基於Smart Relay的無人機應急通信方案

無人機應急通信的必要性

大陸是世界上受自然災害影響最為嚴重的國家之一，災害種類多、災害發生頻率高、災害損失嚴重。地震、洪水、泥石流、台風、暴雨等自然災害及惡劣天氣一旦發生，可能造成災區大面積通信中斷，這不僅會影響災區民眾的通信，更會影響到災害救援行動的開展。

2008年四川汶川大地震，將整個汶川縣毀於一旦，災區的通信設備也遭到嚴重的破壞。中國移動數千個基站受損退服，中國聯通在汶川的網路大部分中斷，剎那間汶川與外界失去聯繫，成為了一座「孤島」。同時，因通信聯絡急劇增多，四川當地當日手機長途話務量升到日常的10倍，打往四川、陜西等地的手機接通率下降到日常平均值的50%左右。因此，建立健全應急通信保障體系，在災難發生時保障災區能夠與外界保持通暢的信息聯絡非常重要。

應急通信是指日常通信系統由於某種原因不能滿足通信需求，利用各種通信資源，迅速構建起穩健靈活的通信平台來保障必要的通信手段和方法。是一種具有臨時性的特殊通信機制，尤其在重大自然災害時，擔負著保障救援和減災通信的任務，是現代通信重要組成部分。

傳統的應急通信車一直是保障臨時通信的主力。但是由於技術條件、自身硬件等因素影響，應急通信車服務範圍較小，信號穩定性較弱，而且有可能因為道路塌方、擁堵，而無法抵達受災核心區域，從而難以及時提供應急通信服務。因此採用傳統方式建立應急通信站、恢復災區基站，不但效率不高、成本較大，而且也十分困難。

隨著無人機技術的發展以及通信技術的日益成熟，為災區提供應急通信有了新的便捷手段。無人機產業發展迅速，各行業無人機產品應用廣泛。憑借機動性、簡便性、易操作性等優勢，無人機可以很好地承擔應急通信任務，在輔助災害救援方面大有用武之地。

一般來說，高度是影響無線通信覆蓋範圍的主要因素。因而，與應急通信車相比，利用無人機來提供通信服務，信號會更為穩定，覆蓋範圍也更廣闊，並且不受地形條件、道路狀況等因素限制，能夠快速在災區構建臨時通信網路，滿足救災、聯絡等需求。

無人機應急通信平台的選擇

近年來，無人機技術迅速發展，主要有旋轉翼無人機、固定翼無人機、消費級無人機、系留式無人機。消費級無人機滯空時間較短並且承重能力有限，不太適合作為無人機基站的平台；旋轉翼無人機的滯空時間較短，可承載一定重量的設備且可以靈活飛行，適合短時間內特定區域的應急通信覆蓋；系留式無人機克服了旋轉翼無人機滯空時間短的短板，通過系留線纜可為無人機及基站設備長時間供電，增加了滯空時長，但也失去了飛行靈活性。幾種無人機平台的對比如表 1所示。

在大陸，無人機應急通信的研究與應用較早。受飛行性能、續航能力、搭載能力等因素影響，一般主要選用無人直升機作為應急通信平台。近些年來，由於多旋翼無人機的發展，開始應用於應急通信平台。但多旋翼無人機大多體型較小，電池持續能力有限，無法做到長時間滯空，因而業內企業選擇開發了系留式無人機這一全新機型。

相對於其他無人機，系留無人機平台具有三大優勢：

一是續航能力強：系留式無人機與一般無人機最大的不同，就在於這「系留」二字上。通過系留線纜連接無人機的方式，執行應急通信任務的系留無人機不僅能夠獲得充足動力以保持長時間滯空，還能夠解決無人機和地面設備的通信，更好地保障通信需求。

二是機動能力強：系留式無人機可由小型越野車搭載，能夠快速抵達災區或任務區，即便遇上道路阻隔，也能利用無人機的高度、靈活優勢，發揮重要作用。

三是使用簡便：系留式無人機通信基站可以根據不同場景、不同需求，靈活配置相關設備和模板，因此操控較為簡單，對於駕駛員的要求較低，基本上短期培訓即可上崗。

得益於上述諸多優勢，系留式無人機的發展前景頗為市場看好，各大通信經營商積極展開布局。2016年中國移動在湖南、北京多地進行了系留式無人機應急高空基站測試；2017年九寨溝地震與湖南洪災時，中國移動緊急出動了系留式無人機通信基站來滿足災區的應急通信需求。另外，在2018年世界移動大會（MWC）上，中國移動還在展台上展示了系留式無人機應急高空基站，並受到了業內人士的廣泛關注。可見，系留無人機的實際應用已經較為成熟，具備了初步規模化商用的基本條件。

未來，隨著無人機技術和通信技術的進一步發展，系留式無人機有望繼續提升性能表現，為更好地應對自然災害及地理限制提供幫助。在應急通信、中繼通信等市場需求增長影響下，系留式無人機可能將成為無人機細分領域中的新翹楚。

