文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200111
中文引用格式： 劉蕾，朱崢灝，云翔，等. 基于5G的系留式無(wú)人機(jī)應(yīng)急方案研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(3)：28-32，37.
英文引用格式： Liu Lei，Zhu Zhenghao，Yun Xiang，et al. Research on the emergency communication of tethered UAV based on 5G[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(3)：28-32，37.
0 引言
近年來(lái)，我國(guó)泥石流、雪災(zāi)、地震、洪水等自然災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。為了在災(zāi)害發(fā)生后能夠迅速建立起有效且能保障群眾基本生活的應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制，盡快恢復(fù)民眾的基礎(chǔ)通信需求，保證并推進(jìn)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，國(guó)家成立了應(yīng)急管理部。
由于自然災(zāi)害會(huì)隨機(jī)發(fā)生且破壞力很大，地面通信系統(tǒng)很容易在災(zāi)害中受到多種因素的影響而遭到破壞，單一的通信技術(shù)手段已無(wú)法滿足復(fù)雜多樣的搶險(xiǎn)救災(zāi)需求，給救援工作帶來(lái)諸多的困難。因此，建立響應(yīng)迅速、可靠穩(wěn)定、多手段保障的應(yīng)急通信系統(tǒng)成為通信技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
因此，國(guó)家應(yīng)急管理部啟動(dòng)了天地一體化應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)項(xiàng)目。但在傳統(tǒng)應(yīng)急通信保障中，主要使用應(yīng)急通信車(chē)作為主要應(yīng)急通信設(shè)備，但由于受災(zāi)地區(qū)地勢(shì)險(xiǎn)峻、道路崎嶇、車(chē)輛難以進(jìn)入且應(yīng)急通信車(chē)升降桿的舉升高度有限(小于20 m)，無(wú)法充分發(fā)揮通信基站信號(hào)覆蓋能力，存在通信距離近、通信盲區(qū)大和通信效果受地形地物影響明顯等缺陷[1]。隨著無(wú)人機(jī)性能的不斷提升，特別是無(wú)人機(jī)的飛行高度、移動(dòng)半徑、續(xù)航和載重等基礎(chǔ)能力的大幅發(fā)展，使得傳統(tǒng)應(yīng)急通信車(chē)可以采用系留式無(wú)人機(jī)進(jìn)行基站搭載，即：系留式無(wú)人機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)。該系統(tǒng)在保留傳統(tǒng)應(yīng)急通信車(chē)較高的機(jī)動(dòng)性與穩(wěn)定性?xún)?yōu)勢(shì)的同時(shí)，還充分利用了無(wú)人機(jī)基站的廣區(qū)域覆蓋和靈活部署的能力，從而在未來(lái)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中前景廣闊[2-3]。
針對(duì)系留式無(wú)人機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)發(fā)展中的大帶寬、低時(shí)延和低成本等場(chǎng)景需求，本文基于5G大規(guī)模天線、邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)切片等關(guān)鍵技術(shù)，提出一種基于旋翼式無(wú)人機(jī)的5G應(yīng)急通信解決方案，重點(diǎn)對(duì)方案的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)結(jié)論。
1 系留式應(yīng)急通信系統(tǒng)
1.1 總體架構(gòu)
基于高空平臺(tái)的應(yīng)急通信系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，根據(jù)回傳方式的不同，主要包括系留式和非系留式兩種類(lèi)型。
非系留式應(yīng)急通信系統(tǒng)主要包括：高空平臺(tái)、機(jī)載基站、回傳終端、大網(wǎng)宏站和核心網(wǎng)等。在高空平臺(tái)上搭載機(jī)載基站和回傳終端，機(jī)載基站可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋，回傳終端可及時(shí)將用戶(hù)信息及數(shù)據(jù)回傳到大網(wǎng)宏站；核心網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)接入管理、會(huì)話管理和用戶(hù)數(shù)據(jù)管理與轉(zhuǎn)發(fā)等功能。整個(gè)應(yīng)急通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程為：用戶(hù)終端首先接入機(jī)載基站，機(jī)載基站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后回傳終端將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶暾疽约昂诵木W(wǎng)，最后經(jīng)過(guò)核心網(wǎng)網(wǎng)元轉(zhuǎn)發(fā)至互聯(lián)網(wǎng)[4]。
