5G无人机应用白皮书.docx
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5G无人机应用白皮书
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目录
引言
P1
无人机应用场景和通信需求
P2
4G网络能力
P12
5G网络能力
P17
网联无人机终端通信能力
P24
5G应用案例
P26
无人机安全飞行
P36
标准进展
P39
趋势，总结和展望
P45
贡献单位
P47
引言
1
无人驾驶航空器（UnmannedAerialVehicle,以下简称UAV）简称为无人机，其全球市场在过去十年中大幅增长，现在已经成为商业、政府和消费应用的重要工具。
无人机能够支持诸多领域的解决方案，可以广泛应用于建筑、石油、天然气、能源、公用事业和农业等领域。
当前，无人机技术正在朝军民融合的方向高速发展，无人机产业已经是国际航空航天最具活力的新兴市场，成了各国经济增长的亮点。
无线通信在过去20年经历了突飞猛进的发展，从以话音为主的2G时代，发展到以数据为主的3G和4G时代，目前正在步入万物互联的5G时代。
移动网络在继续丰富人们的沟通和生活的同时，也向全行业数字化转型提供能力，提高各行业的运作效率和服务质量。
5G以全新的网络架构，提供10Gbps以上的带宽、毫秒级时延、超高密度连接，实现网络性能新的跃升。
ITU定义了5G三大场景：
增强移动带宽（EnhancedMobileBroadband,以下简称eMBB）、超高可靠低时延通信（Ultra-ReliableLow-latency
Communications，以下简称uRLLC）、大规模机器类通信（Massive Machine-Type
Communications，以下简称mMTC）。
无人机行业高速发展的同时，也对无人机通信链路提出了新需求，呈现出与蜂窝移动通信技术紧密结合的发展趋势，形成“网联无人机”。
业界预测，无人机与移动通信的结合，将给产业界带来10倍的商业机会。
移动运营商经过几十年的发展覆盖了全球70%的陆地及90%的人口。
以往无线信号主要覆盖地面的人和物，没有专门为无人机设计空中覆盖，低空数字化是一块有待开发的宝藏。
在即将到来的5G时代，5G蜂窝移动通信技术与无人机的结合使得这些原本难以想象的想法成为可能。
本文将给出网联无人机应用场景和通信需求、
4G现网及未来5G网络对无人机需求的满足度，
5G网络下网联无人机的应用案例，无人机终端通信能力，安全飞行相关法规与通信需求，标准进展，并对网联无人机的未来进行展望。
注：
无人机有多种分类方法（飞行高度、重量、用途、动力、活动半径）本文中的无人机是作业高度300m以下民用无人机
无人机应用场景和通信需求
1.应用场景综述
无人机是利用无线遥控和程序控制的不载人飞机。
它涉及传感器技术、通信技术、信息处理技术、智能控制技术以及航空动力推进技术等，是信息时代高技术含量的产物。
无人机价值在于形成空中平台，结合其他部件扩展应用，替代人类完成空中作业。
目前以消费类无人机占据更多的市场份额，但行业无人机也正在被看好。
今年
6月结束的2018世界无人机大会预测，未来5年，全球行业无人机行业将保持迅猛发展，到2022年市场总值将达到150亿美元，为2016年的近12倍；其出货量将突破62万架，是2016年的6倍。
图2-1数字网联天空
2
目前，在中国乃至世界各地，诸多领域已显现出“无人机+行业应用”的蓬勃发展势头。
无人机在农林植保、电力及石油管线巡查、应急通信、气象监视、农林作业、海洋水纹监测、矿产勘探等领域应用的技术效果和经济效益非常显著。
此外，无人机在灾害评估、生化探测及污染
采样、遥感测绘、缉毒缉私、边境巡逻、治安反恐、野生动物保护等方面也有着广阔的应用前景。
