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5G+無人機的低空數字化發展與應用

2019-11-07 11:11:17 移動通信 2019年9期

李昶 程錦霞 楊光 于江

【摘? 要】5G可以充分賦能無人機,延展其在各行各業的立體豐富應用。首先概述無人機產業發展現狀和面臨的挑戰,其次探討5G關鍵技術及能力對無人機發展的影響,并針對安防、巡檢、植保、物流等典型5G網聯無人機應用場景以及帶來的行業新市場、新商機、新價值進行簡要分析。

【關鍵詞】5G+無人機;低空數字化;mMIMO;MEC;網絡切片

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

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2019)09-0047-06

引用格式:李昶,程錦霞,楊光,等. 5G+無人機的低空數字化發展與應用[J]. 移動通信, 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? ?無人機行業發展現狀及挑戰

1.1? 無人機產業概況及市場規模

無人機(UAV, Unmanned Aerial Vehicle)發展至今已有百年歷史。早在1917年,無人機首次試飛成功,在此之后無人機便主要應用軍用領域。到20世紀90年代,無人機開始向民用滲透。到2006年,以大疆無人機公司成立為代表,大量民企進入無人機行業,無人機行業進入快速成長期。2016年起,無人機廠商紛紛瞄準行業應用,進駐前景廣闊的工業級無人機市場[1-2]。

無人機產業鏈非常豐富,如圖1所示,從產業類型來講,主要分為硬件制造、應用服務、保障輔助三大板塊。硬件制造主要是從事無人機研發生產環節的制造型企業,包括技術方案、機體制造、控制系統等領域,目前產業相對成熟,占據無人機市場收入的絕對份額;應用服務主要是以無人機為載體提供如安防監控、電力巡檢、農林植保、物流配送等類型的服務,是無人機產業鏈的新興環節,特別在工業級無人機領域,隨著場景逐漸豐富,未來市場潛力將遠超單純的硬件制造;保障輔助主要是對無人機銷售、使用提供輔助保障的管理支撐型企業,包括無人機使用培訓及維修、空域監管、物聯網運營、大數據處理等。

如圖2所示,2013年,全球民用無人機市場規模約20億美元,在此之后的5年里,在消費級無人機帶動下,行業基本保持著每年35%以上的同比增速穩定成長(數據來源:中國產業信息網)。自2018年起,伴隨工業級無人機應用的興起,民用無人機市場進入爆發式增長期,在2020年前后增速達到頂峰。到2025年,全球民用無人機市場規模將達到1 475億美元,年均復合增長率達43%。

如圖3所示,我國無人機市場的成長明顯更加快速,在全球市場的份額占比逐年提升,預計到2025年,我國民用無人機市場產值將達到1 800億人民幣,約占全球無人機市場份額的17.5%。工業級無人機行業應用服務將占據市場的絕對份額,市場規模達1 500億元人民幣,其中農林植保、安防巡檢、測繪和物流將成為我國無人機行業應用的主要場景(數據來源:綜合艾瑞等咨詢公司對無人機硬件市場的規模預測,根據行業各環節占比對服務市場規模進行預測)。

1.2? 無人機產業發展面臨的挑戰

隨著無人機市場規模持續快速增長、應用范圍持續拓展,現有無人機點對點通信解決方案帶來的飛行距離短、信號不穩定等局限性逐漸凸顯,同時無人機“黑飛”“擾航”“炸機”事件層出不窮,暴露出安全、監管體系不夠健全的問題,主要原因包括:一是安全監管手段滯后,尚未形成民用無人機可識別、可監控、可追溯的技術管控體系;二是行業法規標準體系不完善,現行法律中還沒有針對“低慢小”飛行器尤其是無人機的專門法律;三是技術儲備不足,系統集成、自主飛行、智能避障、高精定位能力參差不齊,續航能力、安全性能有待提升;四是標準和檢測認證體系不健全[3]。

