5G和卫星系统应用中无人机的指挥控制、导航和监视

无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）有望成为5G或超5G（B5G）通信的重要组成部分，应用于各类场景中，包括消费娱乐飞行、各种军事需求、农作物监测、铁路巡检等等。在通过地面基础设施以及卫星系统实现通信的情境中，未来将更加广泛的应用无人机。

图1 地面、空中和太空段中无人机通信

指挥控制（command&control, C2）或控制和非有效有效载荷通信（Control and Non Payload Communications, CNPC）链路能够为处于地基视距环境和超视距卫星通信链路环境下的无人机控制提供安全关键信息。非有效载荷通信链路专用于远程飞行员地面控制站和飞机之间的安全可靠通信，可以是视距空-地链路，也可以是超视距链路，功能与不同类型的信息有关，数据速率预计适中，需极高可靠性。而有效载荷通信链路通常用于数据应用，并且通常需要高吞吐量，类型取决于应用类型。

控制和非有效载荷通信第一阶段的频段为L波段和C波段。对于第二阶段中定义的未来控制和非有效载荷通信，即超视距控制和非有效载荷通信，解决全球某些地方建立无人机到地面站连接十分困难的情况，将会考虑使用L、C、Ku或Ka波段卫星通信，同时考虑连网地面和C波段地面通信。由于同步和中地球轨道的传播延迟较长，在5G中低地球轨道（LEO）引发更多关注，未来的低轨卫星，向地面用户提供数据链路，甚至用作传输骨干。未来无人机可能机载5G中继节点通过一个低轨卫星与地面站（GES）中的施主节点B相连。

图2 使用5G中继节点概念的超视距CNPC链路

未来，使用移动基站是无人机系统的一大优势，因为这些基站能够移动，可按需向客户提供服务。无人机系统的协作数据交换和中继可能成为路边单元（RSU）和车辆之间连接时间有限的通信链路的有效解决方案。无人机的快速机动以及天线方向的改变可能引发强衰落。因此，可能需要修改物理层设计，比如将正交频分复用（OFDM）修改为滤波器组多载波（FBMC）、正交chirp扩频（OCSS），或者其他调制技术。链路两端的MIMO系统广泛应用于蜂窝和WLAN中，毫米波系统带宽极大，但传播路径损耗极高，波束形成训练的时间约束比静态地面毫米波通信更为严格，而能够看到整个街道或升至障碍物上方的建成区域，无人机系统毫米波链路的可靠性就优于地面链路。在毫米波无人机网络中，使用空分多址（SDMA）或波束分多址（BDMA）可能有利甚至是必需的，但在无人机蜂窝中，由于无人机和地面用户的移动性，用户分组并不固定。

全球导航卫星系统（GNSS）由于体积、重量和功耗限制，大多数无人机系统的主导航功能仅使用GNSS。一些无人机系统正在将更精确的紧耦合嵌入式GPS/惯性导航系统（INS）用于导航和平台稳定。广播式自动相关监视（ADS-B）是一种飞机周期性广播其位置并接收地面站消息的监视技术，能使空中交通管制摆脱基于雷达系统，当前ADS-B带宽仅1MHz，严重限制容量，且在支持400英尺（122米）以下空域内用户有局限。将ADS-B集成到单独GNSS装备中能够使操作人员（无人机驾驶员）在抵达视野范围之前就观察到协作飞机。雷达的最小覆盖是600英尺（183米），其带宽或脉冲重复频率有限，只能每5到10秒提供一次飞机位置，精度会随飞机尺寸减小，硬件实现更复杂，体积、重量和功耗也更大，未来可能用一种已实现的调频连续波（FMCW或chirp）测深仪使用轻型软件定义无线电（SDR）适用于无人机安装。地理定位一词指的是多种以“移动性预测”为目标的技术，即跟踪并计算用户或移动终端的位置或者距它们的距离，在视距情境中准确，但在城市环境中，有许多多径分量（MPC）的非视距条件则会引发性能降级，有研究针对GSM/3G网络提出了基于接收信号强度指示的基于地图的定位和跟踪技术。这项技术测量无线信号衰减，假定信号是自由空间传播并采用全向天线。为解决GNSS信号弱或受阻的室内区域的导航问题，研究人员提出了光探测和测距（LiDAR）局部导航方式，航位推算是用于信号盲点区的一种导航方法，以先前的定位、运行时间内的已知和估算速度以及每个速度时的航向为基础计算无人机系统当前位置。新型雷达导航与GNSS和ADS-B的结合是5G未来无人机系统监视和导航系统的一种颇具前景的解决方案。

图3 5G无人机导航和监控总体视图

空-空通信链路对于评估控制和非有效载荷通信链路在任意使用多架无人机的中继通信中的可用性十分重要。无人机低空飞行会产生更多的多径分量（MPC），研究表明，Rician幅度衰落模型最适用于无人机-无人机通信链路，因为该模型有一个主导视距路径和多个非主导非视距路径。一些超低空飞行的无人机能够得益于偶然能接入途经的地面蜂窝网络，尤其是短程5G信号。研究人员提出了具有多面体形蜂窝的三维蜂窝网络新概念，它可有效集成无人机基站和蜂窝连接的无人机用户。

图4​​​ 无人机-无人机通信未来概览图

无人机通信硬件设计是多个相关方面权衡的结果，一般受以下优化标准影响：SWaP-C要素、瞬时带宽、距离（与可用射频功率、接收机灵敏度和天线增益密切相关、链路可靠性、完整性和连续性。不是所有标准都直接适用于控制和非有效载荷通信，可采用利用多部高性能软件无线电和相控阵天线的最先进硬件架构。

图5 CesiumAstro公司的基于SDR的飞行硬件架构与正在开发的波束形成Ku波段相控阵天线