深圳市无人机行业协会提供的统计数字显示，截至2017年12月31日，2017年中国国内民用无人机产量达到290万架，同比增长67%；其中深圳的民用无人机产值已达300亿元人民币，占据全球民用无人机市场份额的70%。
接入低空移动通信网络的网联无人机，可以实现设备的监视和管理、航线的规范、效率的提升，促进空域的合理利用，从而极大延展无人机的应用领域，产生巨大经济价值。
基于新一代蜂窝移动通信网络5G为网联无人机赋予的实时超高清图传、远程低时延控制、永远在线等重要能力，全球将形成一个数以千万计的无人机智能网络，
7x24小时不间断地提供航拍、送货、勘探等各种各样的个人及行业服务，进而构成一个全新的、丰富多彩的“网联天空”。
1.1物流
1.1.1业务场景描述
对比传统物流行业，无人机物流优势明显。
规避拥堵，运输快速高效：
相对于地面运
输，无人机物流具有方便快速的优点，在山区较
多的省份，陆路运输所耗费的时间和成本较平原地区高很多，采用无人机则可能以同样的成本实现更高的物流效率。
在拥堵的城市和偏远的山区运送急需物品，则可能比陆运节省80%的时间，而且按照发达国家经验，高层建筑势必会越来越多地配备直升机停机坪，也能够方便无人机起降。
应对小批量任务，解放人力：
无人机物流可以有效节省人力资源的消耗，将复杂环境下和大批量的投递任务交给人和地面车辆，而将简单场景下的小批量的投递任务交给无人机，则可以更充分地发挥人力的灵活应变能力，减少体力消耗。
摆脱地形限制，应对极端条件：
在极端条件下，无人机可以轻松抵达地面车辆无法到达的区
域，例如在应急救援物资的投送任务中，无人机配合直升机可以大大提高投送效率。
1.1.2发展趋势和特点
物流配送进入无人机时代，打开了国内、外物流运输的新战场。
物流快递是极具潜力的无人机应用领域之一。
2017全球智慧物流峰会数据显示，2016年智慧物流市场规模达到2000亿元，到2025年将超过
10000亿元。
近年来，我国逐渐重视并鼓励无人机在物流等专业领域的应用。
2018年1月，国务院出台
《关于推进电子商务与快递物流协同发展的意
见》，明确指出要提高科技应用水平，鼓励快递物流企业采用先进适用技术和设备，提升快递物流装备自动化、专业化水平。
今年全国邮政管理工作会议还提出，要促进科技创新，推广应用无人机、无人车、无人仓库等技术。
1.1.3通信能力需求
实现无人机物流配送包括运营调度中心、无人机配送站、物流终端（即无人机）三个实体。
5
在配送过程中涉及配送任务的下发、配送任务执行、无人机状态上报等环节，无人机物流当前对通信的需求包括：
飞行状态上报以及RTK高精度
定位信息的下发，出于飞行安全和紧急情况处理考虑，物流无人机也需要具备视频回传实时操控能力，在必要的时候由人工接管。
表2-1无人机物流场景网络指标
2.3农业植保
2.3.1业务场景描述
植保机械化是实现农业种植机械化、现代化的关键一环。
相对于有人驾驶飞机喷洒而言，无人机植保具有作业效率高、单位面积施药液量小、无需专用起降机场、机动性好等优点，其在日本等国家发展已十分成熟。
无人机植保包括喷洒农药种子、巡逻监视、病虫监察等应用。
无人机植保作业与传统人工植保相比，具有精准高效、安全环保、智能化、操作简单等特点，在农业领域，植保无人机在不断证明着它的突出优势。
一是提高植保效率，节约资源成本。
无人机植保作业强度高，可同时代替多人的劳动力;采用喷雾喷洒方式至少可以节约50%的农药使用量，节约90%的用水量，这将很大程度地降低资源成
本;与传统植保机械相比，植保无人机还具有折旧率低、单位作业人工成本低、易保养等特点。
二是防治效果好，减少污染并提高产量。
无人机植保具有作业高度低、飘移少、可空中悬停等特点，喷洒农药时旋翼产生的向下气流有助于增加气流对农作物的穿透性，减少农药损失，且其覆盖率优于人工操作，防治效果好，可有效减少农药对土壤的污染并助产增收。
