李 凌，姚賽彬，付 智，常士樂（中國聯(lián)通上海分公司，上海 200080）

1 概述

2018 年，上海聯(lián)通與上海天然氣管網(wǎng)公司簽署天然氣主干網(wǎng)5G 無人機(jī)巡線戰(zhàn)略合作協(xié)議。為推動合作項目盡快上線，上海聯(lián)通與中國聯(lián)通研究院組建聯(lián)合項目組，選定在崇明島開展試驗。在網(wǎng)絡(luò)方面，建成天然氣主干網(wǎng)沿線5G 無人機(jī)專網(wǎng)，覆蓋長度超過100 km。在終端方面，按照飛行高度400 m 和飛行速度120 km/h 的設(shè)計方案，完成機(jī)載任務(wù)計算機(jī)和5G CPE 的集成，掛載4K 超高清光電吊艙，支持4K 超高清視頻流的實時編碼及傳輸。在實時操控方面，為滿足5G 無人機(jī)實時操控和4K 超高清視頻實時回傳的需求，網(wǎng)絡(luò)側(cè)部署邊緣云MEC，與云端無人機(jī)業(yè)務(wù)平臺有效協(xié)同，端到端時延低于20 ms。

1.1 無人機(jī)巡檢優(yōu)勢

工業(yè)管線巡檢是指對供電線路、輸油管道、燃?xì)夤艿赖冗M(jìn)行定期檢查。早期，工業(yè)管線的巡檢以人力巡檢方式為主。由于此類設(shè)施大多處于環(huán)境惡劣的區(qū)域，傳統(tǒng)的人工巡檢方案受環(huán)境及天氣等影響，工作量大、工作效率較低、成本較高，且存在一定的人身安全風(fēng)險。為了彌補(bǔ)人力巡檢的局限性，無人機(jī)巡檢應(yīng)運而生。

圖1示出的是無人機(jī)巡檢發(fā)展趨勢。

圖1 無人機(jī)巡檢發(fā)展趨勢

1.2 首個商用5G無人機(jī)項目

中國信通院發(fā)布《5G 無人機(jī)應(yīng)用白皮書》，從無人機(jī)應(yīng)用場景和通信需求、4G 網(wǎng)絡(luò)能力、5G 網(wǎng)絡(luò)能力、網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)終端通信能力、5G 應(yīng)用案例、無人機(jī)安全飛行、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展等方面闡述了5G 無人機(jī)應(yīng)用的情況，標(biāo)志著5G無人機(jī)技術(shù)已完成實驗環(huán)境測試。

上海聯(lián)通與天然氣管網(wǎng)公司簽訂《5G 無人機(jī)戰(zhàn)略協(xié)議》，天然氣主干網(wǎng)5G 工業(yè)無人機(jī)巡線于2019 年3月31 日首飛成功，成為全球首個商用5G 無人機(jī)業(yè)務(wù)，獲得客戶高度認(rèn)可。無人機(jī)巡檢范圍包括83 km 管道中心兩側(cè)200 m 內(nèi)的房屋、建筑、水庫等的占壓，通過5G 傳送所拍攝影像資料，進(jìn)行實時對比分析判斷控制保護(hù)區(qū)變化情況。

本項目的三大亮點在于：主要實現(xiàn)識別控制保護(hù)區(qū)范圍，并針對此范圍開展巡查工作；項目主要實現(xiàn)三大功能，一是自動巡檢，使用無人機(jī)巡線方案后，顯著提升效率、降低成本。從原本的人工作業(yè)需要12 h，縮短至2 h，效率提升6 倍；并保障了作業(yè)人員人身安全。二是智能分析，實時傳送所拍攝的4K 高清影像資料，通過智能識別技術(shù)，對無人機(jī)前后2 次拍攝影像資料進(jìn)行對比分析，判斷控制保護(hù)區(qū)變化情況；三是實用價值，工業(yè)無人機(jī)采用航空柴油供能，具備飛行時間長、距離遠(yuǎn)的特點，通過5G 網(wǎng)絡(luò)完成80 km 超長距離飛行控制，行業(yè)實用價值遠(yuǎn)高于小型電池驅(qū)動無人機(jī)。

