5G+无人机的低空数字化发展与应用

2019-11-07李昶程锦霞杨光于江

移动通信 2019年9期

李昶　程锦霞　杨光　于江

【摘要】5G可以充分赋能无人机，延展其在各行各业的立体丰富应用。首先概述无人机产业发展现状和面临的挑战，其次探讨5G关键技术及能力对无人机发展的影响，并针对安防、巡检、植保、物流等典型5G网联无人机应用场景以及带来的行业新市场、新商机、新价值进行简要分析。

【关键词】5G+无人机;低空数字化;mMIMO;MEC;网络切片

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.009 中图分类号：TN929.5

文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2019）09-0047-06

引用格式：李昶，程锦霞，杨光，等. 5G+无人机的低空数字化发展与应用[J]. 移动通信， 2019，43（9）： 47-52.

Development and Application of 5G UAV Low Altitude Digitalization

LI Chang， CHENG Jinxia， YANG Guang， YU Jiang

[Abstract] 5G mobile communication technology will fully empower UAV to be widely used in multiple scenarios. This paper provides an overview of the development status and challenges faced by connected UAVs， and shares views on the impacts of 5G key technologies and capabilities on the development of connected UAVs. In addition， the typical scenarios of 5G connected UAVs are analyzed， such as security， inspection， plant protection and logistics， and the corresponding new markets， new business opportunities and new value are explored.

[Key words]5G UAV; low altitude digitalization; mMIMO; MEC; network slicing

1 無人机行业发展现状及挑战

1.1 无人机产业概况及市场规模

无人机（UAV， Unmanned Aerial Vehicle）发展至今已有百年历史。早在1917年，无人机首次试飞成功，在此之后无人机便主要应用军用领域。到20世纪90年代，无人机开始向民用渗透。到2006年，以大疆无人机公司成立为代表，大量民企进入无人机行业，无人机行业进入快速成长期。2016年起，无人机厂商纷纷瞄准行业应用，进驻前景广阔的工业级无人机市场[1-2]。

无人机产业链非常丰富，如图1所示，从产业类型来讲，主要分为硬件制造、应用服务、保障辅助三大板块。硬件制造主要是从事无人机研发生产环节的制造型企业，包括技术方案、机体制造、控制系统等领域，目前产业相对成熟，占据无人机市场收入的绝对份额;应用服务主要是以无人机为载体提供如安防监控、电力巡检、农林植保、物流配送等类型的服务，是无人机产业链的新兴环节，特别在工业级无人机领域，随着场景逐渐丰富，未来市场潜力将远超单纯的硬件制造;保障辅助主要是对无人机销售、使用提供辅助保障的管理支撑型企业，包括无人机使用培训及维修、空域监管、物联网运营、大数据处理等。

如图2所示，2013年，全球民用无人机市场规模约20亿美元，在此之后的5年里，在消费级无人机带动下，行业基本保持着每年35%以上的同比增速稳定成长（数据来源：中国产业信息网）。自2018年起，伴随工业级无人机应用的兴起，民用无人机市场进入爆发式增长期，在2020年前后增速达到顶峰。到2025年，全球民用无人机市场规模将达到1 475亿美元，年均复合增长率达43%。

如图3所示，我国无人机市场的成长明显更加快速，在全球市场的份额占比逐年提升，预计到2025年，我国民用无人机市场产值将达到1 800亿人民币，约占全球无人机市场份额的17.5%。工业级无人机行业应用服务将占据市场的绝对份额，市场规模达1 500亿元人民币，其中农林植保、安防巡检、测绘和物流将成为我国无人机行业应用的主要场景（数据来源：综合艾瑞等咨询公司对无人机硬件市场的规模预测，根据行业各环节占比对服务市场规模进行预测）。

1.2 无人机产业发展面临的挑战

随着无人机市场规模持续快速增长、应用范围持续拓展，现有无人机点对点通信解决方案带来的飞行距离短、信号不稳定等局限性逐渐凸显，同时无人机“黑飞”“扰航”“炸机”事件层出不穷，暴露出安全、监管体系不够健全的问题，主要原因包括：一是安全监管手段滞后，尚未形成民用无人机可识别、可监控、可追溯的技术管控体系;二是行业法规标准体系不完善，现行法律中还没有针对“低慢小”飞行器尤其是无人机的专门法律;三是技术储备不足，系统集成、自主飞行、智能避障、高精定位能力参差不齐，续航能力、安全性能有待提升;四是标准和检测认证体系不健全[3]。