三是作业安全性高，降低中毒风险。
无人机操作规范，远距离操控避免了作业人员暴露于农药下的危险，提高了作业的安全性。
解决了传统人工植保方式中经常出现的中毒、中暑以及踩踏作物等问题。
2.3.2发展趋势和特点
近10多年来，农业植保无人机在我国迅猛发展。
至2017年9月，不完全统计，全国植保无人机装机量达到近万架，已经在包括水稻、小麦、玉米、甘蔗、果树、棉花等多种作物上进行了病虫害防治作业，实际效果证明已经达到实用水
平，正处于迅速发展阶段。
无人机测绘先行，测绘除了土地信息外，也包括气候采集如风速、天气，温度、湿度以及大气压力的数据实时观测。
高效、快捷的测绘可用于路径规划和精准作业，即测即洒是未来植保无人机发展的方向。
未来无人机农业植保将成为一种服务，互联网农业服务平台公司一端连接种植户，一端连接专门提供无人机喷洒农药服务的队伍，搭建了一套农业生产服务平台，种植户无需购买无人机，只需要订购农事服务。
2.3.3通信能力需求
植保无人机当前经营模式通常由植保队操作，飞行状态数据实时通过蜂窝网络上报云端用于计费和管理，高精度定位信息通过短距通信或蜂窝网络下发给无人机。
土地勘测图片数据量大，目前以存在SD卡上为主，未来希望网络提供实时传输。
表2-2无人机农业植保场景网络指标
2.4巡检、安防、救援
2.4.1业务场景描述
无人机在公共安全领域应用众多，如边防监控、消防监控、环境保护、刑侦反恐、治安巡逻等。
突发事件中，无人机可以代替警力及时赶往现场，利用可见光视频及热成像设备等，把实时情况回传给地面设备，为指挥人员决策提供依据。
在公共安全作业中，无人机典型网络需求包括：
实时视频传输（多路）、飞行状态监控、远程操控以及网络定位
我国领土由于地理环境和气候的多样性，各种自然灾害时有发生，每年因自然灾害、事故灾害造成的经济损失高达数千亿，灾后救援工作尤为重要。
无人机在展开救援作业中可实现快速响应，在第一时间到达现场，迅速展开作业；采集现场数据，迅速将现场的视、音频信息传送到指挥中心，供指挥者进行评估和决策；能够实现通信中继功能，快速恢复现场局部通信；跟踪事件的发展态势，帮助指挥中心实施不间断指挥处理。
基础设施巡检是指对输电线路、输油管道、基站塔台、桥梁、风力发电机等基础设施的巡视检查或状态监测。
其作业内容具体包括对基础设施本身的监测、对周边环境的勘探、基础设施的日常周期维护以及简单的故障排查、处理等。
传统的人工巡检方案受环境及天气等影响，工作量大、工作效率较低、成本较高，且存在一定的人
身安全风险。
无人机以成本低、灵活性强、安全性高、受自然环境及地形影响较小、视角更优等特点，越来越广泛地应用于基础设施巡检领域。
电力设备中输电线路一般位于崇山峻岭、无
人区居多，人工巡视检查设备缺陷的效率较低，因蛇、虫、蚁等小动物咬伤员工的事件也屡见不鲜；另外，输电铁塔、导线、绝缘子等设备位处高空，应用无人机巡查，既能避免高空爬塔作业的安全风险，亦可以360°全视角查看设备细节情况，提高巡视质量。
从作业安全、作业效率、作业质量等多个方面出发，无人机逐渐替代人工巡视，是电力行业解决老大难问题，推行智能巡检技术的必然选择。
随着电网快速发展，电力行业机巡作业市场规模不断增加，除输电线路巡检外，在规划设计、基建工程、物资配送、安全监督等领域也提出了无人机作业需求，同时在风电发电、光伏发电、铁塔公司等其它能源行业市场，潜在需求量巨大。
2.4.2发展趋势和特点
公共安全监控市场需求巨大。
根据预测，美国公共安全领域的无人机约占商业无人机总量的
10%，预计到2020年市场规模约为51亿元；按照中美未来公共安全支出比例估算，保守预计2020年中国国内公共安全市场空间约70亿元。
而无人机因为零人员伤亡、恶劣环境作业、强机动、易操作等突出优点，使其成为公共安全监控领域的
新星，市场潜力巨大。