2 無人機(jī)新型業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)能力帶來挑戰(zhàn)

2.1 飛行速度凸現(xiàn)的多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)是指隨著移動物體與基站距離的遠(yuǎn)近，合成頻率會在中心頻率上下偏移的現(xiàn)象：當(dāng)移動物體和基站越來越近時，頻率增加，波長變短，頻偏減小，頻偏的變化增大；當(dāng)移動物體和基站越來越遠(yuǎn)時，頻率降低，波長變長，頻偏增大，頻偏的變化減??；高速移動的用戶頻繁改變與基站之間的距離，頻移現(xiàn)象非常嚴(yán)重；運動速度越快影響越大。

多普勒效應(yīng)顯著，進(jìn)而影響無線通信質(zhì)量，主要是頻偏的變化程度呈非線性關(guān)系，也就是說頻偏的變化越大對無線質(zhì)量的影響越大，所以在無人機(jī)通過基站的過程中，經(jīng)過與基站垂直距離最近的點時多普勒效應(yīng)最顯著。

根據(jù)ITU 要求TDD 網(wǎng)絡(luò)移動速度達(dá)到120 km/h，要求FDD 網(wǎng)絡(luò)移動速度達(dá)到500 km/h。在規(guī)劃5G 站點的錨點時，F(xiàn)DD 是連續(xù)控制的系統(tǒng)，TDD 是時間分隔控制的系統(tǒng)，在目前芯片處理速度和算法的基礎(chǔ)上，與FDD 網(wǎng)絡(luò)相比，TDD 網(wǎng)絡(luò)還有一定差距。選擇FDD系統(tǒng)作為5G錨點，在業(yè)務(wù)感知體驗方面更有技術(shù)優(yōu)勢保證。

2.2 高空飛控信號更易受干擾衰減

對于高空飛行所涉及空域，需要確保網(wǎng)絡(luò)能夠在地面和空中飛行區(qū)域內(nèi)的連續(xù)覆蓋。同時，高空信號的干擾問題也不容忽視，一般基站天線都會設(shè)置有下傾角，包括機(jī)械或電子傾角，因此，天線的第一上旁瓣處于水平位置或高于水平位置。無人機(jī)飛行高度達(dá)到400 m 時，極易出現(xiàn)干擾衰減。在考慮連續(xù)覆蓋部署時，希望第一上旁瓣信號盡量弱一些。通過抑制上旁瓣來解決頻率干擾問題。通常情況下要求上旁瓣小于18 dB。

對于時延敏感的業(yè)務(wù)，減少頻率干擾的另一種常用方法，是規(guī)劃專用頻率系統(tǒng)，即專網(wǎng)模式，該頻率僅為連續(xù)覆蓋區(qū)域內(nèi)的基站使用，并需要保證在一定地域和空域范圍內(nèi)，沒有其他基站采用相同頻率工作。同時，利用菲涅爾區(qū)原理對5G工業(yè)無人機(jī)場景的天饋進(jìn)行了特殊改造，即將上支架螳螂臂反向安裝在下支架處，以達(dá)到專網(wǎng)對空覆蓋的效果。

2.3 4K超高清視頻的無卡頓感知要求

不同的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)速率有著不同層次的要求。例如，對于控制信令和狀態(tài)監(jiān)測信息的傳輸，上行及下行100 kbit/s 就可以滿足，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾市枨髣t隨著信息渲染方式的持續(xù)演進(jìn)而不斷提升。無人機(jī)巡檢要求實時回傳4K高清視頻，上行傳輸速率要至少達(dá)到40 Mbit/s。在原有4G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，很難滿足1K、2K 視頻回傳的業(yè)務(wù)感知需求，對于4K 視頻回傳無法保障零卡頓的業(yè)務(wù)體驗。5G 的兩大關(guān)鍵技術(shù)也賦予了無人機(jī)商用自動巡檢能力。

