5G+無人機(jī)的低空數(shù)字化發(fā)展與應(yīng)用

李昶　程錦霞　楊光　于江

【摘? 要】5G可以充分賦能無人機(jī)，延展其在各行各業(yè)的立體豐富應(yīng)用。首先概述無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，其次探討5G關(guān)鍵技術(shù)及能力對(duì)無人機(jī)發(fā)展的影響，并針對(duì)安防、巡檢、植保、物流等典型5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景以及帶來的行業(yè)新市場(chǎng)、新商機(jī)、新價(jià)值進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】5G+無人機(jī);低空數(shù)字化;mMIMO;MEC;網(wǎng)絡(luò)切片

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.009? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）09-0047-06

引用格式：李昶，程錦霞，楊光，等. 5G+無人機(jī)的低空數(shù)字化發(fā)展與應(yīng)用[J]. 移動(dòng)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? ?無人機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

1.1? 無人機(jī)產(chǎn)業(yè)概況及市場(chǎng)規(guī)模

無人機(jī)（UAV， Unmanned Aerial Vehicle）發(fā)展至今已有百年歷史。早在1917年，無人機(jī)首次試飛成功，在此之后無人機(jī)便主要應(yīng)用軍用領(lǐng)域。到20世紀(jì)90年代，無人機(jī)開始向民用滲透。到2006年，以大疆無人機(jī)公司成立為代表，大量民企進(jìn)入無人機(jī)行業(yè)，無人機(jī)行業(yè)進(jìn)入快速成長(zhǎng)期。2016年起，無人機(jī)廠商紛紛瞄準(zhǔn)行業(yè)應(yīng)用，進(jìn)駐前景廣闊的工業(yè)級(jí)無人機(jī)市場(chǎng)[1-2]。

無人機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈非常豐富，如圖1所示，從產(chǎn)業(yè)類型來講，主要分為硬件制造、應(yīng)用服務(wù)、保障輔助三大板塊。硬件制造主要是從事無人機(jī)研發(fā)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的制造型企業(yè)，包括技術(shù)方案、機(jī)體制造、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，目前產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟，占據(jù)無人機(jī)市場(chǎng)收入的絕對(duì)份額;應(yīng)用服務(wù)主要是以無人機(jī)為載體提供如安防監(jiān)控、電力巡檢、農(nóng)林植保、物流配送等類型的服務(wù)，是無人機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈的新興環(huán)節(jié)，特別在工業(yè)級(jí)無人機(jī)領(lǐng)域，隨著場(chǎng)景逐漸豐富，未來市場(chǎng)潛力將遠(yuǎn)超單純的硬件制造;保障輔助主要是對(duì)無人機(jī)銷售、使用提供輔助保障的管理支撐型企業(yè)，包括無人機(jī)使用培訓(xùn)及維修、空域監(jiān)管、物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)、大數(shù)據(jù)處理等。

如圖2所示，2013年，全球民用無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約20億美元，在此之后的5年里，在消費(fèi)級(jí)無人機(jī)帶動(dòng)下，行業(yè)基本保持著每年35%以上的同比增速穩(wěn)定成長(zhǎng)（數(shù)據(jù)來源：中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)）。自2018年起，伴隨工業(yè)級(jí)無人機(jī)應(yīng)用的興起，民用無人機(jī)市場(chǎng)進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)期，在2020年前后增速達(dá)到頂峰。到2025年，全球民用無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1 475億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)43%。

如圖3所示，我國(guó)無人機(jī)市場(chǎng)的成長(zhǎng)明顯更加快速，在全球市場(chǎng)的份額占比逐年提升，預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)民用無人機(jī)市場(chǎng)產(chǎn)值將達(dá)到1 800億人民幣，約占全球無人機(jī)市場(chǎng)份額的17.5%。工業(yè)級(jí)無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用服務(wù)將占據(jù)市場(chǎng)的絕對(duì)份額，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)1 500億元人民幣，其中農(nóng)林植保、安防巡檢、測(cè)繪和物流將成為我國(guó)無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用的主要場(chǎng)景（數(shù)據(jù)來源：綜合艾瑞等咨詢公司對(duì)無人機(jī)硬件市場(chǎng)的規(guī)模預(yù)測(cè)，根據(jù)行業(yè)各環(huán)節(jié)占比對(duì)服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)）。

