基于无人机的小型海上宽带5G 通信技术应用研究

文／中交通信大数据（上海）科技有限公司 周元峰 杨煌财 从伟 宋亮

关键字:5G；相控阵技术；小型海上宽带；无人机

1 研究背景

随着近年人工智能和无人系统技术的快速发展，智能化、科技化、无人化将是水域监控和应急作业在新时代的必由之路，智能机械代替人工成为海上作业控制人力成本、提高工作效率、增强应急处理能力的有效方式。由于缺乏有效的地面基站支持，海上通信一直是小型无人机海上作业的短板。要实现交通强国和海事“五个一流”的目标，需要加快“陆海空天”装备设施建设，加强信息融合和科技应用，有效构建“陆海空天”立体通信网络。本文提出和验证的基于小型海上宽带5G 通信技术的无人机通信中继和数据传输技术，将为海上多源信息的采集、积累、共享和大数据分析等未来自动化作业提供重要保障。

1.1 国内外发展现状

由于海上通信环境、应用场景、用户需求的特殊性，海上通信与陆地通信情况存在较大差异当前，海上通信最大的问题是岸基通信虽然速率高但覆盖距离近，卫星通信虽然覆盖广但速率低、延时大、费用高。以往中远海通信主要依靠海事卫星作为主要的应急手段，带宽低、费用高等因素制约了海上实时监测、图像视频传输需求的实现。传统岸基通信手段只有甚高频VHF、中频MF 电台提供的话音通信和NBDP、NAVTEXT 等窄带数据通信，已远远无法满足用户需求，通信手段的不足严重限制了航运及海上活动尤其是海上搜救效果，为此世界各国都在研究寻找一种低成本、高效率、可靠实用的海上宽带数字通信解决方案，重点解决距离沿岸中远距离内的数据通信问题。

目前较为成熟先进的解决方案是将最早应用在雷达领域的相控阵天线技术应用在通信系统中，研制使用电子相控波束成型技术的小型化智能天线，并使用目前尚未广泛使用的5GHz频段资源用于数据传输。目前，美国、日本、挪威等国都已经开始在本国船舶或海工平台上部署类似通信系统。目前我国相关技术尚不成熟，一些专业的通信技术科研院所在进行相关研究，但尚未成熟的应用到海上通信。

2 相关技术简介

2.1 相控阵天线通信技术

相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列（ESA）天线。相控阵天线的基本原理是微处理器接收到包含通信方向的控制信息后，根据控制软件提供的算法计算出各个移相器的相移量，然后通过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程。由于移相能够补偿同一信号到达各个不同阵元而产生的时间差，所以此时天线阵的输出同相叠加达到最大。一旦信号方向发生变化，只要通过调整移相器的相移量就可使天线阵波束的最大指向做相应的变化，从而实现波束扫描和跟踪。

2.2 5G 天线射频关键技术

2.2.1 大规模MIMO 技术

大规模MIMO 技术是指在5G 通信系统中采用一定规模的天线阵列。通过多天线系统，可以实现多信号传播路径（如图2-1所示），从而确保空间复用，有效提升系统射频效率和可靠性。利用大规模的天线阵列实现多用户波束智能赋型，并提升波束本身的定向性，将明显提升空间分辨率。可以充分挖掘空间的维度资源，显著提升频谱效率。波束非常集中，可以降低对其他用户的干扰，同时降低发射功率，有效提升功率效率。

2.2.2 同频全双工技术

同频全双工技术被看做是5G 通信射频技术中最具潜力、可以被充分挖掘频谱资源的重要技术，将形成无线频谱资源合理使用的全新局面。对比传统FDD、TDD 双工形式（如图2-2所示），无线同频全双工技术（如图2-3 所示）的优势在于可以保证同频段的同时收发，提升了无线频谱资源的使用频率，同时有利于实现对无线网络物理层的优化设计,研发重点集中于充分挖掘和分析频谱资源。这两种通信技术已经难以满足实际需要。因此，提升同频全双工通信技术的研究质量，成为当前5G 通信技术的研究重点。