關(guān)鍵技術(shù)一：大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）。它最早由美國貝爾實驗室研究人員提出，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小區(qū)的基站天線數(shù)目趨于無窮大時，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負(fù)面影響全都可以忽略不計，數(shù)據(jù)傳輸速率能得到極大提高。

關(guān)鍵技術(shù)二：移動邊緣計算（MEC）。MEC 運行于網(wǎng)絡(luò)邊緣，邏輯上并不依賴于網(wǎng)絡(luò)的其他部分，這點對于安全性要求較高的應(yīng)用來說非常重要。另外，MEC服務(wù)器通常具有較高的計算能力，因此特別適合于分析處理4K 視頻類大數(shù)據(jù)。同時，由于MEC 在地理上距離用戶或信息源非常近，使得網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)用戶請求的時延大大減小，也降低了傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)部分發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性，改善用戶的業(yè)務(wù)感知體驗。

3 商用5G工業(yè)無人機(jī)專網(wǎng)規(guī)建維優(yōu)實踐

3.1 5G無人機(jī)專網(wǎng)覆蓋規(guī)劃

為了滿足5G 連續(xù)覆蓋，使業(yè)務(wù)感知最優(yōu)，上海聯(lián)通與華為X-lab 實驗室合作進(jìn)行了規(guī)劃仿真，整個飛行線路共規(guī)劃了5個站點。

站點信息如表1所示。小區(qū)信息如表2所示。

表1 無人機(jī)專網(wǎng)基站信息

表2 無人機(jī)專網(wǎng)小區(qū)基礎(chǔ)信息

通過仿真在無人機(jī)處于400 m 高度時，仿真了天線傾角為0/-2/-4/-6/-8°時的性能，結(jié)果顯示天線傾角為-6°時性能最好。

所選站點均為單桿塔，高度為35 m，通過天面整合，騰出最高平臺用于無人機(jī)專網(wǎng)覆蓋，5G AAU 安裝方向與默認(rèn)安裝標(biāo)注相反，即紅色箭頭向上，4G 錨點站天線采用基于菲涅爾區(qū)原理的天線安裝結(jié)構(gòu)。它包括天線、上支架和下支架，天線的背面上下端分別固定有上支架和下支架，通過增大天饋下支架的機(jī)械下傾角，實現(xiàn)對空覆蓋。

3.2 5G無人機(jī)專網(wǎng)錨點頻率選擇

無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)屬于時延敏感度較高的業(yè)務(wù)，為保證實時控制的精確性，確?？刂浦噶钅軌蚣皶r由地面?zhèn)鬏數(shù)綗o人機(jī)控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)的端到端時延需要小于20 ms。

端到端時延低于20 ms，意味著空口到核心網(wǎng)時延低于10 ms，通過對崇明陳海公路沿線進(jìn)行DT 測試模擬結(jié)果的分析，需要保證無人機(jī)5G 模組平均SINR 大于11，SINR 小于0 比例低于2%，才能滿足無卡頓的要求。據(jù)此，單純依靠天線調(diào)整上仰、上旁瓣抑制等方案無法達(dá)到要求，故需要對沿線5G專網(wǎng)錨點小區(qū)進(jìn)行專網(wǎng)頻點規(guī)劃。4 種錨點頻率選擇方案優(yōu)缺點對比如表3所示。

表3 錨點頻率選擇方案對比

最終經(jīng)過網(wǎng)發(fā)、網(wǎng)優(yōu)專家聯(lián)合討論，選定對公客用戶影響最小的方案3 作為最終方案，即壓縮WCDMA室分頻點10663 的5M 帶寬用于5G 專網(wǎng)的錨點頻點使用，重耕為FDD-LTE（5M）。

3.3 5G無人機(jī)專網(wǎng)測試及優(yōu)化

由于無人機(jī)載荷有限，在安裝了華為CPE 1.0 后，現(xiàn)場環(huán)境已經(jīng)不能連接筆記本電腦測試軟件。通過無人機(jī)業(yè)務(wù)平臺采集經(jīng)緯度、RSRP、SINR、RSRQ 等主要無線信號數(shù)據(jù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)測試軟件，完成了全航線的一對一無人機(jī)的5G覆蓋測試數(shù)據(jù)分析。

