5G 環(huán)境下無(wú)人機(jī)高清視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸組網(wǎng)方式研究*

鄭 杰，陳高亮，時(shí)海龍，余慶韶，楊曉旭，郭志彬

（河南浩宇空間數(shù)據(jù)科技有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

2019 年6 月6 日，工信部向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電正式頒發(fā)5G 牌照，中國(guó)正式進(jìn)入5G 商用元年，“信息視頻化、視頻超高清化”成為全球信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。從增長(zhǎng)和規(guī)模來(lái)看，到2022 年，超高清（或4K）的視頻點(diǎn)播IP 流量將占全球IP 視頻流量的22%，超高清占視頻點(diǎn)播IP 流量的百分比將高達(dá)35%。從技術(shù)演進(jìn)來(lái)看，視頻已經(jīng)從標(biāo)清、高清進(jìn)入4K，即將進(jìn)入8K、AR/VR 時(shí)代[1]。

無(wú)人駕駛航空器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）能夠?yàn)檎?、企業(yè)提供眾多領(lǐng)域的解決方案，廣泛應(yīng)用于農(nóng)林植保、電力/石油/天然氣管線巡查、水利工程管理、環(huán)保督查、礦產(chǎn)勘查、海洋水文監(jiān)測(cè)、市政管理、消防應(yīng)急、災(zāi)害評(píng)估、遙感測(cè)繪、治安反恐和消費(fèi)娛樂(lè)等領(lǐng)域[2]。第五代移動(dòng)通信技術(shù)為無(wú)人機(jī)賦予實(shí)時(shí)超高清圖傳能力，將催生無(wú)人機(jī)超高清視頻實(shí)時(shí)傳輸服務(wù)，顛覆4G 時(shí)代的思維方式和工作習(xí)慣，重塑行業(yè)流程和作業(yè)規(guī)范。

1 存在的問(wèn)題

在4G 通信條件下，無(wú)人機(jī)高清視頻實(shí)時(shí)傳輸組網(wǎng)受到無(wú)人機(jī)設(shè)備、圖傳電臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等諸多方面的限制，傳輸1 080 P 高清圖像會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、卡頓、數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，歸納為以下幾個(gè)主要問(wèn)題。

1.1 圖傳距離有限

目前，市面上常見(jiàn)的多旋翼無(wú)人機(jī)廠家提供的視頻傳輸鏈路采用的是傳統(tǒng)的圖傳電臺(tái)。無(wú)人機(jī)設(shè)備在沒(méi)有向無(wú)線電管理部門(mén)報(bào)備的情況下，受相關(guān)法律的約束不能使用大功率電臺(tái)。因此，理想情況下，大多數(shù)市售多旋翼無(wú)人機(jī)圖傳有效距離在2 km 內(nèi)。

1.2 圖像分辨率低

圖像分辨率受視頻采集設(shè)備、傳輸鏈路、展示平臺(tái)等多方因素限制。市售多旋翼無(wú)人機(jī)的視頻采集設(shè)備可以達(dá)到4K 或更高的圖像采集能力，但僅限于存儲(chǔ)在無(wú)人機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備里，若通過(guò)傳輸鏈路，圖像分辨率將會(huì)受到限制。

1.3 直播圖像延時(shí)卡頓嚴(yán)重

用4G 網(wǎng)絡(luò)作為通信鏈路，將多旋翼無(wú)人機(jī)采集的1 080 P 分辨率的視頻推流到播平臺(tái)上，實(shí)測(cè)效果會(huì)出現(xiàn)直播圖像延遲、圖像卡頓、花屏現(xiàn)象，導(dǎo)致直播視頻無(wú)法正常觀看。因此，此種方式不能作為視頻直播應(yīng)用。

1.4 多旋翼無(wú)人機(jī)供電和有效載荷受限

市售的多旋翼無(wú)人機(jī)設(shè)備，單組電池飛行時(shí)間在45 min 以?xún)?nèi)比較常見(jiàn)，原因是單純?cè)黾佣嘈頍o(wú)人機(jī)機(jī)載電池的數(shù)量或者單組電池功率并不能有效增加該無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間。