图2 （a）频分双工系统频段分配示意图（b）时分双工系统时隙分配示意图

图3 同频全双工系统时隙、频段分配示意图

2.2.3 毫米波技术

5G 通信系统的高网络容量和高传输速率，需要有相应的频谱资源加以保障。3GHz 下的低频段频谱较为拥堵，高频段频谱资源相对丰富，能够实现高速无线通信，同时能满足5G 通信系统对传输速率和容量的基本要求。伴随微波毫米波集成电路的持续发展，射频通信技术不断成熟，毫米波通信必然会成为移动通信的主要技术形式。毫米波频段是5G 通信系统的技术发展方向之一，很多国家和相关研究部门对毫米波频段通信技术进行了验证与研究工作。同时，毫米波通信技术能够整合MIMO 技术实现多波束赋型，可以提供良好的空间分辨率，有效提升了频谱使用效率。毫米波频段信号在空气中传播会出现较大幅度的衰减，绕射能力也较弱。换言之，如果5G 通信利用毫米频波段技术会被阻碍物所抵挡，穿墙功能相对较差。但是，能够使用毫米频波段的这一特征拉近不同终端之间的距离。空气中氧气的共振频率通常为60GHz，以此为依据，5G 通信系统选择60GHz 毫米波频段，能够有效避免终端信号干扰的问题。显然，该特征不能在手机终端与基站距离较远的情况下使用。

2.3 阵列天线波束成形技术

波束成形技术是预编码技术中一种典型代表，该技术可以实现多天线系统中的阵列增益。它的实现原理是利用信号中空间方向信息，从而让位于特定方向的信号经历相长干涉，而其它方向的信号经历相消干涉。因此，可以通过调整天线阵列中每个天线上发送信号的幅值和相位，使得每个波束的主瓣恰好能够对准其对应的用户，同时将天线方向图的旁瓣置于其他用户的方位处。与全向天线的接收/传输相比较，波束成形技术可以用来实现空间选择性，进而大幅提升用户接收信号的信干燥比，以达到提高网络容量或增大覆盖范围的目的。

3 需求分析

传统巡逻艇巡航速度慢、视野窄，燃油使用、巡逻艇的设备维护及保养成本都比较高。相比无人机具有飞得高、看得远、范围广、视角全面等空中俯视优势，在和船舶巡航距离相同的情况下，无人机的巡视范围辐射面积约为船舶的12 倍，可在有限时间内极大地提高海事巡航和预检的效率。海上无人机采集面广，数据量大，对通信带宽、距离、稳定性有更高的要求，通信技术是无人机在海上全面展开、应用的基础，具备实时通信的能力，无人机从空中采集的数据才具有时效性。然而，现阶段海上通信基本通过卫星、微波等设备，速率低、延时大、费用高，是当前海上通信不可避免的弊端。小型无人机因荷载能力有限无法挂载卫星通信设备，因此研究小型海上宽带5G 通信技术与小型无人机的搭载和应用，对拓展海上无人机应用变得至关重要。

4 基于无人机的海上5G 通信远距离测试

4.1 网络连通性及可用性测试

高度保持通信能力测试：本文在海岸线高度为60 米的楼顶进行简单部署海上宽带岸基设备，利用小型无人机部署轻量化海上宽带机载设备，以测试无人机载海上宽带5G 通信的可行性。测试示意图所示。

图4 小型海上宽带示意图

岸基设备设置站点信息，配置频点为5862，创建CTTIC局域网并将三方管理设备统一加入局域网其中包括但不限于室外无线网桥（AP）、交换机、路由器。主站建立局域网，机载设备作为副站加入局域网且将机载设备相关的三方也加入。通信过程中，岸基基站、机载基站无主备之分。

图5 小型海上宽带位置示意图

建立通信链路后，无人机根据规划航路向海上纵深飞行70KM， 分 别 在10KM、20KM、30KM、40KM、50KM、60KM、70KM 处测试连通性及稳定性。实时观测Ping 包情况。从验证情况分析，在70KM处海上宽带设备连通且稳定，延时低、无丢包，数据包往返行程平均时间为28 毫秒。

图6 Ping 包情况图

到达70KM 处，无人机保持高度100 米开始返程，并使用测试软件实时测试带宽，数值如下。

表4-1 海上通信技术验证距离、带宽间关系

根据实测数据表现，70KM 处实时测总带宽为0.1Mbps，基本不具备视频传输能力；50KM 处总带宽数值突跃至3Mbps，可传输一路1080 高清视频数据；45.7KM 处带宽上升至7Mbps，满足海上空中高带宽数据传输需求；27.2KM 至海岸沿线总带宽保持在15Mbps。如图理论值与实际值对比分析，本文测试的基于小型无人机的小型海上5G 宽带设备带宽实际测试数值基本与理论计算数值保持一致。

