無人機(jī)應(yīng)急通信的必要性
我國是世界上受自然災(zāi)難阻礙最為嚴(yán)峻的國家之一，災(zāi)難種類多、災(zāi)難發(fā)生頻率高、災(zāi)難損失嚴(yán)峻。地震、洪水、泥石流、臺風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)難及惡劣天氣一旦發(fā)生，估量造成災(zāi)區(qū)大面積通信中斷，這不僅會阻礙災(zāi)區(qū)民眾的通信，更會阻礙到災(zāi)難救援行動的開展。
2008年四川汶川大地震，將整個(gè)汶川縣毀于一旦，災(zāi)區(qū)的通信設(shè)備也遭到嚴(yán)峻的破壞。中國挪移數(shù)千個(gè)基站受損退服，中國聯(lián)通在汶川的網(wǎng)絡(luò)大部分中斷，
防爆無線對講系統(tǒng)，剎那間汶川與外界失去聯(lián)系，
管廊無線對講系統(tǒng)，成為了一座“孤島”。同時(shí)，因通信聯(lián)絡(luò)急劇增多，四川當(dāng)?shù)禺?dāng)日手機(jī)長途話務(wù)量升到日常的10倍，打往四川、陜西等地的手機(jī)接通率下落到日常平均值的50%左右。固然，建立健全應(yīng)急通信保障體系，在災(zāi)害發(fā)生時(shí)保障災(zāi)區(qū)能夠與外界保持通暢的信息聯(lián)絡(luò)非常重要。
應(yīng)急通信是指日常通信系統(tǒng)由于某種原因不能滿腳通信需求，利用各種通信資源，迅速構(gòu)建起穩(wěn)健靈便的通信平臺來保障必要的通信手段和辦法。是一種具有暫時(shí)性的特殊通信機(jī)制，尤其在重大自然災(zāi)難時(shí)，擔(dān)負(fù)著保障救援和減災(zāi)通信的任務(wù)，是現(xiàn)代通信重要組成部分。
傳統(tǒng)的應(yīng)急通信車向來是保障暫時(shí)通信的主力。然而由于技術(shù)條件、自身硬件等因素阻礙，
管廊無線對講，應(yīng)急通信車服務(wù)范圍較小，信號穩(wěn)定性較弱，而且有估量因?yàn)榈缆匪?、擁堵，而無法抵達(dá)受災(zāi)核心區(qū)域，從而難以及時(shí)提供應(yīng)急通信服務(wù)。固然采納傳統(tǒng)方式建立應(yīng)急通信站、恢復(fù)災(zāi)區(qū)基站，不但效率不高、成本較大，而且也十分艱難。
隨著無人機(jī)技術(shù)的進(jìn)展以及通信技術(shù)的日益成熟，為災(zāi)區(qū)提供應(yīng)急通信有了新的便捷手段。無人機(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)展迅速，各行業(yè)無人機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用廣泛。憑借機(jī)動性、簡便性、易操作性等優(yōu)勢，無人機(jī)可以很好地承擔(dān)應(yīng)急通信任務(wù)，在輔助災(zāi)難救援方面大實(shí)用武之地。
普通來說，高度是阻礙無線通信覆蓋范圍的主要因素。因而，與應(yīng)急通信車相比，利用無人機(jī)來提供通信服務(wù)，信號會更為穩(wěn)定，覆蓋范圍也更廣大，并且不受地形條件、道路狀況等因素限制，能夠快速在災(zāi)區(qū)構(gòu)建暫時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，滿腳救災(zāi)、聯(lián)絡(luò)等需求。
無人機(jī)應(yīng)急通信平臺的挑選
近年來，無人機(jī)技術(shù)迅速進(jìn)展，主要有旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)、消費(fèi)級無人機(jī)、系留式無人機(jī)。消費(fèi)級無人機(jī)滯空時(shí)間較短并且承重能力有限，不太適合作為無人機(jī)基站的平臺；旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)的滯空時(shí)間較短，可承載一定分量的設(shè)備且可以靈便飛翔，適合短時(shí)間內(nèi)特定區(qū)域的應(yīng)急通信覆蓋；系留式無人機(jī)克服了旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)滯空時(shí)間短的短板，通過系留線纜可為無人機(jī)及基站設(shè)備長時(shí)間供電，增加了滯空時(shí)長，但也失去了飛翔靈便性。幾種無人機(jī)平臺的對照如表 1所示。
在我國，無人機(jī)應(yīng)急通信的研究與應(yīng)用較早。受飛翔性能、續(xù)航能力、搭載能力等因素阻礙，普通主要選用無人直升機(jī)作為應(yīng)急通信平臺。近些年來，由于多旋翼無人機(jī)的進(jìn)展，開始應(yīng)用于應(yīng)急通信平臺。但多旋翼無人機(jī)大多體型較小，電池持續(xù)能力有限，無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間滯空，因而業(yè)內(nèi)企業(yè)挑選開辟了系留式無人機(jī)這一全新機(jī)型。