無人機應急通信傳輸的選擇

傳統的通信傳輸主要依靠光纖等有線設備，部分採用微波傳輸。無人機基站可以微波、衛星和無線中繼等幾種方式為基站提供回傳。幾種傳輸方式中，衛星傳輸能夠滿足應急救災的各種場景，不受回傳距離限制。但是傳輸帶寬會有所限制並且租金相對較高，安裝較困難；微波傳輸對安裝要求也比較高；使用LTE Relay方案為無人機提供回傳，只需要無人機上的CPE（Customer Premises Equipment，我們稱為Airbridge）能夠接入到LTE小區，就可以為無人機應急通信基站提供無線回傳，但是採用LTE Relay也有局限性，要求在災區附近存在可用的LTE基站。

無人機應急通信可採用分體式基站或一體化基站。採用分體式基站時，BBU可放置在地面，無人機平台放置RRU，地面系留箱可為無人機及其上的RRU供電，同時還能夠提供光纖連接BBU和RRU，具體網路拓撲如圖 1所示。

使用分體式基站，僅將RRU設備放置在無人機，BBU放置地面，減輕了BBU的重量，故RRU的功率可以更大些，這樣覆蓋範圍也會更廣。分體式基站的傳輸使用微波、衛星或者本地傳輸線纜等比較方便，不太適合採用LTE Relay提供回傳。

一體式無人機應急通信系統可以採用LTE Relay方式為無人機基站提供回傳。該方案無人機搭載Relay UE和Relay基站兩部分，兩部分可以是一個整體或是分體結構通過網線相連接。Relay UE接入現存的LTE小區，為Relay基站提供回傳服務。Relay基站可以通過多級級聯方式來擴展覆蓋區域。級聯時如果僅僅是短時間提供無線覆蓋，無人機也可以採用非系留式多旋翼無人機，這樣基站就可以在空中移動，覆蓋區域更具有目的性，具體網路拓撲如圖 2所示。

ZTE Smart Relay方案介紹

採用微波作為傳輸需要有微波的接收和發射設備，衛星傳輸則需在災區地面安裝小口徑衛星終端VAST，這兩種方式都比較常見。這里介紹下LTE Relay的工作原理，如圖 3所示。

Smart Relay在核心和傳輸間添加了一台Relay GW設備，能夠支持建立VPN隧道（VPN隧道可以是L2TP隧道也可以是IPSec隧道）。通過一個支持VPN隧道的Airbridge接入宿主站，為Relay基站提供回傳。

核心網需要為Airbridge配置一個APN，CPE配置該APN，接入宿主站點後可以和Relay GW通信，從而建立VPN隧道，VPN隧道建立完成後，Relay基站即可與核心網和O&M進行通信。

Relay基站將數據發給核心網或O&M設備的過程：從Relay 基站發送給MME/XGW/OAM的數據，先發送給Airbridge，Airbridge將數據封裝到VPN隧道後發送給Relay GW，Relay GW解封裝數據後轉發給MME/XGW/OAM。

核心網或O&M將數據發給Relay基站的過程：從MME/XGW/OAM發送給Relay基站的數據，先發送給Relay GW，Relay GW將數據封裝到VPN隧道後發送給Airbridge，Airbridge解封裝數據後再轉發給Relay基站。

採用該Smart Relay方案具有以下幾個方面的特點：

● 無需升級宿主站：宿主站和Airbridge依舊採用Uu口傳輸方式，宿主站沒有特殊的要求，因此無需升級改造宿主站點，這對於應急通信快速部署提供了便利。

● 無需升級核心網：核心網依舊採用現有核心網，並不需要專門升級。需要Relay GW和核心網間可正常通信，對於核心網發給Relay基站的數據，都需要先將數據轉發給Relay GW，Relay基站發給核心網的數據都要由Relay GW轉發出去。

● Relay基站可在宿主站間移動：由於Airbridge的錨點在Relay GW，故Airbridge可以在多個宿主站間進行切換，對於非系留式多旋翼無人機站點，可以靈活移動為目標區域提供覆蓋，也可以為由於災害導致車輛無法抵達區域提供覆蓋，只是採用非系留式無人機滯空時長有所限制。

● 快速部署：Relay GW可在災害發生前部署，整個系統也可以在災前配置調試。拿到災區只要開機後Airbridge可接入宿主站點，整套系統即可正常工作，耗時短、部署快。

無人機應急通信試驗

基於Smart Relay的無人機基站經測試，現場十分鐘即可完成安裝調試的準備工作。

試驗時採用大疆無人機，可載重6kg。採用中興通訊BS8102微站和CPE，同時搭載了一塊蓄電池用於給基站和無人機供電。通過實驗，驗證了基於Smart Relay的無人機基站方案的有效性，下行峰值速率達到了44Mbps，上行峰值速率達到了20Mbps(見圖4)。

基於Smart Relay的無人機基站方案，隨時隨地都可快速部署，對現網改動小。滿足應急救災的快速開通和任意地點部署的要求，同時系留無人機可為無人機和基站設備提供電源和傳輸，做到了無人機可長時間滯空，是解決應急救災較理想的一種方案。