1.5 機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備受限

市售的多旋翼無(wú)人機(jī)，大都是通過(guò)自身的圖傳電臺(tái)傳輸視頻數(shù)據(jù)，且只有部分無(wú)人機(jī)設(shè)備開(kāi)放機(jī)載視頻接口。因此，目前的較優(yōu)選擇是采用多旋翼無(wú)人機(jī)廠家原配的圖傳電臺(tái)作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路傳輸視頻數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)比對(duì)，大多數(shù)多旋翼無(wú)人機(jī)廠家最高只支持1 080 P 的高清視頻數(shù)據(jù)傳輸。

1.6 傳輸鏈路帶寬受限

若視頻分辨率為1 920×1 080，幀率為50，那么每秒的數(shù)據(jù)量為103.68 Mb。按照H.265 格式編碼壓縮，實(shí)測(cè)大致為60 ～70 Mb/s 的帶寬可以滿(mǎn)足該制式的視頻傳輸?？梢?jiàn)，4G 條件下無(wú)法滿(mǎn)足1 080 P 高清視頻傳輸鏈路要求，更無(wú)法滿(mǎn)足4K、8K或更高的視頻傳輸要求。

綜上所述，4G 條件下無(wú)法滿(mǎn)足多旋翼無(wú)人機(jī)高清視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊?，只能?G eMBB[3]的場(chǎng)景里尋找合適的組網(wǎng)方案。

2 組網(wǎng)方案研究

無(wú)人機(jī)高清視頻數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)由無(wú)人機(jī)視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無(wú)人機(jī)圖傳電臺(tái)、無(wú)人機(jī)地面站、5G CPE、5G 基站以及骨干通信網(wǎng)絡(luò)6 個(gè)主要環(huán)節(jié)組成。其中，影響傳輸效果的關(guān)鍵是無(wú)人機(jī)圖傳電臺(tái)、無(wú)人機(jī)地面站、5G CPE 之間的傳輸效率。通過(guò)組網(wǎng)方案的對(duì)比測(cè)試，需選擇高清視頻傳輸效果好的組網(wǎng)方案。

2.1 組網(wǎng)方案對(duì)比

組網(wǎng)方案一：利用自組無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的圖傳電臺(tái)，高清視頻信號(hào)傳回地面站。地面站有網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)雙絞線鏈接5G CPE，再用5G CPE 接入5G 基站，通過(guò)骨干通信網(wǎng)傳回終端。圖傳電臺(tái)要選擇滿(mǎn)足高清視頻傳輸帶寬和傳輸距離的要求。

測(cè)試結(jié)果：通信設(shè)備拉距500 m 左右開(kāi)始出現(xiàn)視頻信號(hào)卡頓，延遲在5 s 左右；800 m 左右信號(hào)中斷；返回到650 m 處開(kāi)始有信號(hào)，500 m 處信號(hào)恢復(fù)。

組網(wǎng)方案二：采用具備網(wǎng)絡(luò)接口視頻輸出的4K 高清攝像設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口（RJ45）接到5G CPE 設(shè)備。無(wú)人機(jī)搭載CPE 設(shè)備，在空中實(shí)現(xiàn)5G信息鏈路的鏈接，將機(jī)載4K 視頻數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)?G 基站。通過(guò)5G 基站利用骨干通信網(wǎng)傳輸?shù)浇K端，實(shí)現(xiàn)4K高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸。組網(wǎng)方案如圖1所示。

圖1 組網(wǎng)方案

方案優(yōu)勢(shì)：（1）不受圖傳電臺(tái)的限制，只要有5G 信號(hào)就可以傳輸數(shù)據(jù)；（2）高清視頻傳輸距離僅受限于5G 基站的信號(hào)覆蓋能力，實(shí)測(cè)可以達(dá)到1 000 m，可以在多個(gè)5G 基站之間切換，實(shí)現(xiàn)高清視頻的流暢傳輸；（3）平均延時(shí)低于方案一，較少了中間傳輸設(shè)備和環(huán)節(jié)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試表