1.2? 無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

隨著無人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)快速增長(zhǎng)、應(yīng)用范圍持續(xù)拓展，現(xiàn)有無人機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信解決方案帶來的飛行距離短、信號(hào)不穩(wěn)定等局限性逐漸凸顯，同時(shí)無人機(jī)“黑飛”“擾航”“炸機(jī)”事件層出不窮，暴露出安全、監(jiān)管體系不夠健全的問題，主要原因包括：一是安全監(jiān)管手段滯后，尚未形成民用無人機(jī)可識(shí)別、可監(jiān)控、可追溯的技術(shù)管控體系;二是行業(yè)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，現(xiàn)行法律中還沒有針對(duì)“低慢小”飛行器尤其是無人機(jī)的專門法律;三是技術(shù)儲(chǔ)備不足，系統(tǒng)集成、自主飛行、智能避障、高精定位能力參差不齊，續(xù)航能力、安全性能有待提升;四是標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)認(rèn)證體系不健全[3]。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，各國(guó)紛紛出臺(tái)無人機(jī)管控政策，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、安全管控，同時(shí)加快推動(dòng)無人機(jī)網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，滿足監(jiān)管及行業(yè)應(yīng)用的需求，鼓勵(lì)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。

2? ?基于5G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)發(fā)展與應(yīng)用

2.1? 基于5G關(guān)鍵技術(shù)與能力的網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)

無人機(jī)從軍用開始擴(kuò)展到民用，無人機(jī)的用途非常廣泛，成本相對(duì)較低，使用方便，而且不存在人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。目前5G作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供10 Gbit/s以上的帶寬、毫秒級(jí)時(shí)延、超高密度連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能新的躍升，將加速無人機(jī)網(wǎng)聯(lián)化進(jìn)程。一方面，5G提供高可靠、低時(shí)延、廣覆蓋的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，可助力形成民用無人機(jī)可識(shí)別、可監(jiān)控、可追溯的技術(shù)管控體系，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)一機(jī)一碼的實(shí)名認(rèn)證，實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)接入無人機(jī)云系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有助于解決當(dāng)前面臨的監(jiān)管、安全、控制等關(guān)鍵性難題。另一方面，5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延、高可靠等特點(diǎn)能夠有效滿足行業(yè)無人機(jī)對(duì)高清圖傳、精準(zhǔn)定位、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等需求，加速無人機(jī)在各行業(yè)領(lǐng)域的普及和應(yīng)用。

如圖4所示，5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的無人機(jī)終端和地面控制終端均通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制指令傳輸，并通過業(yè)務(wù)服務(wù)器加載各類場(chǎng)景的應(yīng)用。其中5G網(wǎng)絡(luò)提供了從無線網(wǎng)到核心網(wǎng)的整體網(wǎng)絡(luò)解決方案，以各種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

5G網(wǎng)絡(luò)將提供增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB， enhanced Mobile Broadband）、高可靠低時(shí)延（uRLLC， ultra Reliable Low Latency Communications）能力，全面提升速率、時(shí)延、覆蓋等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。此外，通過引入大規(guī)模天線（mMIMO）、網(wǎng)絡(luò)切片、移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，將為無人機(jī)的覆蓋和移動(dòng)性增強(qiáng)、端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量保障、高效識(shí)別和管控等需求提供新的技術(shù)保障，從而全面保障智能化的網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)應(yīng)用[4-5]。

（1）mMIMO技術(shù)

mMIMO作為5G關(guān)鍵技術(shù)，通過在基站側(cè)采用大量天線來提升數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性。mMIMO的典型應(yīng)用場(chǎng)景一般是熱點(diǎn)地區(qū)、高樓或者需要深度覆蓋的區(qū)域，對(duì)于無人機(jī)通信而言，通過mMIMO垂直面和水平面的波束賦形，信號(hào)可以在水平和垂直方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，形成精準(zhǔn)的窄波束進(jìn)行發(fā)送和接收，因此能量能夠更加準(zhǔn)確地集中指向無人機(jī)。對(duì)于下行鏈路，精準(zhǔn)的窄波束一方面提高了無人機(jī)的覆蓋，另一方面也減少了小區(qū)內(nèi)或者小區(qū)間的干擾。對(duì)于上行鏈路，既可以是基站側(cè)形成接收波束，也可以是用戶側(cè)形成發(fā)送波束，從而既可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)上行大容量高清視頻的傳輸，也可以減少無人機(jī)對(duì)地面終端的干擾[6]。

