今年7月,湖南地区遭受严重的暴雨侵袭,多地出现通信基站中断、受损的情况。为保障紧急通讯要求,湖南移动紧急调度了一套无人机高空基站系统,这是无人机高空基站第一次在国内投入实战,之前的常用方案是应急通讯车,仅为2G,最大服务范围5公里,且信号不稳定。

8月,无人机高空基站再一次被用于四川移动,在光缆损毁、基站中断的九寨沟景区荷叶寨紧急升空投入使用,迅速打通了方圆30多平方公里受灾区域的移动通信信号,支持指挥调度。

本文是我们推荐来自中国电子科技集团的论文——系留多旋翼无人机通信系统在应急救灾通信中的应用,结合市场观察,盘点基于无人机的通讯基站发展现状。

如火如荼的高空基站建设

天线高度是影响无线通信覆盖范围的主要因素之将天线 升高可以减小地形对电波传播的影响,甚至可以将超视距通信改变为视距通信 ,显著改善通信链路质量 。利用无人机搭载通信载荷升空来改善受地形、地物和地球曲率影响导致的通信问题在国内外已逐渐成为研究和应用的热点 。

无人机中继通信很早就起步了,受限于无人机的飞行搭载能力 、滞空时间等因素 ,无人机中继通信主要选用大中型固定翼无人机 和无人直升机作为通信平台。

012ednc20170814 Loon项目实现高空通讯的原理示意

知名的空中网络基站项目主要包括谷歌的Loon(潜鸟计划,将中继器通过热气球上升至平流层,续航100天~180天)和脸书的Aquila(天鹰计划,利用无人机进行激光通信,续航90天);以及近地卫星通信解决方案,来自SpaceX、OneWeb等。此类空中基站的目的多是为了实现广域的信号覆盖,解决偏远地区缺乏基建的问题,以此扩张网络服务受众。

谷歌Loon:天马行空的氦气球群

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Loon可以说是一个非常简单粗暴的项目,起初,项目开发人员将路由器(信号中继设备)挂在气象气球上,让它飞到10公里高,然后再看看有没有信号。

经过不断的演进,氦气球有了可充封结构,和模块化的铝制负载,以及太阳能电池、燃料电池和一些电子元件,使其能够在温差变化、高强紫外辐射的条件下保持长时间飞行,并利用算法指挥动力、热力系统,改变气球位置进而调节气球群的布居。据悉,Loon项目已经在新西兰、斯里兰卡、澳大利亚、印尼等地进行飞行试验。

脸书Aquila:波音737那么大的展翼

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2014年,脸书收购英国航空公司Ascenta,为无人机制造以及激光通信做足准备工作。随后,扎克伯格宣布天鹰计划,即以无人机为载体,利用激光通信,实现全球三分之二的无线覆盖率。

据悉,Aquila计划由氦气球提升至气候环境稳定的平流层,白天飞行于9万英尺,规避商业飞机航线,吸收和贮存太阳能,晚上则飞行于6万英尺,目标续航时间为一次90天。Aquila将沿着半径约为3公里的圆形空中区域飞行,Facebook加州实验室工程师希望它的激光信号能覆盖半径约50公里的地面区域。

根据最近媒体披露的Aquila第二次试飞:高度从第一次的655米上升到了约914米,时间上延长了10分钟,达1小时46分钟。

低轨道卫星群方面,去年11月,SpaceX向FCC请求,利用可重复使用的猎鹰9号火箭发射4425颗卫星为全球提供高速互联网,但由于计划的卫星数过多FCC便是方案仍需审查。相反,初创公司OneWeb获得了高通、维珍、软银的支持,计划到2019年发射720颗低轨道卫星,并被FCC允许进入美国市场。

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以上通信平台在实际推广中往往有些困难,主要因为:

 1、载荷能力较强 ,飞行高度高 、距离远 ,滞空工作时间相对较长

2、体积大、地面保障系统复杂 、维护保养复杂 、维护成本高 、训练保障要求高 ;

3、发射回收条件要求高 ,需要专门的起降场地;

4、灵活性不足从而导致整体滞空时间短;

5、需协调飞行空域 。

系留式无人机:全天候超灵活

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从需求来看,国内基站建设相对比较完善,但由于幅员辽阔,地理、气候条件复杂,是全球遭受自然灾害最严重的国家之一。自然灾害导致的光纤、基站受损可使通讯中断,影响救灾组织、指挥调度、人员搜救、次生灾害预防等进程。

应急卫星通信系统(国际海事卫星)因抢险现场的抢险单位和人员通信过多而负荷过重不能保证实时通信;北斗卫星系统现阶段还只能提供通信简i吾服务。 许多抢险队伍因无抢险应急通信系统支持 , 使得抢险现场的信息不能实时送至抢险现场指挥部和后方应急中心。 抢险队伍在进入灾区核心区域和进入后的工作过程中, 与抢险现场指挥部和后方应急中心基本处于通信失联状态。