針對上述挑戰,各國紛紛出臺無人機管控政策,強調創新驅動、安全管控,同時加快推動無人機網聯化發展,滿足監管及行業應用的需求,鼓勵無人機產業持續快速發展。

2? ?基于5G網絡的無人機發展與應用

2.1? 基于5G關鍵技術與能力的網聯無人機

無人機從軍用開始擴展到民用,無人機的用途非常廣泛,成本相對較低,使用方便,而且不存在人員傷亡的風險。目前5G作為新一代移動通信技術,以全新的網絡架構,提供10 Gbit/s以上的帶寬、毫秒級時延、超高密度連接,實現網絡性能新的躍升,將加速無人機網聯化進程。一方面,5G提供高可靠、低時延、廣覆蓋的數據鏈系統,可助力形成民用無人機可識別、可監控、可追溯的技術管控體系,實現無人機一機一碼的實名認證,實時聯網接入無人機云系統,實現無人機飛行動態的實時監控,有助于解決當前面臨的監管、安全、控制等關鍵性難題。另一方面,5G網絡的大帶寬、低時延、高可靠等特點能夠有效滿足行業無人機對高清圖傳、精準定位、遠程實時控制等需求,加速無人機在各行業領域的普及和應用。

如圖4所示,5G網聯無人機的無人機終端和地面控制終端均通過5G網絡進行數據傳輸和控制指令傳輸,并通過業務服務器加載各類場景的應用。其中5G網絡提供了從無線網到核心網的整體網絡解決方案,以各種復雜應用場景的網絡實現。

5G網絡將提供增強移動寬帶(eMBB, enhanced Mobile Broadband)、高可靠低時延(uRLLC, ultra Reliable Low Latency Communications)能力,全面提升速率、時延、覆蓋等網絡性能指標。此外,通過引入大規模天線(mMIMO)、網絡切片、移動邊緣計算(MEC)等多項關鍵技術,將為無人機的覆蓋和移動性增強、端到端業務質量保障、高效識別和管控等需求提供新的技術保障,從而全面保障智能化的網聯無人機應用[4-5]。

(1)mMIMO技術

mMIMO作為5G關鍵技術,通過在基站側采用大量天線來提升數據速率和鏈路可靠性。mMIMO的典型應用場景一般是熱點地區、高樓或者需要深度覆蓋的區域,對于無人機通信而言,通過mMIMO垂直面和水平面的波束賦形,信號可以在水平和垂直方向進行動態調整,形成精準的窄波束進行發送和接收,因此能量能夠更加準確地集中指向無人機。對于下行鏈路,精準的窄波束一方面提高了無人機的覆蓋,另一方面也減少了小區內或者小區間的干擾。對于上行鏈路,既可以是基站側形成接收波束,也可以是用戶側形成發送波束,從而既可以實現無人機上行大容量高清視頻的傳輸,也可以減少無人機對地面終端的干擾[6]。

(2)移動邊緣計算

圖5為5G邊緣計算解決方案,5G移動邊緣計算兼顧時延和計算能力等需求,分場景靈活選擇MEC的部署位置。接入機房適用于部署定位、AR/VR等極高實時性業務,以及企業網等內容本地化高隔離業務;普通匯聚機房適用于部署監控視頻分析等高傳輸帶寬節省業務、云游戲等較高實時性業務及園區網等內容本地化高隔離業務;重要匯聚機房適用于部署mCDN等高計算/存儲業務及天線權值優化等區域協同業務[7]。

(3)網絡切片

5G端到端網絡切片將網絡資源靈活分配,網絡能力按需組合,基于一個5G網絡虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網。5G提供定制化端到端網絡切片服務,滿足不同行業的特殊需求。每個端到端切片均由核心網、無線網、傳輸網子切片組成,通過端到端切片管理系統進行統一管理,具備定制性、隔離/專用性、分級SLA保障以及可基于統一平臺靈活構建、自動化運維等特征。此外,每個切片(例如分級分類的無人機)配置不同等級的安全保護,為無人機行業客戶(如:公安、交警、電力公司)提供差異化、可定制的安全套餐并進行實時監測,及時調整資源配置,有效防止外部攻擊,提升業務端到端安全性[8]。

2.2? 5G網聯無人機的創新行業應用

5G網聯無人機具備遠程控制、高清圖傳、精準定位、狀態監控、安全網絡等五大能力,極大豐富行業應用場景。根據當前無人機主要應用領域及未來市值預測分析,本文選取安防監控、基礎設施巡檢、農業植保、物流配送等4類典型無人機行業應用進行簡要分析。

公共安防監控市場需求十分巨大。根據預測,美國公共安全領域的無人機約占商業無人機總量的10%,預計到2020年約為51億元(數據來源:國際無人機系統協會)。按照中美未來公共安全支出比例估算,保守預計2020年國內公共安全市場空間約70億元(數據來源:《中國安防》)。相對于目前地面固定攝像頭和地面移動的車載、單兵等安防監控方案,無人機具有移動性強、多角度全視角監控、操作靈活等突出優點[9]。在安防監控場景中,無人機需要具有優良的飛行穩定性、較快的反應能力以及不間斷地進行現場的實時跟蹤,同時實時回傳高清視頻用于人眼或AI的分析識別。