通过智能无人机飞行平台以及5G蜂窝网络能力的有效引入，促进了传统安防产业向天地一体化协同作战的方向转型以及多场景安防能力的智慧升级，必将作为一种新型的安防解决方案模式得到更加广泛的应用，从而促进传统安防服务商的智慧升级，带动整个产业的发展。
无人机应用在基础设施巡检领域包括：
建筑
外墙巡检、电力巡检、基站巡检、石油管线巡检以及河道巡检等。
电力塔、通信基站、石油管线等公共设施往往架设在郊区或城区楼顶等区域且分布较为分散，挂载变焦摄像头的网联无人机，可按照指定的任务点执行诸如，检测螺丝松动、标签等动作，结合图像识别还可完成天线挂高、倾角的计算等工作，并生成巡检记录和巡检报告。
未来随着无人机续航能力的增强，以及5G
通信模组的成熟，结合边缘计算（MobileEdge
Computing,以下简称MEC）的应用，5G综合承载
无人机飞控、图像、视频等信息将成为可能。
无人机与控制台均与就近的5G基站连接，在5G基站侧部署边缘计算服务，实现视频、图片、控制信息的本地卸载，直接回传至控制台，保障通信时延迟在毫秒级，通信带宽在10Mbps以上。
同时还可利用5G高速移动切换的特性，使无人机在相邻基站快速切换时保障业务的连续性，从而扩大巡线范围到数公里范围以外，极大提升巡线效率。
2.4.3通信能力需求
在巡检，安防，救援场景中，无人机需要具有优良的飞行稳定性、较快的反应能力、不间断地进行现场的实时跟踪，同时可以实时回传高清视频用于人眼或计算机AI的分析识别。
具体来说，无人机此类业务的典型网络需求包括：
实时视频传输（多路）、飞行状态监控、远程操控以及网络定位。
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表2-3无人机巡检、安防、救援场景网络指标
2.5测绘
2.5.1业务场景描述
无人机测绘领域中，通过无人机抓取数据制作实时实景地图的技术方案，可以实现在不同的应用场景基于地图的数据挖掘，在抢险、科研、教育、智慧农业、智慧城市、勘察、场景巡检等领域，提供强大的扩展空间，让行业应用人员根据需求定制理想的飞行平台。
无人机倾斜摄影技术的诞生，颠覆了传统测绘的作业方式，该技术通过无人机低空多位镜头摄影获取高清晰立体影像数据，自动生成三维地理信息模型，快速实现地理信息的获取，具有效率高、成本低、数据精确、操作灵活、侧面信息可用等特点，满足测绘行业的不同需求。
极大有助于测绘行业内、外的协同工作，解决了由于天
气等外因造成的工作延误，把原本大量的业外工作转变成业内工作，极大的解放了测绘人员的劳动时间和减少劳动强度。
2.5.2发展趋势和特点
网联无人机可以毫秒级速度制作实景矢量地图，相对传统做一张地图需要数天、数周甚至数月的更新时间，无人机完成了从地图数据的抓取、传输、拼接、纠偏、上传至云端更新最新地图的完整流程，并提高了数百倍效率。
2.5.3通信能力需求
测绘场景下，除了典型的飞行状态监控、远程操控以及网络定位业务需求，在需要实时构建测绘模型场景下，实时图像传输、图像处理对网络大带宽需求尤为迫切。
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表2-4无人机测绘场景网络指标
2.6直播
2.6.1业务场景描述
无人机可以将视野带入高空，以上帝视角俯瞰。
无人机全景虚拟现实VR（VirtualReality，以下简称VR）直播将带来更为震撼的身临其境的直
播感受。
通过无人机挂载360度全景镜头进行
视频拍摄，全景相机完成视频采集、拼接处理与视频流处理，通过连入5G网络上行链路将4K/8K全景视频传输到核心网侧视频服务器，再通过下行链路传输给多位用户。
而用户只要戴上VR眼镜，就都可以随时随地无延迟的体验激动人心的现场。
5G无人机VR直播在未来将会广泛用于体育赛事、演艺活动等大型活动极致体验直播以及广告、新闻、电影等商业活动拍摄中。
