【導讀】8月九寨溝地震，無人機高空基站再一次被用于四川移動，在光纜損毀、基站中斷的九寨溝景區(qū)荷葉寨緊急升空投入使用，迅速打通了方圓30多平方公里受災區(qū)域的移動通信信號，支持指揮調(diào)度。
今年7月，湖南地區(qū)遭受嚴重的暴雨侵襲，多地出現(xiàn)通信基站中斷、受損的情況。為保障緊急通訊要求，湖南移動緊急調(diào)度了一套無人機高空基站系統(tǒng)，這是無人機高空基站第一次在國內(nèi)投入實戰(zhàn)，之前的常用方案是應急通訊車，僅為2G，最大服務范圍5公里，且信號不穩(wěn)定。
8月，無人機高空基站再一次被用于四川移動，在光纜損毀、基站中斷的九寨溝景區(qū)荷葉寨緊急升空投入使用，迅速打通了方圓30多平方公里受災區(qū)域的移動通信信號，支持指揮調(diào)度。
本文是我們推薦來自中國電子科技集團的論文——系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)在應急救災通信中的應用，結(jié)合市場觀察，盤點基于無人機的通訊基站發(fā)展現(xiàn)狀。
如火如荼的高空基站建設
天線高度是影響無線通信覆蓋范圍的主要因素之將天線 升高可以減小地形對電波傳播的影響，甚至可以將超視距通信改變?yōu)橐暰嗤ㄐ?，顯著改善通信鏈路質(zhì)量 。利用無人機搭載通信載荷升空來改善受地形、地物和地球曲率影響導致的通信問題在國內(nèi)外已逐漸成為研究和應用的熱點 。
無人機中繼通信很早就起步了，受限于無人機的飛行搭載能力 、滯空時間等因素 ，無人機中繼通信主要選用大中型固定翼無人機 和無人直升機作為通信平臺。
Loon項目實現(xiàn)高空通訊的原理示意
知名的空中網(wǎng)絡基站項目主要包括谷歌的Loon（潛鳥計劃，將中繼器通過熱氣球上升至平流層，續(xù)航100天~180天）和臉書的Aquila（天鷹計劃，利用無人機進行激光通信，續(xù)航90天）；以及近地衛(wèi)星通信解決方案，來自SpaceX、OneWeb等。此類空中基站的目的多是為了實現(xiàn)廣域的信號覆蓋，解決偏遠地區(qū)缺乏基建的問題，以此擴張網(wǎng)絡服務受眾。
谷歌Loon：天馬行空的氦氣球群
Loon可以說是一個非常簡單粗暴的項目，起初，項目開發(fā)人員將路由器（信號中繼設備）掛在氣象氣球上，讓它飛到10公里高，然后再看看有沒有信號。
經(jīng)過不斷的演進，氦氣球有了可充封結(jié)構(gòu)，和模塊化的鋁制負載，以及太陽能電池、燃料電池和一些電子元件，使其能夠在溫差變化、高強紫外輻射的條件下保持長時間飛行，并利用算法指揮動力、熱力系統(tǒng)，改變氣球位置進而調(diào)節(jié)氣球群的布居。據(jù)悉，Loon項目已經(jīng)在新西蘭、斯里蘭卡、澳大利亞、印尼等地進行飛行試驗。
臉書Aquila：波音737那么大的展翼
2014年，臉書收購英國航空公司Ascenta，為無人機制造以及激光通信做足準備工作。隨后，扎克伯格宣布天鷹計劃，即以無人機為載體，利用激光通信，實現(xiàn)全球三分之二的無線覆蓋率。
據(jù)悉，Aquila計劃由氦氣球提升至氣候環(huán)境穩(wěn)定的平流層，白天飛行于9萬英尺，規(guī)避商業(yè)飛機航線，吸收和貯存太陽能，晚上則飛行于6萬英尺，目標續(xù)航時間為一次90天。Aquila將沿著半徑約為3公里的圓形空中區(qū)域飛行，F(xiàn)acebook加州實驗室工程師希望它的激光信號能覆蓋半徑約50公里的地面區(qū)域。
根據(jù)最近媒體披露的Aquila第二次試飛：高度從第一次的655米上升到了約914米，時間上延長了10分鐘，達1小時46分鐘。
