孫 一，吳 威，潘文蘋，趙 靜

（河南省信息咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450000）

1 5G低空網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求分析

2013年，全球民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約20億美元，之后的5年在消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的帶動(dòng)下，行業(yè)基本保持著每年35%以上的同比增速穩(wěn)步成長(zhǎng)。自2018年起，伴隨工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)應(yīng)用的興起，民用無(wú)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。預(yù)計(jì)到2025年，全球民用無(wú)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%。

預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)產(chǎn)值將達(dá)到1 800億人民幣，約占全球無(wú)人機(jī)市場(chǎng)份額的17.5%。工業(yè)級(jí)無(wú)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)繪以及物流將成為我國(guó)無(wú)人機(jī)行業(yè)應(yīng)用的主要場(chǎng)景[1]。

隨著民用無(wú)人機(jī)的快速發(fā)展，行業(yè)應(yīng)用對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈提出了越來(lái)越高的要求。5大低空無(wú)人機(jī)通信鏈路技術(shù)對(duì)比分析如表1所示。對(duì)比現(xiàn)有的5大低空無(wú)人機(jī)通信鏈路技術(shù)可以看出，基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。尤其是5G網(wǎng)絡(luò)采用的Massive MIMO技術(shù)，具有大帶寬、低時(shí)延、高可靠以及大連接的特點(diǎn)，將成為無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸鏈路新的解決方案[2]。

表1 5大低空無(wú)人機(jī)通信鏈路技術(shù)對(duì)比分析

2 5G低空網(wǎng)絡(luò)多方案鏈路預(yù)算分析

從行業(yè)實(shí)際應(yīng)用要求的角度出發(fā)，評(píng)估5G低空網(wǎng)絡(luò)對(duì)空組網(wǎng)的通用性能因素，計(jì)劃在某地建設(shè)5G低空應(yīng)用測(cè)試空域。其中，測(cè)試空域主要用于滿足5G行業(yè)應(yīng)用無(wú)人機(jī)、通航飛機(jī)以及直升機(jī)的測(cè)試場(chǎng)景模擬，計(jì)劃覆蓋高度100～1 000 m（間隔100 m），邊緣速率應(yīng)達(dá)到20 Mb/s。這樣可以模擬任何一種無(wú)人機(jī)和通航飛機(jī)行業(yè)應(yīng)用的實(shí)際場(chǎng)景，也為估算5G對(duì)空覆蓋的傳輸模型提供了條件。測(cè)試空域主要提供模擬巡線和物流應(yīng)用場(chǎng)景，計(jì)劃長(zhǎng)度50 km，高度3 000 m。由于主要用于物流無(wú)人機(jī)，因此對(duì)邊緣速率要求不高，1 Mb/s的邊緣速率已經(jīng)可以完全滿足要求。該測(cè)試空域除測(cè)試外，也計(jì)劃用于實(shí)際的無(wú)人機(jī)物流運(yùn)輸。

5G低空網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的流程包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需求分析、網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算、規(guī)模估算、站址選擇、覆蓋容量仿真以及無(wú)線參數(shù)規(guī)劃等步驟。其中，鏈路預(yù)算能夠獲得網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，評(píng)估無(wú)線通信系統(tǒng)的覆蓋能力，是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期的重要任務(wù)。鏈路預(yù)算的結(jié)果直接影響網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)性能，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)作用[3]。

5G低空網(wǎng)絡(luò)多方案鏈路預(yù)算通過(guò)對(duì)比Uma-NLOS以及Aster射線跟蹤模型，選取不同頻率和收發(fā)能力的設(shè)備進(jìn)行鏈路覆蓋能力分析，從而得到最適合5G低空覆蓋的空間模型。以64T64R為例的Uma-NLOS和Aster射線跟蹤模型如表2所示。

表2 Uma-NLOS和Aster射線跟蹤模型（以64T64R為例）

圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6分別為100 m、500 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m高度5G低空速率仿真結(jié)果，面區(qū)域95%覆蓋率對(duì)應(yīng)的邊緣速率如表3所示，線區(qū)域3 000 m高度上行速率仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。從輸出結(jié)果可以看出，5G低空覆蓋效果。

圖1 100 m高度仿真結(jié)果

圖2 500 m高度仿真結(jié)果

圖3 1 000 m高度仿真結(jié)果

圖4 1 000 m高度仿真結(jié)果

圖5 2 000 m高度仿真結(jié)果

圖6 3 000 m高度仿真結(jié)果

表3 面區(qū)域95%覆蓋率對(duì)應(yīng)的邊緣速率

表4 線區(qū)域3 000 m高度上行速率仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，無(wú)人機(jī)飛行高度在100～1 000 m，上行速率大于20 Mb/s的覆蓋率滿足95%。無(wú)人機(jī)飛行高度3 000 m，上行速率大于6 Mb/s的覆蓋率超過(guò)93%。

3 5G低空覆蓋快速部署方案

根據(jù)5G低空網(wǎng)絡(luò)多方案鏈路預(yù)算分析結(jié)果，結(jié)合某地現(xiàn)網(wǎng)4G基站分布情況，最終提出5G低空覆蓋選用3.5 GHz頻段64T64R 5G NR設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋部署。考慮到3.5 GHz頻段后續(xù)的eMBB網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來(lái)的鄰區(qū)干擾，額外預(yù)留2～3 dB的余量。實(shí)際覆蓋半徑按照5～6 km估算，站間距按照7.5～10 km估算。對(duì)于線狀覆蓋區(qū)域，可以考慮AAU背向?qū)Υ?；?duì)于面狀覆蓋區(qū)域，建議按照1站3扇區(qū)進(jìn)行站址規(guī)劃。研究結(jié)果應(yīng)用于某地5G低空網(wǎng)建設(shè)，建設(shè)站點(diǎn)如圖7所示，其中圓形圖標(biāo)為現(xiàn)網(wǎng)4G站點(diǎn)，三角形圖標(biāo)為選中5G低空覆蓋站點(diǎn)。

圖7 某地5G低空覆蓋建設(shè)站點(diǎn)示意圖

4 結(jié) 論

本文對(duì)比現(xiàn)有5大低空無(wú)人機(jī)通信鏈路技術(shù)，確定選用5G技術(shù)可以滿足無(wú)人機(jī)低空需求；對(duì)比Uma-NLOS和Aster射線跟蹤模型，選取不同頻率和不同收發(fā)能力設(shè)備進(jìn)行鏈路覆蓋能力計(jì)算，最終提出選用3.5 GHz頻段64T64R 5G NR設(shè)備用于5G低空網(wǎng)絡(luò)覆蓋。該研究結(jié)果應(yīng)用于某地5G低空網(wǎng)建設(shè)獲取了5G低空網(wǎng)絡(luò)無(wú)線空中傳輸模型，積累了5G低空網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了5G技術(shù)更好地應(yīng)用于無(wú)人機(jī)行業(yè)。