随时随地都能通过VR全景直播获取比现场更好的体验，将指日可待。
2.6.2发展趋势和特点
2017年我国网络表演（直播）市场营收达到
304.5亿元，相比2016年的218.5亿元，同比增长
39%。
网络表演（直播）已经成为网络文化内容供应、技术创新、商业模式创新的代表，成为网络文化市场重要组成部分。
航拍娱乐是大众对无人机最熟悉的应用领域，未来无人机在该领域的
市场规模将有望到达300亿。
目前主流直播平台清晰度以1080P为主，最高为2K，随着在线直播业务的兴起与终端设备的更新换代，直播玩家对体验要求不断升级，催生大量4K/8K视频影像实时直播业务需求。
2.6.3通信能力需求
在直播业务中，无人机需要网络稳定高速保障实现高清实时视频传输，当前业界能力可以实现4K实时直播，未来为获得更清晰的画面更好体验，需要升级到8K视频回传。
同时直播场景也需要飞行状态监控、远程操控、网络定位能力，具体网络指标如下：
表2-5无人机直播业务网络指标
2.7编队飞行
2.7.1业务场景描述
目前无人机除了单机应用外，多机编队也开始出现，当前多机编队主要应用于表演领域。
无人机编队表演需要解决授时、导航、抗干扰、路
径协调等多个难题，多架无人机协同运动需要
精确的定位也需要精确同步的时间，酷炫的编队还需要规划合理的路线，同时要应对相互间的干扰。
多无人机协同编队飞行可以扩大任务范围、
提高任务执行效率和完成质量。
其中涉及的多无人机状态感知和数据融合、任务分配和航迹规
划、编队控制都需要通信技术的配合。
2.7.2发展趋势和特点
2017年12月，1180架无人机编队“科技舞蹈”
表达了对2017广州《财富》全球论坛的欢迎；
2018年2月，平昌冬奥会的开幕式演出中，1218架无人机组成一名单板滑雪运动员的形象；2018年5月在西安，则有1374架无人机进行表演，编队飞行的数量呈增多的趋势。
无人机编队飞行在其他领域也有较好的发展前景，不仅能够应用在无人机编队飞行表演中，在未来，这种大规模协同工作方式，将大大提高搜索效率和探测精度，在提供准确数据的同时，
为农林防护提升效率，为搜索救援赢得宝贵时间。
2.7.3通信能力需求
无人机编队飞行也叫无人机蜂群表演，有两种交互方式，通过地面基站给每一台无人机发布指令，或者无人机之间进行点对点的交互。
前者对通信可靠性、时延、连接数提出了高要求。
编队飞行对时延有较高要求，假设无人机的速度是60km/h，20ms网络时延引起的额外制动距离是
0.33米（60*1000/3600*20/1000），时延增加将直接影响编队飞行的安全性。
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表2-6无人机编队飞行业务网络指标
2.8未来云端AI自主飞行
2.8.1业务场景描述
当前的无人机无论是视距内控制还是超视距远程控制，都需要人观看无人机传回的实时视频进行控制，未来由云端的AI代替人观看视频控制无人机，将进一步提升效率解放人力，让无人机
实景导航，网络辅助的环境感知智能避障。
无人机回传感知传感器信息由云端AI判断周围的障碍物、多机协同避让，相比在无人机本地判断将节约成本和功耗，云端获取到的信息更加全面，算法统一易于升级。
5G网络同时回传采集到的业务信息，通过云端AI进行自动分析，提前识别隐患。
成为真正的空中智能平台。
2.8.2通信能力需求
机需要安全高速的网络保障实现高清多路视频
（4K/8K）回传到云端供AI处理、飞行状态监
控、远程操控、网络定位以及实时下载高精度三维地图，具体网络指标如下：
表2-7无人机自主飞行网络指标
2.9无人机通信需求总结
IMT-2020应用组预测，上述七大类网联无人机典型应用场景在未来市场空间与发展成熟度的关系如下：