（2）移動(dòng)邊緣計(jì)算

圖5為5G邊緣計(jì)算解決方案，5G移動(dòng)邊緣計(jì)算兼顧時(shí)延和計(jì)算能力等需求，分場(chǎng)景靈活選擇MEC的部署位置。接入機(jī)房適用于部署定位、AR/VR等極高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，以及企業(yè)網(wǎng)等內(nèi)容本地化高隔離業(yè)務(wù);普通匯聚機(jī)房適用于部署監(jiān)控視頻分析等高傳輸帶寬節(jié)省業(yè)務(wù)、云游戲等較高實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)及園區(qū)網(wǎng)等內(nèi)容本地化高隔離業(yè)務(wù);重要匯聚機(jī)房適用于部署mCDN等高計(jì)算/存儲(chǔ)業(yè)務(wù)及天線權(quán)值優(yōu)化等區(qū)域協(xié)同業(yè)務(wù)[7]。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片

5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片將網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配，網(wǎng)絡(luò)能力按需組合，基于一個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個(gè)具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。5G提供定制化端到端網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，滿足不同行業(yè)的特殊需求。每個(gè)端到端切片均由核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)子切片組成，通過端到端切片管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，具備定制性、隔離/專用性、分級(jí)SLA保障以及可基于統(tǒng)一平臺(tái)靈活構(gòu)建、自動(dòng)化運(yùn)維等特征。此外，每個(gè)切片（例如分級(jí)分類的無人機(jī)）配置不同等級(jí)的安全保護(hù)，為無人機(jī)行業(yè)客戶（如：公安、交警、電力公司）提供差異化、可定制的安全套餐并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整資源配置，有效防止外部攻擊，提升業(yè)務(wù)端到端安全性[8]。

2.2? 5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的創(chuàng)新行業(yè)應(yīng)用

5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)具備遠(yuǎn)程控制、高清圖傳、精準(zhǔn)定位、狀態(tài)監(jiān)控、安全網(wǎng)絡(luò)等五大能力，極大豐富行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)當(dāng)前無人機(jī)主要應(yīng)用領(lǐng)域及未來市值預(yù)測(cè)分析，本文選取安防監(jiān)控、基礎(chǔ)設(shè)施巡檢、農(nóng)業(yè)植保、物流配送等4類典型無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

公共安防監(jiān)控市場(chǎng)需求十分巨大。根據(jù)預(yù)測(cè)，美國(guó)公共安全領(lǐng)域的無人機(jī)約占商業(yè)無人機(jī)總量的10%，預(yù)計(jì)到2020年約為51億元（數(shù)據(jù)來源：國(guó)際無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)會(huì)）。按照中美未來公共安全支出比例估算，保守預(yù)計(jì)2020年國(guó)內(nèi)公共安全市場(chǎng)空間約70億元（數(shù)據(jù)來源：《中國(guó)安防》）。相對(duì)于目前地面固定攝像頭和地面移動(dòng)的車載、單兵等安防監(jiān)控方案，無人機(jī)具有移動(dòng)性強(qiáng)、多角度全視角監(jiān)控、操作靈活等突出優(yōu)點(diǎn)[9]。在安防監(jiān)控場(chǎng)景中，無人機(jī)需要具有優(yōu)良的飛行穩(wěn)定性、較快的反應(yīng)能力以及不間斷地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)跟蹤，同時(shí)實(shí)時(shí)回傳高清視頻用于人眼或AI的分析識(shí)別。

無人機(jī)安防監(jiān)控業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)如表1所示。

基礎(chǔ)設(shè)施巡檢是指對(duì)輸電線路、輸油管道、基站塔臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施的巡視檢查或狀態(tài)監(jiān)測(cè)。由于以上基礎(chǔ)設(shè)施大部分部署在郊區(qū)、野外等自然環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，所處地形復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的人工巡檢方案受環(huán)境及天氣等影響，工作量大、工作效率較低、成本較高，且存在一定的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)以成本低、靈活性強(qiáng)、安全性高、受自然環(huán)境及地形影響較小、視角更優(yōu)等特點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施巡檢領(lǐng)域[10]。在基礎(chǔ)設(shè)施巡檢作業(yè)中，需要無人機(jī)實(shí)現(xiàn)安全智能遙控、高效數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)視頻傳輸、飛行狀態(tài)監(jiān)控以及網(wǎng)絡(luò)定位等功能。

無人機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施巡檢業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)如表2所示。