针对上述挑战，各国纷纷出台无人机管控政策，强调创新驱动、安全管控，同时加快推动无人机网联化发展，满足监管及行业应用的需求，鼓励无人机产业持续快速发展。

2 基于5G网络的无人机发展与应用

2.1 基于5G关键技术与能力的网联无人机

无人机从军用开始扩展到民用，无人机的用途非常广泛，成本相对较低，使用方便，而且不存在人员伤亡的风险。目前5G作为新一代移动通信技术，以全新的网络架构，提供10 Gbit/s以上的带宽、毫秒级时延、超高密度连接，实现网络性能新的跃升，将加速无人机网联化进程。一方面，5G提供高可靠、低时延、广覆盖的数据链系统，可助力形成民用无人机可识别、可监控、可追溯的技术管控体系，实现无人机一机一码的实名认证，实时联网接入无人机云系统，实现无人机飞行动态的实时监控，有助于解决当前面临的监管、安全、控制等关键性难题。另一方面，5G网络的大带宽、低时延、高可靠等特点能够有效满足行业无人机对高清图传、精准定位、远程实时控制等需求，加速无人机在各行业领域的普及和应用。

如图4所示，5G网联无人机的无人机终端和地面控制终端均通过5G网络进行数据传输和控制指令传输，并通过业务服务器加载各类场景的应用。其中5G网络提供了从无线网到核心网的整体网络解决方案，以各种复杂应用场景的网络实现。

5G网络将提供增强移动宽带（eMBB， enhanced Mobile Broadband）、高可靠低时延（uRLLC， ultra Reliable Low Latency Communications）能力，全面提升速率、时延、覆盖等网络性能指标。此外，通过引入大规模天线（mMIMO）、网络切片、移动边缘计算（MEC）等多项关键技术，将为无人机的覆盖和移动性增强、端到端业务质量保障、高效识别和管控等需求提供新的技术保障，从而全面保障智能化的网联无人机应用[4-5]。

（1）mMIMO技术

mMIMO作为5G关键技术，通过在基站侧采用大量天线来提升数据速率和链路可靠性。mMIMO的典型应用场景一般是热点地区、高楼或者需要深度覆盖的区域，对于无人机通信而言，通过mMIMO垂直面和水平面的波束赋形，信号可以在水平和垂直方向进行动态调整，形成精准的窄波束进行发送和接收，因此能量能够更加准确地集中指向无人机。对于下行链路，精准的窄波束一方面提高了无人机的覆盖，另一方面也减少了小区内或者小区间的干扰。对于上行链路，既可以是基站侧形成接收波束，也可以是用户侧形成发送波束，从而既可以实现无人机上行大容量高清视频的传输，也可以减少无人机对地面终端的干扰[6]。

（2）移动边缘计算

图5为5G边缘计算解决方案，5G移动边缘计算兼顾时延和计算能力等需求，分场景灵活选择MEC的部署位置。接入机房适用于部署定位、AR/VR等极高实时性业务，以及企业网等内容本地化高隔离业务;普通汇聚机房适用于部署监控视频分析等高传输带宽节省业务、云游戏等较高实时性业务及园区网等内容本地化高隔离业务;重要汇聚机房适用于部署mCDN等高计算/存储业务及天线权值优化等区域协同业务[7]。

（3）网络切片

5G端到端网络切片将网络资源灵活分配，网络能力按需组合，基于一个5G网络虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。5G提供定制化端到端网络切片服务，满足不同行业的特殊需求。每个端到端切片均由核心网、无线网、传输网子切片组成，通过端到端切片管理系统进行统一管理，具备定制性、隔离/专用性、分级SLA保障以及可基于统一平台灵活构建、自动化运维等特征。此外，每个切片（例如分级分类的无人机）配置不同等级的安全保护，为无人机行业客户（如：公安、交警、电力公司）提供差异化、可定制的安全套餐并进行实时监测，及时调整资源配置，有效防止外部攻击，提升业务端到端安全性[8]。

2.2 5G网联无人机的创新行业应用

5G网联无人机具备远程控制、高清图传、精准定位、状态监控、安全网络等五大能力，极大丰富行业应用场景。根据当前无人机主要应用领域及未来市值预测分析，本文选取安防监控、基础设施巡检、农业植保、物流配送等4类典型无人机行业应用进行简要分析。

公共安防监控市场需求十分巨大。根据预测，美国公共安全领域的无人机约占商业无人机总量的10%，预计到2020年约为51亿元（数据来源：国际无人机系统协会）。按照中美未来公共安全支出比例估算，保守预计2020年国内公共安全市场空间约70亿元（数据来源：《中国安防》）。相对于目前地面固定摄像头和地面移动的车载、单兵等安防监控方案，无人机具有移动性强、多角度全视角监控、操作灵活等突出优点[9]。在安防监控场景中，无人机需要具有优良的飞行稳定性、较快的反应能力以及不间断地进行现场的实时跟踪，同时实时回传高清视频用于人眼或AI的分析识别。

无人机安防监控业务网络指标如表1所示。

基础设施巡检是指对输电线路、输油管道、基站塔台等基础设施的巡视检查或状态监测。由于以上基础设施大部分部署在郊区、野外等自然环境较为恶劣的地区，所处地形复杂多变，传统的人工巡检方案受环境及天气等影响，工作量大、工作效率较低、成本较高，且存在一定的人身安全风险。无人机以成本低、灵活性强、安全性高、受自然环境及地形影响较小、视角更优等特点，越来越广泛地应用于基础设施巡检领域[10]。在基础设施巡检作业中，需要无人机实现安全智能遥控、高效数据采集、实时视频传输、飞行状态监控以及网络定位等功能。