图7 海上通信距离、带宽关系图

变高通信能力测试：保持岸基高度不变，测试无人机飞行高度对海上通信带宽的影响。无人机飞行至27.2KM 处，无人机高度从100 米降至10 米，实时测试总带宽依旧为15Mbps。飞行至45.7KM 处，无人机高度从100 米降至10 米，实时测得总带宽从7Mpbs 降低至4Mbps。无人机从46KM 处，原路返航。由此，初步可判断，通信带宽与设备部署高度、距离有紧密的关系，机载设备高度越高带宽越高，距离越近带宽越高。间接可分析得，在设备带宽稳定在某个数值，机载设备高度越高，通信距离越远。岸基设备为60 米，机载设备100 米，15Mpbs 带宽的极限通信为27.2KM。

4.2 系统可用性测试

海上网络连通性测试成功后,进行视频传输可用性验证。通过对小型垂起复合翼无人机集成安装高清摄像头,并与小型海上5G 宽带通信设备接口，基于无人机和小型海上宽带5G 设备进行实时视频传输测试。白光摄像机清晰度为1080P，一路视频传回带宽需4M，无人机自主飞行航路规划及监控如下图显示，并通过地面站观看航拍效果。如图所示,在离岸纵深30 公里左右,能够清晰地拍摄和高速回传海上采集的实时视频画面。

图8 地面站监控无人机飞行情况图

图9 离岸30 公里航拍视频截图

5 基于海上5G 远程通信的无人机应用

研究团队利用多旋翼无人机搭载小型海上5G 通信设备和烟气嗅探设备，对长江口航道上的船舶进行烟气采集和实时分析，并将现场图像和分析结果通过海上宽带实时回传。海事管理执法部门可根据实时分析的结果，一键生成报告,指派海巡艇进行及时的登船执法和现场视频回传。通过无人机的快速出动，现场信息收集，取证信息实时回传等，能够显著提升海空联合巡航执法效率，帮助海事管理部门优化通航环境，加强违规违法行为的发现和处置力度。

此外，研究团队利用垂直起降固定翼无人机搭载30 倍高清双光摄像机，协助海事管理部门对海上大面积辖区进行巡检和业务监管。前端无人机视频通过海上宽带实时回传至指挥中心，将传统海巡艇巡航模式转换为空中巡航模式，大视角立体观察辖区内各类情况，包括但不限于违规停泊、违规排污、非法走私、船舶逆行、溢油监测等。基于无人机和远程5G 通信技术的视频证据的及时采集、传送和保存，在降低传统海事监管成本的同时，可大幅提升行政执法取证时效性和处罚效率，夯实证据链，保证海事执法公开公正透明。

6 结论

针对水域辖区范围大，水域的巡逻艇有限，不能完全满足业务巡检，巡逻艇的使用成本较高，船用燃油及巡逻艇的设备维护、保养比较高等痛点，本文对无人机和小型海上宽带5G 通信技术的集成应用进行了验证。无人机作为飞行平台可搭载各类设备其中包括但不限于白光摄像机、双光摄像机、烟气监测仪、喊话器等，执行各类飞行任务，通过小型海上5G 通信技术的加持，既可实时采集、回传现场数据，又可通过指挥中心下达命令执行精准化任务，可以大幅节约传统海巡艇的日常使用及成本支持，并从空中视角提升海事管理部门的科学管理水平。

高带宽的5G 通信技术在无人机上的应用是海上无人机能够推广应用的重要条件，只有通信链路真正意义上的打通，无人机作才能在海上作业中发挥更大的作用。通过本研究测试发现，小型海上宽带通信距离与岸端、机载端设备架设高度、带宽有着紧密的关系，当岸基设备高度确定，机载设备高度越高，通信距离越远，带宽越高。在实际应用中，也可牺牲一部分带宽，获得更大的通信距离，两者相辅相成，可根据海上应用的距离、视频带宽、接入数量等需求等综合确定。