系留式應(yīng)急通信系統(tǒng)則通過(guò)專(zhuān)用的電源和電纜實(shí)現(xiàn)不間斷的供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，可在一定載荷下在空中連續(xù)懸停，長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)通信覆蓋。系留應(yīng)急通信系統(tǒng)具有體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、便于操作和續(xù)航時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)，也成為當(dāng)前滿足應(yīng)急通信不同場(chǎng)景需求的首選方案。
1.2 高空平臺(tái)
基于高空平臺(tái)的應(yīng)急通信系統(tǒng)對(duì)空中平臺(tái)的特性有一定的要求，包括：支持快速靈活部署、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、安全系數(shù)高、運(yùn)輸便捷、載荷大、滯空穩(wěn)定等。
目前進(jìn)入使用階段的高空平臺(tái)包括熱氣球、氦氣球和無(wú)人機(jī)等類(lèi)型。系留式熱氣球成本較高(百萬(wàn)級(jí))，升空高度至1 000 m時(shí)，覆蓋范圍可超過(guò)40 km。但熱氣球體積較大(約6 000 m3)，充放氣時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法快速升空工作，滯空時(shí)間也相對(duì)較短(<6 h)，并對(duì)氣候條件要求較高，適用于非雨雪天氣且地面風(fēng)力小于3級(jí)(5 m/s)、空中風(fēng)力小于5級(jí)(10 m/s)的環(huán)境，并要求升空時(shí)最少需要60 m×60 m的平整且周邊無(wú)高大遮擋物的空曠場(chǎng)地。而系留式氦氣艇滯空時(shí)間可以超過(guò)70 h，但同時(shí)也存在系留式熱氣球由于體積大造成的多種弊端，且成本遠(yuǎn)高于系留式熱氣球。
無(wú)人機(jī)分為兩種類(lèi)型：民用級(jí)無(wú)人機(jī)和專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)。民用無(wú)人機(jī)有體積較小、載荷較小、飛行時(shí)間較短的特點(diǎn)，故無(wú)法用作應(yīng)急保障系統(tǒng)的高空平臺(tái)。專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)主要包括旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)等類(lèi)型。固定翼無(wú)人機(jī)尺寸較大，起降有場(chǎng)地限制，操控較為復(fù)雜。而旋翼無(wú)人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、垂直起降、操控簡(jiǎn)便和可在空中懸停等優(yōu)勢(shì)。特別是近年來(lái)通過(guò)使用專(zhuān)用的電源和電纜為旋翼無(wú)人機(jī)提供了不間斷的供電，可實(shí)現(xiàn)在一定載荷下連續(xù)不間斷的懸停，可有效解決地形對(duì)天線覆蓋的影響。因此，成本低廉、攜帶方便和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)使得旋翼無(wú)人機(jī)具有在應(yīng)急通信領(lǐng)域廣泛推廣的條件。
1.3 機(jī)載基站系統(tǒng)
機(jī)載基站系統(tǒng)包括輕量化基站、基站天線和光電復(fù)合纜等主要組成部分[1]。
(1)輕量化基站：通常選擇可4G一體化通信基站或超短波通信基站等。采用4G一體化站時(shí)，基站主要由基帶控制單元(BBU)、射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)和電源模塊等組成，采用輕量化設(shè)計(jì)，在應(yīng)急通信現(xiàn)場(chǎng)隨無(wú)人機(jī)升高后懸停，便捷地形成以基站為中心的大覆蓋范圍4G無(wú)線專(zhuān)網(wǎng)；
(2)基站天線：通常采用全向天線或定向天線，為基站提供射頻信號(hào)的發(fā)射和接收能力。通常天線水平角度為360°，垂直角度為15°~20°，天線增益為7 dBi~15 dBi；
(3)光電復(fù)合纜：將地面應(yīng)急通信車(chē)的電能傳輸?shù)礁呖掌脚_(tái)的機(jī)載基站系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)空地?cái)?shù)據(jù)的雙向光纖傳輸，光電復(fù)合纜在應(yīng)急通信車(chē)的控制下可以收起或釋放。