測(cè)試結(jié)論：經(jīng)過(guò)方案的優(yōu)化和設(shè)備選型，在現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備條件下，利用方案二組網(wǎng)是可行的方法。

2.2 硬件設(shè)備選擇

多旋翼無(wú)人機(jī)選擇有效載荷在2 000 g 的設(shè)備，其中需要搭載的5G CPE 設(shè)備約700 g，3 000 mAh 12 V 鋰電電池約300 g，4K 攝像機(jī)和云臺(tái)約800 g。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，1 080 P 高清視頻傳輸延時(shí)在1 s 左右，不影響正常使用，畫(huà)面流暢無(wú)卡頓。4K超高清視頻傳輸延時(shí)在2 s 以?xún)?nèi)，基本不影響正常使用，畫(huà)面流暢無(wú)卡頓。同城傳輸測(cè)試圖像傳輸質(zhì)量穩(wěn)定。多旋翼無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間在20 min 左右。這個(gè)組網(wǎng)方案基本可以滿(mǎn)足常規(guī)作業(yè)任務(wù)。目前，該方案已經(jīng)在河南省多地環(huán)保巡查工作中使用。

4 仍需解決的問(wèn)題

4.1 多旋翼無(wú)人機(jī)載荷較重，飛行時(shí)間短

由于無(wú)人機(jī)搭載的設(shè)備接近2 000 g，無(wú)人機(jī)操控難度增加，安全性能隨之降低，飛行時(shí)間短。因此，建議減輕無(wú)人機(jī)的載荷，降低故障風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。

4.2 多旋翼無(wú)人機(jī)掛載設(shè)備多，容易出故障

該方案存在鏈接故障的隱患較多，尤其是飛行準(zhǔn)備階段，工作較為繁瑣。設(shè)備多、接線口多在空中出現(xiàn)問(wèn)題的幾率相應(yīng)增大，因此建議減少無(wú)人機(jī)掛載設(shè)備，小型化集約化相關(guān)設(shè)備。

4.3 需要兩個(gè)人同時(shí)操控

由于無(wú)人機(jī)和攝像機(jī)是兩個(gè)獨(dú)立的控制單元，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要兩個(gè)操作手，一人負(fù)責(zé)操作無(wú)人機(jī)，另一人負(fù)責(zé)操作攝像頭。因此，建議改進(jìn)飛控，使得地面站可以同時(shí)操控?zé)o人機(jī)和攝像頭。

4.4 飛行前準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，不夠靈活

飛行前需要往無(wú)人機(jī)上搭載設(shè)備，組裝需要時(shí)間，還要多次檢查以避免出現(xiàn)飛行事故，所以準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。執(zhí)行任務(wù)時(shí)的靈活度不夠，轉(zhuǎn)場(chǎng)飛行效率偏低。因此，建議在可能的情況下減少無(wú)人機(jī)載荷。

4.5 5G 信號(hào)的空中分布仍需研究

5G RAN側(cè)組網(wǎng)方式可總體上分為獨(dú)立部署（SA，Stand alone）和非獨(dú)立部署（NSA，non-Stand-alone）兩種[4]。NSA 組網(wǎng)方式并沒(méi)有完全脫離4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 信號(hào)的自干擾現(xiàn)象仍需優(yōu)化。5G 信號(hào)在空中尤其是在50 m 以上空間的分布情況以及信號(hào)強(qiáng)度情況都需要進(jìn)一步的研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際組網(wǎng)測(cè)試，在現(xiàn)有技術(shù)條件下可以實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)超高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸，基本滿(mǎn)足高清視頻無(wú)人機(jī)直播的應(yīng)用需求。超高清視頻直播對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求較高，不僅分辨率要達(dá)到4K 甚至8K，幀率要求50 幀/秒以上，圖像量化精度提升到10 bit，同時(shí)圖像增加HDR 標(biāo)準(zhǔn)[5]。作為中國(guó)移動(dòng)5G 聯(lián)合創(chuàng)新中心（河南）開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司（鄭州）5G+AI+UAV 聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室成員單位，筆者將進(jìn)一步致力于無(wú)人機(jī)5G 超高清數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的研發(fā)。