5G網(wǎng)聯(lián)無人機下新型電力系統(tǒng)快速應(yīng)急巡檢體系研究

5G網(wǎng)聯(lián)無人機下新型電力系統(tǒng)快速應(yīng)急巡檢體系研究

Summary:無人機搭配5G技術(shù)的研究是搭建數(shù)字化、智能電網(wǎng)的輸電線路巡檢的重要環(huán)節(jié)，實現(xiàn)無人機自主巡檢、自主監(jiān)測、自主降落、實時智能分析等。本文提出了5G網(wǎng)聯(lián)無人機空天地一體化應(yīng)急保障體系，采用5G網(wǎng)聯(lián)無人機覆蓋優(yōu)化技術(shù)，提高對戶外輸變電設(shè)施的連續(xù)覆蓋性、增強移動性，減少時延，實現(xiàn)無人機巡檢數(shù)據(jù)快速回傳，通過實踐可以快速智能獲取下自然災(zāi)害下電網(wǎng)受損情況。Keys：無人機；5G通信；新型電力系統(tǒng)；應(yīng)急體系A(chǔ)bstract:Atpresent,thecountryisvigorouslypromotingthedigitalfusionofpowergridand5Gtechnology.TheresearchofUAVmatching5Gtechnologyisakeylinktobuilddigitalandsmartgridtransmissionlineinspection,realizingtheautonomousinspection,autonomousmonitoring,autonomouslanding,real-timeintelligentanalysisandotherintelligentinspectiontechnologiesofUAV.Today,5Gnetworkcanprovideimportantsupportfornetworkedfixed-wingUAVs,suchashigh-definitionimagetransmission,remotelow-delaycontrol,multi-stagecollaborativework,onlinestabilityandsoon.A5G+air-skyintegratedemergencysupportsystemwasproposed,andthecoverageoptimizationtechnologyof5GnetworkedUAVwasadoptedtoeffectivelyimprovecontinuouscoverage,enhancemobilityandreducedelay.Keywords:UAV,5Gcommunication,networking,coverage

0引言目前國內(nèi)的地面基站通信受到自然因素、外力因素、人為因素的破壞等導(dǎo)致通信信號減弱，極大的影響了通信的穩(wěn)定，當(dāng)發(fā)生緊急災(zāi)難，如山區(qū)電力桿塔倒塌斷電、山火山體滑坡、地震等情況，就很難達到應(yīng)急通信的需求。為此需要研究一類更穩(wěn)定、能夠應(yīng)付災(zāi)害的應(yīng)急通信保障系統(tǒng)，形成通信覆蓋面積廣、自愈能力強的5G組網(wǎng)系統(tǒng)。以往應(yīng)急通信使用的是應(yīng)急通信車，在防災(zāi)減災(zāi)道路不通等極端場景，應(yīng)急通信車無法安置，并且它的天線投射面積范圍有限。因此我國啟動5G＋空天地一體化保障體系，也就是5G+無人機+衛(wèi)星的模式，目前我國無人機技術(shù)發(fā)展，特別是固定翼無人機，飛行高度、移動半徑、續(xù)航和載重等機能大幅提升，可以使用無人機攜帶基站，在災(zāi)害地區(qū)組建5G網(wǎng)絡(luò)。固定翼無人機基站擁有可靠的視距鏈路和自由部署的特點，未來無人機5G聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)急通信中將發(fā)揮關(guān)鍵作用。2

無人機+5G組網(wǎng)結(jié)構(gòu)搭建空天地一體化所需的無人機性能需滿足：(1)長續(xù)航；(2)靈活部署（3）運輸方便(4)可搭載大量的通信設(shè)備(5)穩(wěn)定滯空(6)低成本可靠性。固定翼無人機擁有大尺寸，升降操控存在一定的限制，但他可以飛得高，承載量大，超強的續(xù)航能力，令固定翼無人機符合應(yīng)急通信保障要求。2.15G＋無人機＋衛(wèi)星”保障體系的架構(gòu)“5G＋無人機＋衛(wèi)星”應(yīng)急通信方案，其使用大型固定翼無人機通過攜帶無線通信基站和衛(wèi)星通信設(shè)備，基站在地面發(fā)射無線信號，通過衛(wèi)星通信傳送回到衛(wèi)星地面信號站，再從地面專線光纖傳到移動核心網(wǎng)，5G＋無人機＋衛(wèi)星組網(wǎng)示意圖如圖1所示。圖1