由于無人機(jī)是按照固定航線進(jìn)行飛行，并且站間的距離比較遠(yuǎn)，首飛出現(xiàn)2 處明顯的視頻卡頓問題（cluster1和cluster2）。

從測試情況來看，cluster1位于電信育德與移動雙津基站之間、cluster2 位于進(jìn)化村與堡北基站之間，站間距相對較大，RSRP 衰減至-105 dBm，SINR 在0 左右，未達(dá)到規(guī)劃預(yù)期的覆蓋效果。

在崇陳南基站進(jìn)行天饋傾角試驗，按-2/-4/-6°的傾角進(jìn)行了實測對比，當(dāng)天線傾角設(shè)置為-4°時，崇陳南至堡北段覆蓋最優(yōu)，針對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷5G 仿真工具未考慮地球曲率的影響，出現(xiàn)推薦傾角偏大的情況，如圖2 和圖3 所示，仿真結(jié)果如未考慮地球球面曲率，推薦傾角會大于同等高度位置條件下考慮地球球面曲率的仿真結(jié)果。

圖2 對空小區(qū)天線傾角糾偏前（-6°）

圖3 對空小區(qū)天線傾角糾偏后（-4°）

通過對空小區(qū)天線調(diào)整，完成了天線傾角的糾偏，同時也根據(jù)實地勘察情況，對天線進(jìn)行了方向角微調(diào)，結(jié)果如表4所示。

經(jīng)過天線優(yōu)化調(diào)整及小區(qū)合并后進(jìn)行覆蓋測試，航線覆蓋明顯提升，平均RSRP 由95.54 提升至90.50，SINR 由5.8 提升至11.8。進(jìn)一步分析航線的主控小區(qū)PCI 分布，與規(guī)劃信息完全一致，從后臺信令分析，切換成功率100%，未發(fā)現(xiàn)問題。

2019年5月崇明科技節(jié)期間，天然氣主干網(wǎng)5G 工業(yè)無人機(jī)巡線項目順利通過了客戶的驗收測試。

表4 優(yōu)化后的無人機(jī)專網(wǎng)小區(qū)參數(shù)信息

4 結(jié)論與展望

本次針對5G 工業(yè)無人機(jī)業(yè)務(wù)的研究和試驗結(jié)果表明，Massive 3D MIMO、高增益、自適應(yīng)、多波束等特點，結(jié)合上海聯(lián)通原有《基于菲涅爾區(qū)原理的天線安裝結(jié)構(gòu)》天線專利技術(shù)，能夠有效解決目標(biāo)快速跟蹤和高空干擾抑制等難題，借助5G邊緣計算協(xié)同可實現(xiàn)端到端時延低至13 ms，5G 無人機(jī)業(yè)務(wù)場景已具備商用條件。本次業(yè)務(wù)優(yōu)化的成功不僅提升了客戶的口碑，也有力促進(jìn)了5G無人機(jī)、高清直播等新型應(yīng)用的發(fā)展。憑借5G 無限的發(fā)展?jié)摿?，移動網(wǎng)絡(luò)將為無人機(jī)帶來全新級別的高可靠性、強(qiáng)大的安全性、無處不在的覆蓋和無縫的移動性。隨著5G SA 技術(shù)的進(jìn)一步成熟，NR 時延進(jìn)一步逼近1 ms，整體端到端時延有望達(dá)到10 ms，網(wǎng)絡(luò)切片能力保證端到端網(wǎng)絡(luò)時延穩(wěn)定性?；诙嗵炀€等5G 先進(jìn)新技術(shù)，5G 體驗速率可達(dá)1 Gbit/s。5G網(wǎng)絡(luò)可以為無人機(jī)賦予實時超高清圖傳、遠(yuǎn)程低時延控制、永遠(yuǎn)在線等重要能力，滿足航拍、送貨、勘探等各種各樣的個人及行業(yè)服務(wù)需求，進(jìn)而構(gòu)成一個全新的、豐富多彩的“網(wǎng)聯(lián)天空”。