1.1 总体架构

基于高空平台的应急通信系统总体架构如图1所示，根据回传方式的不同，主要包括系留式和非系留式两种类型。

非系留式应急通信系统主要包括：高空平台、机载基站、回传终端、大网宏站和核心网等。在高空平台上搭载机载基站和回传终端，机载基站可实现应急通信网络的广覆盖，回传终端可及时将用户信息及数据回传到大网宏站；核心网主要实现接入管理、会话管理和用户数据管理与转发等功能。整个应急通信系统的数据传输流程为：用户终端首先接入机载基站，机载基站对数据进行处理，然后回传终端将处理后的数据传输到宏站以及核心网，最后经过核心网网元转发至互联网 [4] 。

系留式应急通信系统则通过专用的电源和电缆实现不间断的供电和数据传输的功能，可在一定载荷下在空中连续悬停，长时间远距离实现通信覆盖。系留应急通信系统具有体结构紧凑、体积小、机动性强、便于操作和续航时长的特点，也成为当前满足应急通信不同场景需求的首选方案。

1.2 高空平台

基于高空平台的应急通信系统对空中平台的特性有一定的要求，包括：支持快速灵活部署、续航时间长、安全系数高、运输便捷、载荷大、滞空稳定等。

目前进入使用阶段的高空平台包括热气球、氦气球和无人机等类型。系留式热气球成本较高(百万级)，升空高度至1 000 m时，覆盖范围可超过40 km。但热气球体积较大(约6 000 m 3 )，充放气时间较长，无法快速升空工作，滞空时间也相对较短(240 Mb/s，可以大幅提升高空平台应急系统的容量提供能力。

3.2 边缘计算技术

5G网络采用NFV和SDN技术进行网元功能的分解、抽象和重构。通过控制面和转发面的分离，使网络架构更加扁平化，转发面网关设备可以采用分布式按需的部署方式，通过多元化、多级的业务流向从根本上解决网络竖井化单一业务流向造成的传输和核心网负担过重的问题，如图2所示。针对回传受限的应急场景，将核心网的转发面网元在地面应急通信车内部部署，实现向网络边缘的最大可能下沉。通过业务向本地分流，可以有效降低机载基站回传链路的传输需求，达到节省卫星链路租赁造成的高额投资的目的。针对时延受限的应急场景，将核心网的转发面网元和业务平台在地面应急通信车内部部署的同时，并适时引入低时延高可靠技术（Ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）加以保障，将为应急现场远程控制类业务提供更低的时延。

3.3 网络切片技术

网络切片技术是5G网络的重要特性，该技术可实现将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端网络，如图3所示。每个虚拟网络之间（包括接入、传输和核心网）逻辑独立，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他的虚拟网络。在高空平台的应急通信系统中，可以根据公众通信业务、应急指挥通信业务和远程控制类业务等多种场景的需求，自主定义不同切片对应的网络特性，包括时延、速率、连接密度、频谱效率、流量容量和网络效率等，通过网络配置的灵活性保证用户的体验。

4

面向5G的系留式应急通信

4.1 系统架构

较之当前基于4G机载基站的系留式无人机系统，5G系留式应急通信系统的重点在于通过引入5G机载基站的同时，在地面应急通信车中进行边缘计算能力的部署，利用5G网络切片能力实现对大带宽低时延的应急通信业务的保障。基于5G的系留式无人机应急通信系统如图4所示。

该系统主要包括高空平台子系统、地面控制子系统、光电复合缆和通信终端等部分。

4.2 高空平台子系统

4.2.1 功能模块

高空子平台主要包含以下模块 [6-7] ：

(1)旋翼式无人机：为机载基站提供升空平台，结构尺寸要求紧凑，能够满足车辆或舰船的运输与装载要求。建议旋翼式无人机有效载荷不低于15 kg，最大起飞重量不低于40 kg，飞行高度不低于100 m。可以考虑六旋翼布局的升力系统设计方案替代四旋翼无人机。无人机采用碳纤维复合材料和铝合金材料的设计结构，可获得更好的负载和稳定性能。此外，通过选用散热性能好的高功率电机以及高升力系数的高原桨叶，可以保证更大高度下的安全飞行。