2 系留式應(yīng)急系統(tǒng)的發(fā)展需求
當(dāng)前，系留式無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)主要為應(yīng)急通信服務(wù)需求提供信號(hào)覆蓋能力，主要業(yè)務(wù)功能包括[5]：
(1)實(shí)時(shí)采集應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)狀況；
(2)解決現(xiàn)場(chǎng)通信覆蓋；
(3)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)救援隊(duì)伍之間的溝通交流；
(4)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心的溝通交流；
(5)為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急資源調(diào)配提供技術(shù)支撐。
隨著應(yīng)急通信技術(shù)的不斷發(fā)展，場(chǎng)景需求也日益豐富，并對(duì)應(yīng)急通信服務(wù)系統(tǒng)提出了更高的要求，主要表現(xiàn)為：
(1)機(jī)載基站對(duì)大帶寬的要求不斷提升。較之原有的蜂窩組網(wǎng)方式，單個(gè)機(jī)載基站覆蓋范圍大幅度增加后，容量需求自然成為制約應(yīng)急系統(tǒng)性能的瓶頸。此外，在實(shí)時(shí)采集應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)狀況的場(chǎng)景下，無(wú)人機(jī)搭載的視頻采集設(shè)備需要將高清晰度的視頻實(shí)時(shí)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)救險(xiǎn)人員和指揮中心；在現(xiàn)場(chǎng)救援隊(duì)伍之間溝通交流和現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心溝通交流的場(chǎng)景下，在滿足基本音頻需求的同時(shí)，多路視頻多帶來(lái)的數(shù)據(jù)通信需求也在提升，這必然要求機(jī)載基站具備大帶寬的能力。
(2)機(jī)載基站對(duì)回傳帶寬的要求難以滿足。目前高空平臺(tái)的機(jī)載基站一般通過(guò)地面應(yīng)急通信車(chē)的衛(wèi)星設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)核心網(wǎng)的遠(yuǎn)距離連接。機(jī)載基站具備大帶寬能力必然對(duì)回傳帶寬形成壓力，并大幅提升部署成本。
(3)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程控制類(lèi)業(yè)務(wù)需要更低的時(shí)延。地震、洪水等自然災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，使用當(dāng)前系留式應(yīng)急通信系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)廣覆蓋的目的，但對(duì)于道路阻斷、山體遮擋和險(xiǎn)情頻發(fā)的區(qū)域，救援人員難以進(jìn)入并實(shí)施排險(xiǎn)，故遠(yuǎn)程控制的無(wú)人機(jī)、挖掘機(jī)等設(shè)備將會(huì)發(fā)揮重要作用。同時(shí)考慮目前的4G LTE網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延和衛(wèi)星回傳時(shí)延，秒級(jí)時(shí)延將無(wú)法實(shí)現(xiàn)救援設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。
(4)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)多種業(yè)務(wù)需要更高的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障。當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，通過(guò)系留式應(yīng)急通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的災(zāi)區(qū)覆蓋區(qū)域?qū)?huì)面臨同時(shí)服務(wù)公眾通信業(yè)務(wù)、應(yīng)急指揮通信業(yè)務(wù)和遠(yuǎn)程控制類(lèi)業(yè)務(wù)等多種場(chǎng)景的情況，由于公眾通信話務(wù)量激增，會(huì)導(dǎo)致有限的網(wǎng)絡(luò)通信擁塞和癱瘓，既無(wú)法進(jìn)行調(diào)度指揮，也無(wú)法保證政府決策與支持系統(tǒng)的信息傳輸暢通，業(yè)務(wù)質(zhì)量無(wú)法得到有效保障。
3 5G技術(shù)賦能應(yīng)急通信