無人機安防監控業務網絡指標如表1所示。

基礎設施巡檢是指對輸電線路、輸油管道、基站塔臺等基礎設施的巡視檢查或狀態監測。由于以上基礎設施大部分部署在郊區、野外等自然環境較為惡劣的地區,所處地形復雜多變,傳統的人工巡檢方案受環境及天氣等影響,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險。無人機以成本低、靈活性強、安全性高、受自然環境及地形影響較小、視角更優等特點,越來越廣泛地應用于基礎設施巡檢領域[10]。在基礎設施巡檢作業中,需要無人機實現安全智能遙控、高效數據采集、實時視頻傳輸、飛行狀態監控以及網絡定位等功能。

無人機基礎設施巡檢業務網絡指標如表2所示。

植保機械化是實現農業種植機械化、現代化的關鍵一環。農林植保是目前無人機重要的行業應用之一,主要包括噴灑農藥種子、巡邏監視、病蟲監察等應用。與傳統植保方式相比,無人機具有作業精準、高效環保、智能化、易操作等特點,在現代農業領域發揮著越來越重要的作用,正在成為現代精準農業的尖兵[11]。植保無人機由植保隊操作,飛行狀態數據實時通過蜂窩網絡上報云端用于計費和管理,高精度定位信息通過短距通信或蜂窩網絡下發給無人機,同時完成勘察作業高清視頻的實時回傳。

無人機農林植保業務網絡指標如表3所示。

物流配送是極具潛力的無人機應用領域之一。2017年全球智慧物流峰會數據顯示,2016年智慧物流市場規模達到2 000億元,到2025年將超過10 000億元。采用無人機進行物流配送,可以節約時間、降低成本、節省人力,同時可以擺脫地形限制,應對極端條件,大大提升配送效率,提高用戶體驗,成為智慧物流中重要一環[12]。實現無人機物流配送包括運營調度中心、無人機配送站、物流終端(即無人機)三個重要環節。在配送過程中通過5G網絡實現飛行狀態上報,RTK高精度定位信息的下發,出于飛行安全和緊急情況處理考慮,物流無人機也需要具備視頻回傳實時操控能力,在必要的時候由人工接管。

無人機物流配送業務網絡指標如表4所示。

3? ?5G網聯無人機的新市場、新商機、

新價值

5G網聯無人機的逐步引入,為很多行業提供了極大的便利,以航拍的新型視覺角度給各行各業帶來更直觀更立體的實況展示,同時接入低空移動通信網絡的網聯無人機,可以實現設備的監管、航線的規范、效率的提升,促進空域的合理利用,從而極大延展無人機的應用領域,產生巨大經濟價值。例如新聞行業、電力巡檢行業等,利用無人機能夠避免工作人員在危險的環境下工作,保障了從業者的人身安全。另外,無人機以其獨特的屬性,大幅提高了工作效率,伴隨著無人機行業的不斷發展,給社會帶來了很好的經濟效益的同時,在安防監控、應急救災等領域的應用拓展,也不斷為社會提供高效且有價值的服務。

根據中國產業信息網預測,2020年消費級無人機將達到1 600萬臺。基于新一代蜂窩移動通信網絡5G為網聯無人機賦予的實時超高清圖傳、遠程低時延控制、永遠在線等重要能力,全球將形成一個數以千萬計的無人機智能網絡,全面解鎖低空數字化,7×24小時不間斷地提供航拍、送貨、勘探、安防等各種各樣的個人及行業服務,構成一個全新的、豐富多彩的“網聯天空”。

未來,無人機產業的繁榮發展需要無人機廠商、垂直領域企業、運營商及管制機構各方的緊密合作,持續推進5G網聯無人機應用場景的研究與落地,探索創新的商業模式,共同構建無人機健康有序的產業生態。

4? ?結束語

本文對典型的5G網聯無人機應用場景以及帶來的行業新市場、新商機、新價值等進行了分析,5G網聯無人機是5G重要應用場景之一,接入5G網絡的無人機具備遠程控制、高清圖傳、精準定位、狀態監控、安全網絡等五大能力,極大豐富行業應用場景。同時,5G網聯無人機與人工智能、大數據、云計算等新興技術的融合也將為無人機的應用帶來更加廣闊的發展空間。

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