相對于其他無人機(jī)，系留無人機(jī)平臺具有三大優(yōu)勢：
一是續(xù)航能力強(qiáng)：系留式無人機(jī)與普通無人機(jī)最大的不同，就在于這“系留”二字上。通過系留線纜連接無人機(jī)的方式，執(zhí)行應(yīng)急通信任務(wù)的系留無人機(jī)不僅能夠獲得充腳動力以保持長時(shí)間滯空，還能夠解決無人機(jī)和地面設(shè)備的通信，
海能達(dá)無線對講系統(tǒng)，更好地保障通信需求。
二是機(jī)動能力強(qiáng)：系留式無人機(jī)可由小型越野車搭載，能夠快速抵達(dá)災(zāi)區(qū)或任務(wù)區(qū)，即便遇上道路阻隔，也能利用無人機(jī)的高度、靈便優(yōu)勢，發(fā)揮重要作用。
三是使用簡便：系留式無人機(jī)通信基站可以根據(jù)不同場景、不同需求，靈便配置相關(guān)設(shè)備和模板，固然操控較為簡單，對于駕駛員的要求較低，差不多上短期培訓(xùn)即可上崗。
得益于上述諸多優(yōu)勢，系留式無人機(jī)的進(jìn)展前景頗為市場看好，各大通信運(yùn)營商積極展開布局。2016年中國挪移在湖南、北京多地舉行了系留式無人機(jī)應(yīng)急高空基站測試；2017年九寨溝地震與湖南洪災(zāi)時(shí)，中國挪移緊急出動了系留式無人機(jī)通信基站來滿腳災(zāi)區(qū)的應(yīng)急通信需求。另外，在2018年世界挪移大會（MWC）上，中國挪移還在展臺上展示了系留式無人機(jī)應(yīng)急高空基站，并受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注?？梢?，系留無人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用差別多較為成熟，具備了初步規(guī)模化商用的差不多條件。
未來，隨著無人機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)展，系留式無人機(jī)有望繼續(xù)提升性能表現(xiàn)，為更好地應(yīng)對自然災(zāi)難及地理限制提供關(guān)心。在應(yīng)急通信、中繼通信等市場需求增長阻礙下，系留式無人機(jī)或?qū)⒊蔀闊o人機(jī)細(xì)分領(lǐng)域中的新翹楚。
無人機(jī)應(yīng)急通信傳輸?shù)奶暨x
傳統(tǒng)的通信傳輸主要依賴光纖等有線設(shè)備，部分采納微波傳輸。無人機(jī)基站可以微波、衛(wèi)星和無線中繼等幾種方式為基站提供回傳。幾種傳輸方式中，衛(wèi)星傳輸能夠滿腳應(yīng)急救災(zāi)的各種場景，不受回傳距離限制。然而傳輸帶寬會有所限制并且租金相對較高，安裝較艱難；微波傳輸對安裝要求也比較高；使用LTE Relay方案為無人機(jī)提供回傳，只需要無人機(jī)上的CPE（Customer Premises Equipment，我們稱為Airbridge）能夠接入到LTE小區(qū)，就可以為無人機(jī)應(yīng)急通信基站提供無線回傳，然而采納LTE Relay也有局限性，要求在災(zāi)區(qū)附近存在可用的LTE基站。
無人機(jī)應(yīng)急通信可采納分體式基站或一體化基站。采納分體式基站時(shí)，BBU可放置在地面，無人機(jī)平臺放置RRU，地面系留箱可為無人機(jī)及其上的RRU供電，同時(shí)還能夠提供光纖連接BBU和RRU，具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D 1所示。
使用分體式基站，僅將RRU設(shè)備放置在無人機(jī)，BBU放置地面，減輕了BBU的分量，故RRU的功率可以更大些，如此覆蓋范圍也會更廣。分體式基站的傳輸使用微波、衛(wèi)星或者本地傳輸線纜等比較方便，不太適合采納LTE Relay提供回傳。
一體式無人機(jī)應(yīng)急通信系統(tǒng)可以采納LTE Relay方式為無人機(jī)基站提供回傳。該方案無人機(jī)搭載Relay UE和Relay基站兩部分，兩部分可以是一個(gè)整體或是分體結(jié)構(gòu)通過網(wǎng)線相連接。Relay UE接入現(xiàn)存的LTE小區(qū)，為Relay基站提供回傳服務(wù)。Relay基站可以通過多級級聯(lián)方式來擴(kuò)展覆蓋區(qū)域。級聯(lián)時(shí)假如僅僅是短時(shí)間提供無線覆蓋，無人機(jī)也可以采納非系留式多旋翼無人機(jī)，
無線對講系統(tǒng)解決方案，如此基站就可以在空中挪移，覆蓋區(qū)域更具有目的性，具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D 2所示。
ZTE Smart Relay方案介紹