第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)能夠以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和性能賦能應(yīng)急管理系統(tǒng)的部署與發(fā)展。與4G相比，5G系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容量、可靠性和資源利用率等方面實(shí)現(xiàn)了大幅提升。因此，5G技術(shù)賦能的應(yīng)急系統(tǒng)將會(huì)逐步發(fā)展并將滿足不同的應(yīng)急場(chǎng)景需求。5G賦能應(yīng)急通信與其關(guān)鍵技術(shù)密切相關(guān)，主要表現(xiàn)在大規(guī)模天線技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)三方面。
3.1 大規(guī)模天線技術(shù)
5G不僅采用更加靈活的頻譜使用策略，同時(shí)引入了大規(guī)模波束賦形技術(shù)，成為5G無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基石。通過(guò)采用更多的天線陣元和端口，使得網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)用戶(hù)可以在同一時(shí)頻資源上利用Massive MIMO提供的空間自由度與基站同時(shí)進(jìn)行通信，從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率和網(wǎng)絡(luò)容量。為了便于機(jī)載基站的安裝，即使采用100 MHz帶寬的4T4R 5G微基站，下行峰值速率也可達(dá)1 Gb/s以上，上行峰值速率>240 Mb/s，可以大幅提升高空平臺(tái)應(yīng)急系統(tǒng)的容量提供能力。
3.2 邊緣計(jì)算技術(shù)
5G網(wǎng)絡(luò)采用NFV和SDN技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)元功能的分解、抽象和重構(gòu)。通過(guò)控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的分離，使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化，轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以采用分布式按需的部署方式，通過(guò)多元化、多級(jí)的業(yè)務(wù)流向從根本上解決網(wǎng)絡(luò)豎井化單一業(yè)務(wù)流向造成的傳輸和核心網(wǎng)負(fù)擔(dān)過(guò)重的問(wèn)題，如圖2所示。針對(duì)回傳受限的應(yīng)急場(chǎng)景，將核心網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)元在地面應(yīng)急通信車(chē)內(nèi)部部署，實(shí)現(xiàn)向網(wǎng)絡(luò)邊緣的最大可能下沉。通過(guò)業(yè)務(wù)向本地分流，可以有效降低機(jī)載基站回傳鏈路的傳輸需求，達(dá)到節(jié)省衛(wèi)星鏈路租賃造成的高額投資的目的。針對(duì)時(shí)延受限的應(yīng)急場(chǎng)景，將核心網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)元和業(yè)務(wù)平臺(tái)在地面應(yīng)急通信車(chē)內(nèi)部部署的同時(shí)，并適時(shí)引入低時(shí)延高可靠技術(shù)（Ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）加以保障，將為應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程控制類(lèi)業(yè)務(wù)提供更低的時(shí)延。
3.3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)
網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的重要特性，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)之間（包括接入、傳輸和核心網(wǎng)）邏輯獨(dú)立，任何一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會(huì)影響到其他的虛擬網(wǎng)絡(luò)。在高空平臺(tái)的應(yīng)急通信系統(tǒng)中，可以根據(jù)公眾通信業(yè)務(wù)、應(yīng)急指揮通信業(yè)務(wù)和遠(yuǎn)程控制類(lèi)業(yè)務(wù)等多種場(chǎng)景的需求，自主定義不同切片對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)特性，包括時(shí)延、速率、連接密度、頻譜效率、流量容量和網(wǎng)絡(luò)效率等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性保證用戶(hù)的體驗(yàn)。
4 面向5G的系留式應(yīng)急通信
4.1 系統(tǒng)架構(gòu)