植保機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植機(jī)械化、現(xiàn)代化的關(guān)鍵一環(huán)。農(nóng)林植保是目前無人機(jī)重要的行業(yè)應(yīng)用之一，主要包括噴灑農(nóng)藥種子、巡邏監(jiān)視、病蟲監(jiān)察等應(yīng)用。與傳統(tǒng)植保方式相比，無人機(jī)具有作業(yè)精準(zhǔn)、高效環(huán)保、智能化、易操作等特點(diǎn)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，正在成為現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的尖兵[11]。植保無人機(jī)由植保隊(duì)操作，飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)上報(bào)云端用于計(jì)費(fèi)和管理，高精度定位信息通過短距通信或蜂窩網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給無人機(jī)，同時(shí)完成勘察作業(yè)高清視頻的實(shí)時(shí)回傳。

無人機(jī)農(nóng)林植保業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)如表3所示。

物流配送是極具潛力的無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域之一。2017年全球智慧物流峰會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2016年智慧物流市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到2 000億元，到2025年將超過10 000億元。采用無人機(jī)進(jìn)行物流配送，可以節(jié)約時(shí)間、降低成本、節(jié)省人力，同時(shí)可以擺脫地形限制，應(yīng)對(duì)極端條件，大大提升配送效率，提高用戶體驗(yàn)，成為智慧物流中重要一環(huán)[12]。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)物流配送包括運(yùn)營(yíng)調(diào)度中心、無人機(jī)配送站、物流終端（即無人機(jī)）三個(gè)重要環(huán)節(jié)。在配送過程中通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)上報(bào)，RTK高精度定位信息的下發(fā)，出于飛行安全和緊急情況處理考慮，物流無人機(jī)也需要具備視頻回傳實(shí)時(shí)操控能力，在必要的時(shí)候由人工接管。

無人機(jī)物流配送業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)如表4所示。

3? ?5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的新市場(chǎng)、新商機(jī)、

新價(jià)值

5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的逐步引入，為很多行業(yè)提供了極大的便利，以航拍的新型視覺角度給各行各業(yè)帶來更直觀更立體的實(shí)況展示，同時(shí)接入低空移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)管、航線的規(guī)范、效率的提升，促進(jìn)空域的合理利用，從而極大延展無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。例如新聞行業(yè)、電力巡檢行業(yè)等，利用無人機(jī)能夠避免工作人員在危險(xiǎn)的環(huán)境下工作，保障了從業(yè)者的人身安全。另外，無人機(jī)以其獨(dú)特的屬性，大幅提高了工作效率，伴隨著無人機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，給社會(huì)帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，在安防監(jiān)控、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，也不斷為社會(huì)提供高效且有價(jià)值的服務(wù)。

根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)預(yù)測(cè)，2020年消費(fèi)級(jí)無人機(jī)將達(dá)到1 600萬臺(tái)。基于新一代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)5G為網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)賦予的實(shí)時(shí)超高清圖傳、遠(yuǎn)程低時(shí)延控制、永遠(yuǎn)在線等重要能力，全球?qū)⑿纬梢粋€(gè)數(shù)以千萬計(jì)的無人機(jī)智能網(wǎng)絡(luò)，全面解鎖低空數(shù)字化，7×24小時(shí)不間斷地提供航拍、送貨、勘探、安防等各種各樣的個(gè)人及行業(yè)服務(wù)，構(gòu)成一個(gè)全新的、豐富多彩的“網(wǎng)聯(lián)天空”。

未來，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展需要無人機(jī)廠商、垂直領(lǐng)域企業(yè)、運(yùn)營(yíng)商及管制機(jī)構(gòu)各方的緊密合作，持續(xù)推進(jìn)5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景的研究與落地，探索創(chuàng)新的商業(yè)模式，共同構(gòu)建無人機(jī)健康有序的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

4? ?結(jié)束語

本文對(duì)典型的5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景以及帶來的行業(yè)新市場(chǎng)、新商機(jī)、新價(jià)值等進(jìn)行了分析，5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)是5G重要應(yīng)用場(chǎng)景之一，接入5G網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)具備遠(yuǎn)程控制、高清圖傳、精準(zhǔn)定位、狀態(tài)監(jiān)控、安全網(wǎng)絡(luò)等五大能力，極大豐富行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)的融合也將為無人機(jī)的應(yīng)用帶來更加廣闊的發(fā)展空間。

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