常见的应急通信系统是应急通信车,但当遭遇道路损毁、塌方使其局限了其使用。再加上近两三年 ,随着直流无刷电机 、高能锂聚合物 、多旋翼协同控制等关键技术的突破 ,微小型多旋翼无人机日渐成熟。于是,便携式通讯基站,也即是基于系留式无人机实现的空中应急基站成为一种重要的解决方案。

一般的多旋翼无人机仅能飞行30分钟至1个小时 ,系留多旋翼无人机可以实现连续不间断飞行 。与此同时,由于天线高度可随无人机飞行高度升高,覆盖角度可随无人机旋转方向调整,能更加有效地实现大面积信号覆盖。

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2009年,德国研究人员们初步测试了可提供Wi-Fi网络信号的无人机。美国运营商AT&T(Flying COW)、Verizon和高通均已测试过基于无人机的机载LTE网络基站,此外还有日本电信运营商KDDI的雄蜂基站、英国EE的LIVE。

最近,北德克萨斯大学的无人机基站也进行了野外实地测试,据称将系统传输功率上调到10W时,覆盖范围可以拓展到整个丹顿市。

系留式无人机应急通信高空基站具备三大特点:

1、续航时间长:采用光电复合缆,为无人机和RRU供电,续航时间可达8小时,较传统无人机基站续航时间提升31倍。

2、灵活性强:由小型越野车搭载无人机通信系统,可快速到达通信中断现场,满足保障需求。

3、可扩展性强:根据应急通信的不同场景,可灵活配置全向或定向天线,选择分组化微波或无线环网传输设备,安装模块化、飞控半自动化,普通人员短期培训即可上岗。

除了应自然灾害下的应急通讯通道需求,系留式无人机还被应用于监视和侦察,如CTTSO出资支持的美国航空环境公司(AeroVironment)的无人机系统Tether Eye,以色列用于边界监视、新闻采访的小型无人机产品HoverLite,CyPhy公司与美军合作的全景摄像袖珍系留无人机Pocket Flyer……

国内方案:华为+移动+创企

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国内系留式无人机的发展主力目前是中国移动,相关应用已经出现在洪涝、台风、塌方、地震等灾害中,并在边界巡视、基地安全、景区监测、地质勘测、野外作业、森林防火、应急通信、公安反恐、交通监管、新闻采访、工程监控、环境监测、影视拍摄、科学研究、国防军工等领域有一些前景。

中国移动的系留式无人机背后还有华为(提供4G基站)和一家创企(卓翼智能科技有限公司)的影子。与两位大佬合作的这家创企,团队来自北航、清华、浙大等高校,有多名北航的教授、副教授担任公司技术顾问,据称已经获投数千万元。

有报道显示,借助该高空基站迅速建立的应急通信系统,无人机可为方圆5平方公里区域持续提供8小时的稳定信号(一说驻空高度800米时,覆盖可达20公里),站点部署可在2小时内完成(但本次地震中基站团队10日下午到达九寨沟,11日上午完成站点开通。实际运用中还有很多具体问题需要解决),平均下载速率为36.4Mbps,上传速率为5.47Mbps,平均语音MOS值为3.4,可同时为近千个手机用户提供即时通信服务,保障救援工作顺利进行。

诺基亚F-Cell:无线也能行

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除了系留式无人机,诺基亚贝尔实验室还提出了F-Cell,集成太阳能电池模块的无人机基站,以无线的方式实现自我供电、自我配置以及自动连接到网络,并在联网后立即开始传输高清视频。由于其灵活性(无线)、大容量、低延时和可扩展性,F-Cell将可以持续解决运营商及企业在小型基站与回传布线、部署及成本等方面面临的难题,还被寄望于更为日常的未来广域网(5G、4G及LTE 4.5)建设。

据悉,F-Cell架构包含位于中心位置的闭环64天线大规模MIMO系统,该系统可以将8个波束分发到8个自供能的(太阳能供电)F-Cell。架构支持频分双工(FDD)或时分双工(TDD)模式的非视距无线网络,以及多达8个独立的20MHz信道的并行运行模式,能够在现有LTE网络上实现1Gbps的系统吞吐率。未来,该架构将通过扩展,利用更高的频谱带宽、新的频段及更大规模的天线阵列,实现数十Gbps的系统吞吐率。

无人机基站有望成为一种灵活的、续航可靠的通信基站,特别是作为台风、塌方、地震自然灾害、极端条件下的应急方案,系留式无人机基站技术已经成熟,并已有成功的案例;而贝尔实验室提供的无线小型基站方案则具备更为强大的实用性,不管是在应急方案中解决地面环境不适宜车载系统进入的问题,还是在未来的通讯部署方面。

(来源:中国电子科技集团)

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