較之當(dāng)前基于4G機(jī)載基站的系留式無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，5G系留式應(yīng)急通信系統(tǒng)的重點(diǎn)在于通過(guò)引入5G機(jī)載基站的同時(shí)，在地面應(yīng)急通信車(chē)中進(jìn)行邊緣計(jì)算能力的部署，利用5G網(wǎng)絡(luò)切片能力實(shí)現(xiàn)對(duì)大帶寬低時(shí)延的應(yīng)急通信業(yè)務(wù)的保障。基于5G的系留式無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信系統(tǒng)如圖4所示。
該系統(tǒng)主要包括高空平臺(tái)子系統(tǒng)、地面控制子系統(tǒng)、光電復(fù)合纜和通信終端等部分。
4.2 高空平臺(tái)子系統(tǒng)
4.2.1 功能模塊
高空子平臺(tái)主要包含以下模塊[6-7]：
(1)旋翼式無(wú)人機(jī)：為機(jī)載基站提供升空平臺(tái)，結(jié)構(gòu)尺寸要求緊湊，能夠滿足車(chē)輛或艦船的運(yùn)輸與裝載要求。建議旋翼式無(wú)人機(jī)有效載荷不低于15 kg，最大起飛重量不低于40 kg，飛行高度不低于100 m?？梢钥紤]六旋翼布局的升力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案替代四旋翼無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)采用碳纖維復(fù)合材料和鋁合金材料的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可獲得更好的負(fù)載和穩(wěn)定性能。此外，通過(guò)選用散熱性能好的高功率電機(jī)以及高升力系數(shù)的高原槳葉，可以保證更大高度下的安全飛行。
(2)光電傳輸系統(tǒng)：通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)在高空平臺(tái)子系統(tǒng)和地面控制子系統(tǒng)之間的雙向傳輸。
(3)電源系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)高空平臺(tái)子系統(tǒng)和地面控制子系統(tǒng)之間的高低壓直流電轉(zhuǎn)換。
(4)飛控系統(tǒng)：支持自動(dòng)或地面系統(tǒng)手動(dòng)控制模式，實(shí)現(xiàn)飛行器向指定區(qū)域目標(biāo)移動(dòng)和懸停等功能。
(5)機(jī)載基站與天線：通過(guò)5G一體化微基站或5G AAU設(shè)備實(shí)現(xiàn)制定區(qū)域的5G信號(hào)覆蓋和應(yīng)急業(yè)務(wù)開(kāi)展。
4.2.2 覆蓋能力
無(wú)人機(jī)使用全向天線時(shí)，采用高空明區(qū)傳播計(jì)算模型，如圖5所示。
根據(jù)圖5所示，地球曲面無(wú)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(hù)接收天線有效高度，單位為m；d為基站天線與用戶(hù)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(wú)人機(jī)基站工作頻率，單位為MHz。
無(wú)人機(jī)5G覆蓋鏈路預(yù)算參數(shù)如表1所示。
系留式無(wú)人機(jī)在5G場(chǎng)景下用戶(hù)接收功率和覆蓋半徑的關(guān)系如圖6所示。由分析結(jié)果可知：采用3.5 GHz頻點(diǎn)、4×20 W(4T4R)/20 MHz帶寬的5G機(jī)載基站，當(dāng)終端接收目標(biāo)RSRP為-105 dBm時(shí)，升空高度為200 m的地面覆蓋半徑為2.8 km，覆蓋面積達(dá)到25 km2以上。此外，通過(guò)使用2.1 GHz、800 MHz等更低的5G頻段，將進(jìn)一步提升系留式無(wú)人機(jī)有效覆蓋范圍。
4.3 地面控制子系統(tǒng)
4.3.1 功能模塊
地面控制子系統(tǒng)主要包含以下模塊：
(1)供電系統(tǒng)：使用發(fā)電機(jī)為全系統(tǒng)提供工作電源，可根據(jù)系統(tǒng)功耗選取發(fā)電機(jī)；
(2)電纜收放系統(tǒng)：隨著無(wú)人機(jī)起飛和降落，通過(guò)直流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，將光電復(fù)合線纜釋放或收起；
(3)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)：通過(guò)地面應(yīng)急通信車(chē)內(nèi)顯控終端的人機(jī)交互界面，對(duì)無(wú)人機(jī)控制設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)操控；
(4)通信系統(tǒng)：用于通信業(yè)務(wù)的接入，視頻、話音的通信調(diào)度管理，通信資源配置以及電源分配等。高空平臺(tái)子系統(tǒng)中的5G一體化機(jī)載基站通過(guò)光電復(fù)合纜實(shí)現(xiàn)與5G核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)平臺(tái)的連接。
4.3.2 邊緣計(jì)算能力部署