低軌道衛(wèi)星群方面，去年11月，SpaceX向FCC請求，利用可重復使用的獵鷹9號火箭發(fā)射4425顆衛(wèi)星為全球提供高速互聯(lián)網(wǎng)，但由于計劃的衛(wèi)星數(shù)過多FCC便是方案仍需審查。相反，初創(chuàng)公司OneWeb獲得了高通、維珍、軟銀的支持，計劃到2019年發(fā)射720顆低軌道衛(wèi)星，并被FCC允許進入美國市場。
以上通信平臺在實際推廣中往往有些困難，主要因為：
- 載荷能力較強 ，飛行高度高 、距離遠 ，滯空工作時間相對較長
- 體積大、地面保障系統(tǒng)復雜 、維護保養(yǎng)復雜 、維護成本高 、訓練保障要求高 ；
- 發(fā)射回收條件要求高 ，需要專門的起降場地；
- 靈活性不足從而導致整體滯空時間短；
- 需協(xié)調(diào)飛行空域 。
系留式無人機：全天候超靈活
從需求來看，國內(nèi)基站建設相對比較完善，但由于幅員遼闊，地理、氣候條件復雜，是全球遭受自然災害最嚴重的國家之一。自然災害導致的光纖、基站受損可使通訊中斷，影響救災組織、指揮調(diào)度、人員搜救、次生災害預防等進程。
應急衛(wèi)星通信系統(tǒng)（國際海事衛(wèi)星）因搶險現(xiàn)場的搶險單位和人員通信過多而負荷過重不能保證實時通信；北斗衛(wèi)星系統(tǒng)現(xiàn)階段還只能提供通信簡i吾服務。 許多搶險隊伍因無搶險應急通信系統(tǒng)支持 ， 使得搶險現(xiàn)場的信息不能實時送至搶險現(xiàn)場指揮部和后方應急中心。 搶險隊伍在進入災區(qū)核心區(qū)域和進入后的工作過程中， 與搶險現(xiàn)場指揮部和后方應急中心基本處于通信失聯(lián)狀態(tài)。
常見的應急通信系統(tǒng)是應急通信車，但當遭遇道路損毀、塌方使其局限了其使用。再加上近兩三年 ，隨著直流無刷電機 、高能鋰聚合物 、多旋翼協(xié)同控制等關鍵技術的突破 ，微小型多旋翼無人機日漸成熟。于是，便攜式通訊基站，也即是基于系留式無人機實現(xiàn)的空中應急基站成為一種重要的解決方案。
一般的多旋翼無人機僅能飛行30分鐘至1個小時 ，系留多旋翼無人機可以實現(xiàn)連續(xù)不間斷飛行 。與此同時，由于天線高度可隨無人機飛行高度升高，覆蓋角度可隨無人機旋轉(zhuǎn)方向調(diào)整，能更加有效地實現(xiàn)大面積信號覆蓋。
2009年，德國研究人員們初步測試了可提供Wi-Fi網(wǎng)絡信號的無人機。美國運營商AT&T（Flying COW）、Verizon和高通均已測試過基于無人機的機載LTE網(wǎng)絡基站，此外還有日本電信運營商KDDI的雄蜂基站、英國EE的LIVE。
最近，北德克薩斯大學的無人機基站也進行了野外實地測試，據(jù)稱將系統(tǒng)傳輸功率上調(diào)到10W時，覆蓋范圍可以拓展到整個丹頓市。
系留式無人機應急通信高空基站具備三大特點：
1、續(xù)航時間長：采用光電復合纜，為無人機和RRU供電，續(xù)航時間可達8小時，較傳統(tǒng)無人機基站續(xù)航時間提升31倍。
2、靈活性強：由小型越野車搭載無人機通信系統(tǒng)，可快速到達通信中斷現(xiàn)場，滿足保障需求。
3、可擴展性強：根據(jù)應急通信的不同場景，可靈活配置全向或定向天線，選擇分組化微波或無線環(huán)網(wǎng)傳輸設備，安裝模塊化、飛控半自動化，普通人員短期培訓即可上崗。