5G＋無人機＋衛(wèi)星”應(yīng)急通信示意Fig.1Emergencycommunicationschematicdiagramof5G+UAV+satellite這個無人機基站應(yīng)急通信模式在任意時刻提供大范圍可靠信號，有著高效、持久、遠距離信號、載荷量大的特點。2.2無人機5G聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)要實現(xiàn)5G空中通信網(wǎng)，需要使用固定翼無人機搭載任務(wù)載荷,來實現(xiàn)5G網(wǎng)聯(lián)。所謂無人機載荷，包括5G通信模塊、組網(wǎng)模塊和能量管理模塊。5G通信模塊使用的是全雙工雙向中繼技術(shù)和定向天線覆蓋技術(shù)，實現(xiàn)信號的基本覆蓋；組網(wǎng)模塊包含了組網(wǎng)和飛行控制,使用的是全向天線技術(shù)形成固定翼無人機組網(wǎng)鏈路以，并且實現(xiàn)自主智能組網(wǎng),實現(xiàn)智能部署；而能量管理模塊主要提供無人機飛行所需的電量。地面應(yīng)急通信車配備5G宏基站、5G核心網(wǎng)關(guān)等,5G回程信號利用光纖接入應(yīng)急通信車中5G核心網(wǎng)關(guān)設(shè)備，5G核心網(wǎng)設(shè)備由光纜接到離得最近的沒阻斷公網(wǎng)固定通信站臺,可以跟應(yīng)急指揮中心取得聯(lián)絡(luò)。應(yīng)急通信指揮中心包括無人機中控、5G網(wǎng)絡(luò)管理和通信保障,無人機中控主要的作用是實現(xiàn)無人機集群控制和無人機遠程控制,設(shè)置無人機控制指揮器，網(wǎng)管軟件系統(tǒng)設(shè)置在5G網(wǎng)管的服務(wù)器當(dāng)中,這兩樣都設(shè)置在應(yīng)急指揮中心系統(tǒng),由它來實現(xiàn)調(diào)配所有的5G通信應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2.3無人機系統(tǒng)載荷結(jié)構(gòu)無人機任務(wù)載荷結(jié)構(gòu)是無人機通信的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖2無人機系統(tǒng)載荷結(jié)構(gòu)Fig.2LoadstructureofUAVsystem(1)5G通信模塊它的組成部分包括5G射頻電路和通信處理器,通過選取就近得應(yīng)急通信車上搭載的基站的5G通信模塊作為匯聚節(jié)點。5G射頻電路連接天線,來以此完成5G射頻信號的物理層收發(fā)信號及處理；而通信處理器主要完成5G基帶信號的處理工作；通信模塊采用頻率3.5HZ使用雙工雙向、中繼以及定向天線等技術(shù)，通過它可以實現(xiàn)5G信號的基礎(chǔ)覆蓋,災(zāi)區(qū)客戶端可以連接上5G無線信號。在共同的一個子區(qū)中，毗鄰的各個終端使用的用戶能夠在通信時實現(xiàn)信息交互；在同一個子區(qū)內(nèi)，無法實現(xiàn)信息交互時,利用共同的通信模塊來實現(xiàn)信息交互。處在不同子區(qū)中進行信息交互時,作為源節(jié)點的5G通信模塊使用通信處理器將信號轉(zhuǎn)化成基帶信號后，傳送至組網(wǎng)模塊,通過它來實現(xiàn)將用戶信息傳送到所連接的5G通信模塊,將傳送來的信息重組,下發(fā)給用戶。另外,當(dāng)用戶終端與應(yīng)急通信指揮中心信息交互,5G通信模塊收到用戶發(fā)來的信號后,將它轉(zhuǎn)化為基帶信號后，傳送到至組網(wǎng)模塊中,根據(jù)協(xié)議處理信號,然后再把這個信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中,交互至通信匯聚節(jié)點,再與地面應(yīng)急通信車中的基站實現(xiàn)交互。然后通信匯聚節(jié)點傳送信息基帶到組網(wǎng)模塊中,傳輸?shù)浇K端所連接的5G模塊,由5G模塊將信息組,發(fā)送至給客戶終端。(2)組網(wǎng)模塊組網(wǎng)模塊包括組網(wǎng)射頻電路、組網(wǎng)處理器。