各类应用场景对通信能力需求有所差异，但均从上下行速率、数据链路传输时延、控制链路传输时延、覆盖高度、定位能力等角度对移动蜂窝网络提出了不同等级的要求，为后续进行网络规划部署和网络能力实现提供了重要的依据。
图2-2无人机七大类应用场景空间与成熟度
4G 网络能力
3.1综述
蜂窝连接对于无人机的控制和协同操作非常重要，并能实现更多样化的使用场景。
当前已有很多无人机的应用在4G现网上运行，例如农业、物流、基础设施巡检等。
通信运营商与设备商也进行了大量的低空覆盖测试和研究，目前4G网络已经具备支持无人机部分场景的通信需求，但同样具有很多挑战，4G网络在带宽、时延、干扰协同上都存在一定的优化空间。
3.24G网络测试表明4G网络可支持无人机部分场景
2017年在4G现网中，运营商选取了多个城市不同场景进行低空网络质量测试，场景涵盖城区、工业园区和郊区，参见下表，站间距从
180米到2000米不等。
频段覆盖TDD-LTED频段
（2575～2635M）和F频段（1885～1915M）,测试高
度为50-300米，测试指标包括下行参考信号接收功率（ReferenceSignalReceivingPower，以下简称RSRP）、下行信号与干扰加噪声比（SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，以下简称SINR）、以及和安全飞行密切相关的上行业务速率、时延、掉线率等。
表3-1移动蜂窝网低空覆盖测试场景
信号质量测试结果显示低空50-300米区间信号强度RSRP在-80～-90dbm之间，属于较好覆
基站主要为地面覆盖建设，无人机所处高度不在地面站天线主瓣范围内，空中信号杂乱，且无主
盖，室外能够发起各种业务。
但由于飞行沿线的 覆盖小区，造成基站下行干扰较大，在部分区域
可能出现终端无法解调，出现断线失联问题，可能触发长时间处于该区域的无人机降落或返航。
下图为各场景不同高度RSRP和SINR分布图。
图3-1移动蜂窝网低空覆盖测试结果
表3-2移动蜂窝网低空覆盖测试结果
图3-2移动蜂窝网低空覆盖测试结果
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上行TCP业务速率测试结果显示在低空50-300m区间，速率均值可达5Mbps以上。
5Mbps以上速率占比超过70%，速率低于1Mbps占比仅在1%左右。
可以满足无人机安全飞行的状态信息采集通信需求（30~50kbps）。
在非失联区域，因无人
机安全飞行对下行速率要求较低（5~10kbps），在有通信连接的区域，也基本可以满足安全通信要求，但在干扰过大的失联区域，下行方向的管理指令传输困难，如长期处于该区域，可触发无人机降落或返航。
Ping包（32字节）和TCP小包（100字节）时延测试结果显示时延范围基本在200-300ms之间,300米高度时延会达到500-600ms。
图3-3移动蜂窝网低空覆盖测试结果
测试结果表明当前蜂窝网络在300米以下，信号覆盖良好，上行数据传输均值达到5Mbps，时延300ms以下，LTE蜂窝网络已可以支持联网无人机低速率的多种应用的通信需求。
300米以内空域地面网络信号覆盖强度较高，但当前的移动通信网络主要针对地面终端设计，当无人机飞行高度超过基站天线的主覆盖方向后，下行方向干扰较大，部分区域可能出现短
时断线问题，同时下行干扰对无人机监管业务的速率和时延也有影响，需要在这些区域针对低空覆盖特征进一步优化网络，包括联合处理，邻区关系优化等。
3.3现网低空覆盖面临的挑战
由于多数无人机的飞行高度在天线之上，无人机终端（UserEquipment，以下简称UE）的无线通信环境与地面UE存在差异，进而带来干扰增多、移动性管理复杂化、身份验证识别难等技术问题。
移动蜂窝网络除
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