无人机基础设施巡检业务网络指标如表2所示。

植保机械化是实现农业种植机械化、现代化的关键一环。农林植保是目前无人机重要的行业应用之一，主要包括喷洒农药种子、巡逻监视、病虫监察等应用。与传统植保方式相比，无人机具有作业精准、高效环保、智能化、易操作等特点，在现代农业领域发挥着越来越重要的作用，正在成为现代精准农业的尖兵[11]。植保无人机由植保队操作，飞行状态数据实时通过蜂窝网络上报云端用于計费和管理，高精度定位信息通过短距通信或蜂窝网络下发给无人机，同时完成勘察作业高清视频的实时回传。

无人机农林植保业务网络指标如表3所示。

物流配送是极具潜力的无人机应用领域之一。2017年全球智慧物流峰会数据显示，2016年智慧物流市场规模达到2 000亿元，到2025年将超过10 000亿元。采用无人机进行物流配送，可以节约时间、降低成本、节省人力，同时可以摆脱地形限制，应对极端条件，大大提升配送效率，提高用户体验，成为智慧物流中重要一环[12]。实现无人机物流配送包括运营调度中心、无人机配送站、物流终端（即无人机）三个重要环节。在配送过程中通过5G网络实现飞行状态上报，RTK高精度定位信息的下发，出于飞行安全和紧急情况处理考虑，物流无人机也需要具备视频回传实时操控能力，在必要的时候由人工接管。

无人机物流配送业务网络指标如表4所示。

3 5G网联无人机的新市场、新商机、

新价值

5G网联无人机的逐步引入，为很多行业提供了极大的便利，以航拍的新型视觉角度给各行各业带来更直观更立体的实况展示，同时接入低空移动通信网络的网联无人机，可以实现设备的监管、航线的规范、效率的提升，促进空域的合理利用，从而极大延展无人机的应用领域，产生巨大经济价值。例如新闻行业、电力巡检行业等，利用无人机能够避免工作人员在危险的环境下工作，保障了从业者的人身安全。另外，无人机以其独特的属性，大幅提高了工作效率，伴随着无人机行业的不断发展，给社会带来了很好的经济效益的同时，在安防监控、应急救灾等领域的应用拓展，也不断为社会提供高效且有价值的服务。

根据中国产业信息网预测，2020年消费级无人机将达到1 600万台。基于新一代蜂窝移动通信网络5G为网联无人机赋予的实时超高清图传、远程低时延控制、永远在线等重要能力，全球将形成一个数以千万计的无人机智能网络，全面解锁低空数字化，7×24小时不间断地提供航拍、送货、勘探、安防等各种各样的个人及行业服务，构成一个全新的、丰富多彩的“网联天空”。

未来，无人机产业的繁荣发展需要无人机厂商、垂直领域企业、运营商及管制机构各方的紧密合作，持续推进5G网联无人机应用场景的研究与落地，探索创新的商业模式，共同构建无人机健康有序的产业生态。

4 结束语

本文对典型的5G网联无人机应用场景以及带来的行业新市场、新商机、新价值等进行了分析，5G网联无人机是5G重要应用场景之一，接入5G网络的无人机具备远程控制、高清图传、精准定位、状态监控、安全网络等五大能力，极大丰富行业应用场景。同时，5G网联无人机与人工智能、大数据、云计算等新兴技术的融合也将为无人机的应用带来更加广阔的发展空间。

参考文献：

[1] 王呈顺. 浅谈无人机市场分类及发展趋势[J]. 信息系统工程， 2017（9）： 105.

[2] 刘欣. 民用无人机的现状调研报告[J]. 企业科技与发展， 2019（2）： 163-165.

[3] 孙博雅，韩文蕾. 无人机行业发展对隐私权的法律挑战与保护[J]. 法制博览， 2018（31）： 80.

[4] 埃里克·达尔曼，斯特凡·巴克浮. 5G NR标——下一代无线通信技术[M]. 北京：机械工业出版社， 2019.

[5] 陈灵红. 5G无线通信技术概念分析及其应用研究[J]. 数字化用户， 2019，25（8）： 9.

[6] 曹士明. 5G通信网络的大规模天线技术[J]. 通讯世界， 2019，26（5）： 101-102.

[7] 陆璐. 面向5G网络的边缘计算技术研究[J]. 信息通信技术与政策， 2018（11）： 1-6.

[8] 乔楚. 5G网络端到端切片技术研究[J]. 通信技术， 2018，51（9）： 2092-2101.

[9] 丁兆威. 安防无人机市场前景可期[J]. 中国公共安全（综合版）， 2017（8）： 27-35.

[10] 王伊. 输电线路巡检中多旋翼无人机的应用[J]. 科技资讯， 2017，15（28）： 40-41.

[11] 冯焕萍. 农用植保无人机作业市场分析[J]. 中国农机化学报， 2018，39（8）： 54-57.