通過核心網(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)載基站建議采用專為無人機(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

無人機(jī)使用全向天線時，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。無人機(jī)基站與用戶實(shí)際距離如圖3所示。

根據(jù)圖3和圖4所示，地球曲面無線視距的傳播距離可表示為：

式中，ht為基站天線有效高度，單位為m;hr為用戶接收天線有效高度，單位為m;d為基站天線與用戶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)無人機(jī)覆蓋能力：采用5G n1 2.1 GHz頻點(diǎn)時，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2.3 km;

(2)無人機(jī)回傳能力：使用4G 800 MHz宏基站作為無人機(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)過無人機(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，可滿足約340 km2范圍內(nèi)的語音與數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)使用。

由圖6和圖7可以看出：

(1)對于2.1 GHz頻段5 MHz帶寬的5G一體化基站通過無人機(jī)平臺搭載后，當(dāng)覆蓋區(qū)域內(nèi)達(dá)到邊緣-105 dBm左右的覆蓋水平時，隨著基站發(fā)射功率的增加，邊緣用戶接收功率逐漸增大，對于目標(biāo)RSRP來說，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，可最大滿足40 km2內(nèi)用戶語音與數(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，其覆蓋半徑由2 km擴(kuò)大到9 km左右，最大可滿足240 km2以內(nèi)的用戶需求。

3、結(jié)論

本文提出了基于固定翼式無人機(jī)的5G應(yīng)急通信覆蓋解決方案，該方案通過無人機(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。該方案可以滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋和應(yīng)急通信的基本需求。

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