組網(wǎng)射頻電路，與天線相連,作用是可以完成組信號物理層收發(fā)；組網(wǎng)處理器主要實現(xiàn)組網(wǎng)和飛控信息處理、協(xié)議運行。它可以把中繼的信息完成協(xié)議轉(zhuǎn)換,在組網(wǎng)模塊中形成信息交互，完成用戶終端和應(yīng)急通信系統(tǒng)之間的無縫連接；同時,組網(wǎng)模塊可以協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)間傳送的飛控指令，同時搭建空地控制鏈路，實現(xiàn)無人機與地面控制平臺信息交互，即通信協(xié)議。將數(shù)據(jù)格式重新打包，在組網(wǎng)模塊中通過搭建空地控制鏈路，使用預(yù)編程和人工控制配合，實現(xiàn)無人機的智能控制。(3)能量管理模塊能量管理模塊，包括電池充電供電系統(tǒng)、休眠喚醒系統(tǒng)，為系統(tǒng)的正常運行提供可靠電力；休眠喚醒顧名思義，可以實現(xiàn)低功耗，實現(xiàn)更長的電池使用時間。正常情況下，通信模塊功率低于3W，組網(wǎng)模塊功率低于2W，能量系統(tǒng)提供7小時電力。35G和無人機智能組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)急通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)：5G通信應(yīng)用、全雙工雙向中繼技術(shù)、定向天線覆蓋技術(shù)、無人機智能部署和控制、無人機分布式智能組網(wǎng)技術(shù)等。使用無人機裝載5G通信基站升空組網(wǎng)，實現(xiàn)信號基礎(chǔ)覆蓋和頻率干擾問題。無人機作為5G通信節(jié)點，組網(wǎng)有自修復(fù)、自愈合功能，能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享，極大提高升應(yīng)急通信系統(tǒng)通信可靠性。3.1智能部署和控制技術(shù)無人機集群編隊飛行技術(shù)是指為完成任務(wù)目前在國內(nèi)已經(jīng)成熟應(yīng)用，指的是多架無人機根據(jù)一定的隊形排列或按照特定任務(wù)執(zhí)行模式。這項技術(shù)中，關(guān)鍵需要處理飛行中的數(shù)據(jù)融合、編隊控制。協(xié)議數(shù)據(jù)融合技術(shù)。MAVLink協(xié)議是目前常常使用的無人機通信協(xié)議，所以計劃把n架無人機的飛行控制指令根MAVLink協(xié)議數(shù)據(jù)重新打包，通過空地控制鏈路，實現(xiàn)無人機和地面控制中心之信息的傳送。3.2無人機編隊無人機編隊技術(shù)包括部署和控制。編隊部署，依據(jù)無人機通信的距離、任務(wù)、約束等因素開展區(qū)域性部署。編隊控制是指無人機的起落、隊形控制、防碰撞和路徑執(zhí)行等。(1)編隊部署技術(shù)。編隊部署即通過相關(guān)群智能部署算法得到無人機的路徑規(guī)劃。影響路徑規(guī)劃的因素：主要包括三維環(huán)境模型的建立、規(guī)劃算法的選擇和航跡控制等。（2）編隊控制技術(shù)編隊控制。利用無人機的5G空中通信網(wǎng)，令無人機組按照編隊結(jié)構(gòu)來完成組網(wǎng)通信任務(wù)。主要實現(xiàn)三個基礎(chǔ)性能：保持與重組、任務(wù)更新和飛行可靠性。3.3自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)分簇和自適應(yīng)路由技術(shù)由于無人機的5G空中通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實時動態(tài)變化，因此我們采用群智能節(jié)點部署算法，提前設(shè)置好無人機編隊的飛行軌道，找出可以實現(xiàn)5G信號覆蓋、并且距離最短的路線。無人機自組網(wǎng)分簇算法目前未完全考慮解決編隊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化會影響組網(wǎng)性能的問題，并且無人機通常使用的是自由運動模型，這是不符合應(yīng)急通信場景實際問題的。于是目前研究出改進的加權(quán)分簇算法，可以把鄰居節(jié)點穩(wěn)定度、節(jié)點度、剩余能量和丟包率四個要素當(dāng)做簇首選擇的根據(jù)。