除了應自然災害下的應急通訊通道需求，系留式無人機還被應用于監(jiān)視和偵察，如CTTSO出資支持的美國航空環(huán)境公司（AeroVironment）的無人機系統(tǒng)Tether Eye，以色列用于邊界監(jiān)視、新聞采訪的小型無人機產(chǎn)品HoverLite，CyPhy公司與美軍合作的全景攝像袖珍系留無人機Pocket Flyer……
國內(nèi)方案：華為+移動+創(chuàng)企
國內(nèi)系留式無人機的發(fā)展主力目前是中國移動，相關應用已經(jīng)出現(xiàn)在洪澇、臺風、塌方、地震等災害中，并在邊界巡視、基地安全、景區(qū)監(jiān)測、地質(zhì)勘測、野外作業(yè)、森林防火、應急通信、公安反恐、交通監(jiān)管、新聞采訪、工程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、影視拍攝、科學研究、國防軍工等領域有一些前景。
中國移動的系留式無人機背后還有華為（提供4G基站）和一家創(chuàng)企（卓翼智能科技有限公司）的影子。與兩位大佬合作的這家創(chuàng)企，團隊來自北航、清華、浙大等高校，有多名北航的教授、副教授擔任公司技術顧問，據(jù)稱已經(jīng)獲投數(shù)千萬元。
有報道顯示，借助該高空基站迅速建立的應急通信系統(tǒng)，無人機可為方圓5平方公里區(qū)域持續(xù)提供8小時的穩(wěn)定信號（一說駐空高度800米時，覆蓋可達20公里），站點部署可在2小時內(nèi)完成（但本次地震中基站團隊10日下午到達九寨溝，11日上午完成站點開通。實際運用中還有很多具體問題需要解決），平均下載速率為36.4Mbps，上傳速率為5.47Mbps，平均語音MOS值為3.4，可同時為近千個手機用戶提供即時通信服務，保障救援工作順利進行。
諾基亞F-Cell：無線也能行
除了系留式無人機，諾基亞貝爾實驗室還提出了F-Cell，集成太陽能電池模塊的無人機基站，以無線的方式實現(xiàn)自我供電、自我配置以及自動連接到網(wǎng)絡，并在聯(lián)網(wǎng)后立即開始傳輸高清視頻。由于其靈活性（無線）、大容量、低延時和可擴展性，F(xiàn)-Cell將可以持續(xù)解決運營商及企業(yè)在小型基站與回傳布線、部署及成本等方面面臨的難題，還被寄望于更為日常的未來廣域網(wǎng)（5G、4G及LTE 4.5）建設。
據(jù)悉，F(xiàn)-Cell架構(gòu)包含位于中心位置的閉環(huán)64天線大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將8個波束分發(fā)到8個自供能的（太陽能供電）F-Cell。架構(gòu)支持頻分雙工（FDD）或時分雙工（TDD）模式的非視距無線網(wǎng)絡，以及多達8個獨立的20MHz信道的并行運行模式，能夠在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡上實現(xiàn)1Gbps的系統(tǒng)吞吐率。未來，該架構(gòu)將通過擴展，利用更高的頻譜帶寬、新的頻段及更大規(guī)模的天線陣列，實現(xiàn)數(shù)十Gbps的系統(tǒng)吞吐率。
無人機基站有望成為一種靈活的、續(xù)航可靠的通信基站，特別是作為臺風、塌方、地震自然災害、極端條件下的應急方案，系留式無人機基站技術已經(jīng)成熟，并已有成功的案例；而貝爾實驗室提供的無線小型基站方案則具備更為強大的實用性，不管是在應急方案中解決地面環(huán)境不適宜車載系統(tǒng)進入的問題，還是在未來的通訊部署方面。
（來源：中國電子科技集團）
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