采納微波作為傳輸需要有微波的接收和發(fā)射設(shè)備，衛(wèi)星傳輸則需在災(zāi)區(qū)地面安裝小口徑衛(wèi)星終端VAST，這兩種方式都比較常見。這個(gè)地方介紹下LTE Relay的工作原理，如圖 3所示。
Smart Relay在核心和傳輸間添加了一臺Relay GW設(shè)備，
防爆無線對講系統(tǒng)，能夠支持建立VPN隧道（VPN隧道可以是L2TP隧道也可以是IPSec隧道）。通過一個(gè)支持VPN隧道的Airbridge接入宿主站，為Relay基站提供回傳。
核心網(wǎng)需要為Airbridge配置一個(gè)APN，CPE配置該APN，接入宿主站點(diǎn)后可以和Relay GW通信，從而建立VPN隧道，VPN隧道建立完成后，Relay基站即可與核心網(wǎng)和O&M舉行通信。
Relay基站將數(shù)據(jù)發(fā)給核心網(wǎng)或O&M設(shè)備的過程：從Relay 基站發(fā)送給MME/XGW/OAM的數(shù)據(jù)，先發(fā)送給Airbridge，Airbridge將數(shù)據(jù)封裝到VPN隧道后發(fā)送給Relay GW，Relay GW解封裝數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給MME/XGW/OAM。
核心網(wǎng)或O&M將數(shù)據(jù)發(fā)給Relay基站的過程：從MME/XGW/OAM發(fā)送給Relay基站的數(shù)據(jù)，先發(fā)送給Relay GW，
工廠無線對講，Relay GW將數(shù)據(jù)封裝到VPN隧道后發(fā)送給Airbridge，Airbridge解封裝數(shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)發(fā)給Relay基站。
采納該Smart Relay方案具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：
● 無需升級宿主站：宿主站和Airbridge依舊采納Uu口傳輸方式，宿主站沒有特殊的要求，
數(shù)字無線對講系統(tǒng)，固然無需升級改造宿主站點(diǎn)，這對于應(yīng)急通信快速部署提供了便利。
● 無需升級核心網(wǎng)：核心網(wǎng)依舊采納現(xiàn)有核心網(wǎng)，并不需要特意升級。需要Relay GW和核心網(wǎng)間可正常通信，對于核心網(wǎng)發(fā)給Relay基站的數(shù)據(jù)，都需要先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給Relay GW，Relay基站發(fā)給核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)都要由Relay GW轉(zhuǎn)發(fā)出去。
● Relay基站可在宿主站間挪移：由于Airbridge的錨點(diǎn)在Relay GW，故Airbridge可以在多個(gè)宿主站間舉行切換，對于非系留式多旋翼無人機(jī)站點(diǎn)，可以靈便挪移為目標(biāo)區(qū)域提供覆蓋，也可以為由于災(zāi)難導(dǎo)致車輛無法抵達(dá)區(qū)域提供覆蓋，不過采納非系留式無人機(jī)滯空時(shí)長有所限制。
● 快速部署：Relay GW可在災(zāi)難發(fā)生前部署，
功分器，整個(gè)系統(tǒng)也可以在災(zāi)前配置調(diào)試。拿到災(zāi)區(qū)只要開機(jī)后Airbridge可接入宿主站點(diǎn)，整套系統(tǒng)即可正常工作，耗時(shí)短、部署快。
無人機(jī)應(yīng)急通信試驗(yàn)
基于Smart Relay的無人機(jī)基站經(jīng)測試，現(xiàn)場十分鐘即可完成安裝調(diào)試的預(yù)備工作。
試驗(yàn)時(shí)采納大疆無人機(jī)，可載重6kg。采納中興通訊BS8102微站和CPE，同時(shí)搭載了一塊蓄電池用于給基站和無人機(jī)供電。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了基于Smart Relay的無人機(jī)基站方案的有效性，下行峰值速率達(dá)到了44Mbps，
摩托羅拉無線對講系統(tǒng)，上行峰值速率達(dá)到了20Mbps(見圖4)。
基于Smart Relay的無人機(jī)基站方案，隨時(shí)隨地都可快速部署，對現(xiàn)網(wǎng)改動小。滿腳應(yīng)急救災(zāi)的快速開通和任意地點(diǎn)部署的要求，同時(shí)系留無人機(jī)可為無人機(jī)和基站設(shè)備提供電源和傳輸，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)可長時(shí)間滯空，是解決應(yīng)急救災(zāi)較理想的一種方案。