5G核心網(wǎng)通過(guò)控制面與用戶(hù)面分離，用戶(hù)面網(wǎng)元(User Plane Function，UPF)可以靈活地下沉部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣，而策略控制(Policy Control Function，PCF)和會(huì)話管理(Session Management Function，SMF)等控制面功能可以集中部署。應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)終端通過(guò)UPF實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)的本地分流功能，5G UPF功能受5G核心網(wǎng)控制面的統(tǒng)一管理，其路由分流策略由5G核心網(wǎng)統(tǒng)一配置，如圖7所示。
通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)元UPF下沉至應(yīng)急通信現(xiàn)場(chǎng)的方案進(jìn)行部署，救援區(qū)域數(shù)據(jù)流量本地分流，通過(guò)邊緣計(jì)算平臺(tái)(Mobile Edge Platform，MEP)實(shí)現(xiàn)與本地部署的應(yīng)急通信業(yè)務(wù)平臺(tái)連接。該方式可以減少回傳鏈路的時(shí)延。由于只是通過(guò)衛(wèi)星鏈路傳輸速率較低的控制信令實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通，從而在減少衛(wèi)星鏈路帶寬需求的同時(shí)，為應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程控制類(lèi)業(yè)務(wù)提供更低的時(shí)延。
4.3.3 網(wǎng)絡(luò)切片能力部署
針對(duì)應(yīng)急資源優(yōu)先保障場(chǎng)景中的3種業(yè)務(wù)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)切片主要?jiǎng)澐譃榉?wù)公眾通信業(yè)務(wù)、應(yīng)急指揮通信業(yè)務(wù)和遠(yuǎn)程控制類(lèi)業(yè)務(wù)3類(lèi)。
(1)搶險(xiǎn)救災(zāi)專(zhuān)業(yè)人員：保障救災(zāi)人員具備基本聯(lián)網(wǎng)能力，保障接入成功率和接入用戶(hù)數(shù)量，并保證一定的通話質(zhì)量，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求如表2所示。
(2)公眾通信業(yè)務(wù)：保障普通公眾用戶(hù)具備基本的聯(lián)網(wǎng)通信能力和一定的接入成功率，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求如表3所示。
(3)遠(yuǎn)程控制類(lèi)業(yè)務(wù)：重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)和挖掘機(jī)等遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)的聯(lián)網(wǎng)通信能力和低時(shí)延高可靠保障能力，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求如表4所示。
5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)包括切片設(shè)計(jì)、部署使能、切片運(yùn)行、閉環(huán)優(yōu)化、運(yùn)維、能力開(kāi)放等。根據(jù)應(yīng)用、場(chǎng)景需求等對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行管理編排，實(shí)現(xiàn)行業(yè)客戶(hù)需求，按需定制虛擬網(wǎng)絡(luò)，可以滿足差異化的服務(wù)等級(jí)協(xié)議(Service Level Agreement，SLA)的服務(wù)質(zhì)量需求(Quality of Service，QoS)，通過(guò)切片平臺(tái)，為應(yīng)急通信不同場(chǎng)景提供5G端到端的大帶寬、低時(shí)延、高可靠的靈活定制化服務(wù)。
5 結(jié)論
本文提出了基于5G的系留式無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信覆蓋解決方案，該方案結(jié)合未來(lái)應(yīng)急通信的發(fā)展需求，通過(guò)無(wú)人機(jī)機(jī)載5G一體化基站，結(jié)合邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)切片等關(guān)鍵技術(shù)，滿足應(yīng)急通信中的大帶寬和低時(shí)延等多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。
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作者信息:
劉 蕾1，朱崢灝2，云 翔3，李 娜3
（1.中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京102209；2.北京朝師附小黃胄分校，北京100028；
3.北京佰才邦技術(shù)有限公司，北京100044）