在上述基礎(chǔ)上，根據(jù)目前無人機自組網(wǎng)路由協(xié)議不太滿足5G空中通信網(wǎng)動態(tài)變化、可靠性不足和通信時延差等突出難題，本文提出一種基于簇結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)路由協(xié)議ARPBCSARL，一方面它簇內(nèi)使用先應(yīng)式路由協(xié)議，另一方面簇間使用位置和鏈路質(zhì)量自適應(yīng)路由協(xié)議，利用引入位置信息和鏈路質(zhì)量學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)送給距離最近、鏈路質(zhì)量最好的下一跳節(jié)點，這樣可以避免反向傳輸，并且降低路由控制開銷，同時尋找最佳路線，解決時延問題。3.4覆蓋增強解決方案針對目前研究的場景覆蓋率不強的問題，通過兩個技術(shù)手段進行解決：（1）天線主瓣朝著地面覆蓋傳播信號，保證信號覆蓋水平，保障用戶需求，加強旁瓣增益，來解決低空網(wǎng)絡(luò)信號的覆蓋問題。（2）采用專用站點進行補盲。在信號覆蓋的熱點及盲點位置，增加低空覆蓋專用站點的數(shù)量，其示意圖如圖3。在當(dāng)前發(fā)展計劃前提下，增加主瓣數(shù)量，向空中覆蓋的低空專用基站和普通基站形成1：N的規(guī)模，N為低空專用基站數(shù)。低空專用基站通常頻段為4.9GHz。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)減少對空覆蓋的投入，實現(xiàn)地空強覆蓋信號網(wǎng)。圖3專用站點補盲圖Fig.3Blindfillingdiagramofdedicatedsites3.5減少時延的措施用戶面和控制面分割。通常，核心網(wǎng)主要包括控制面和用戶面，控制面主要功能是搭建和分發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，用戶面面主要功能是分發(fā)用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。在5G技術(shù)問世以前，核心網(wǎng)的控制面和用戶面一般不分割，但5G技術(shù)采用基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制面和用戶面的完全分割，令用戶面不受束縛，靈活部署，實現(xiàn)時延的減少。邊緣計算（即多址邊緣計算）。在5G數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，核心網(wǎng)設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)的正中心，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)從核心節(jié)點出口，造成時延時間加長。采用邊緣計算可以將云平臺與蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，將數(shù)據(jù)中心的功能與服務(wù)移到到網(wǎng)絡(luò)的邊緣，實現(xiàn)邊緣計算、存儲。也就是利用業(yè)務(wù)接近用戶來實現(xiàn)時延縮短。4結(jié)語“5G＋大型固定翼無人機＋衛(wèi)星”的組網(wǎng)方式，有著巨大的發(fā)展使用前景，但目前國內(nèi)的技術(shù)上仍需解決一些問題。本文主要研究5G通信技術(shù)和無人機智能組網(wǎng)的應(yīng)急通信關(guān)鍵技術(shù)解決方案，在未來的發(fā)展規(guī)劃中，需要無人機擁有更高的可靠性，在各種極端天氣下。如霧霾、濃煙、地形復(fù)雜的山區(qū)，集成多種成像技術(shù)，能夠抵御低溫、大風(fēng)、不易跌落等情況，才能實現(xiàn)災(zāi)區(qū)組網(wǎng)的通信可靠的能力?？仗斓匾惑w化應(yīng)急保障系統(tǒng)要求面向無人機的5G網(wǎng)絡(luò)需要連續(xù)的低空能力，為災(zāi)區(qū)提供有保障的5G信號網(wǎng)絡(luò)，助力救援工作。Reference:[1]楊紅生，黃華園.通用無人機測控系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2018，58(4):391-396.[2]卞穎穎.5G通信技術(shù)促進軍用無人機發(fā)展[J].軍事文摘，2019(4)