(2)光电传输系统：通过光电转换模块实现载荷数据在高空平台子系统和地面控制子系统之间的双向传输。

(3)电源系统：实现高空平台子系统和地面控制子系统之间的高低压直流电转换。

(4)飞控系统：支持自动或地面系统手动控制模式，实现飞行器向指定区域目标移动和悬停等功能。

(5)机载基站与天线：通过5G一体化微基站或5G AAU设备实现制定区域的5G信号覆盖和应急业务开展。

4.2.2 覆盖能力

无人机使用全向天线时，采用高空明区传播计算模型，如图5所示。

根据图5所示，地球曲面无线视距的传播距离可表示为：

式中，h t 为基站天线有效高度，单位为m；h r 为用户接收天线有效高度，单位为m；d为基站天线与用户之间的有效接收距离，单位为km。

其中，本文中的链路损耗模型为经典自由空间传播模型，其路径损耗模型计算公式可以表示为：

式中，f为无人机基站工作频率，单位为MHz。

无人机5G覆盖链路预算参数如表1所示。

系留式无人机在5G场景下用户接收功率和覆盖半径的关系如图6所示。由分析结果可知：采用3.5 GHz频点、4×20 W(4T4R)/20 MHz带宽的5G机载基站，当终端接收目标RSRP为-105 dBm时，升空高度为200 m的地面覆盖半径为2.8 km，覆盖面积达到25 km 2 以上。此外，通过使用2.1 GHz、800 MHz等更低的5G频段，将进一步提升系留式无人机有效覆盖范围。

4.3 地面控制子系统

4.3.1 功能模块

地面控制子系统主要包含以下模块：

(1)供电系统：使用发电机为全系统提供工作电源，可根据系统功耗选取发电机；

(2)电缆收放系统：随着无人机起飞和降落，通过直流变频电机驱动，将光电复合线缆释放或收起；

(3)无人机控制系统：通过地面应急通信车内显控终端的人机交互界面，对无人机控制设备进行实时操控；

(4)通信系统：用于通信业务的接入，视频、话音的通信调度管理，通信资源配置以及电源分配等。高空平台子系统中的5G一体化机载基站通过光电复合缆实现与5G核心网和业务平台的连接。

4.3.2 边缘计算能力部署

5G核心网通过控制面与用户面分离，用户面网元(User Plane Function，UPF)可以灵活地下沉部署到网络边缘，而策略控制(Policy Control Function，PCF)和会话管理(Session Management Function，SMF)等控制面功能可以集中部署。应急现场终端通过UPF实现路由转发相关的本地分流功能，5G UPF功能受5G核心网控制面的统一管理，其路由分流策略由5G核心网统一配置，如图7所示。

通过转发面网元UPF下沉至应急通信现场的方案进行部署，救援区域数据流量本地分流，通过边缘计算平台(Mobile Edge Platform，MEP)实现与本地部署的应急通信业务平台连接。该方式可以减少回传链路的时延。由于只是通过卫星链路传输速率较低的控制信令实现与外部网络进行互联互通，从而在减少卫星链路带宽需求的同时，为应急现场远程控制类业务提供更低的时延。

4.3.3 网络切片能力部署

针对应急资源优先保障场景中的3种业务应用，网络切片主要划分为服务公众通信业务、应急指挥通信业务和远程控制类业务3类。

(1)抢险救灾专业人员：保障救灾人员具备基本联网能力，保障接入成功率和接入用户数量，并保证一定的通话质量，其对网络性能要求如表2所示。

(2)公众通信业务：保障普通公众用户具备基本的联网通信能力和一定的接入成功率，其对网络性能要求如表3所示。

(3)远程控制类业务：重点实现无人机和挖掘机等远程控制业务的联网通信能力和低时延高可靠保障能力，其对网络性能要求如表4所示。

5G网络切片技术包括切片设计、部署使能、切片运行、闭环优化、运维、能力开放等。根据应用、场景需求等对网络资源进行管理编排，实现行业客户需求，按需定制虚拟网络，可以满足差异化的服务等级协议(Service Level Agreement，SLA)的服务质量需求(Quality of Service，QoS)，通过切片平台，为应急通信不同场景提供5G端到端的大带宽、低时延、高可靠的灵活定制化服务。

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结论

本文提出了基于5G的系留式无人机应急通信覆盖解决方案，该方案结合未来应急通信的发展需求，通过无人机机载5G一体化基站，结合边缘计算和网络切片等关键技术，满足应急通信中的大带宽和低时延等多种业务场景。

参考文献

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[2] 吴鹏，王黎阳.系留式多旋翼无人机在应急通信中的应用[J].中国信息化，2018(12)：60-61.

[3] 李威，李跃军.利用无人机搭建高空基站的研究[J].通讯世界，2017(9)：12-13.

[4] 袁雪琪，云翔，李娜.基于5G的固定翼无人机应急通信覆盖能力研究[J].电子技术应用，2020，46(2)：5-8，13.

[5] AKARSU A, GIRICI T. Resilient deployment of drone base stations[C].2019 International Symposium on Networks，Computers and Communications，2019：1-5.

[6] SELIM M Y, KAMAL A E. Post-disaster 4G/5G network rehabilitation using drones: solving battery and backhaul issues[C].2018 IEEE Globecom Workshops，2018：1-5.

[7] 刘磊，李景峰，王烁.系留式无人机载通信系统[J].通讯世界，2016(14): 53-54.

作者信息:

刘 蕾1，朱峥灏2，云 翔3，李 娜3返回搜狐，查看更多