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九寨沟地震中出现的无人机基站,你们都知道多少?
2018-04-28 09:21:58 来源:C114中国通信网 作者: 【 】 浏览:727次 评论:0

    在201788日的九寨沟地震中,无人机高空基站首次出现在抢险救灾的现场,助力运营商快速恢复灾区通信网络

    截止到目前,国际上不少领先运营商先后推出无人机基站解决方案的实验测试或演示,如美国Verizon2016年就启动了固定翼无人机+LTE小基站的测试,2017AT&T发布Flying cow,系留式多旋翼无人机,主要用于通信抢险和大型活动应急,提供LTE网络覆盖。

    今天,我们就简单科普一下,这些名称绕口的无人机基站。

    目前,常见的应急通信系统是应急通信车,但当遭遇道路损毁、塌方时,交通受阻,往往导致应急通信车保障难以因地制宜地展开。另外,应急通信车的天线高度也受限,导致不能实现大面积信号覆盖。因此,灵活的无人机高空基站越来越被看好,未来将更多地应用在救灾指挥、治安反恐、热点覆盖等领域。

    无人机基站的演进发展,迄今为止经历了3个阶段:

    1.电池, 毫瓦级基站

    目前来看,电池式无人机是最成熟、应用最广泛的无人机。在无人机行业内,绝大多数成熟的产品及解决方案,都是基于电池式无人机,比如挂载相机、摄像头、农药喷洒设备等。

    由于无人机系统是负载受限的,能够挂载的任务负载的重量和体积非常有限,因此,在无人机基站的最初阶段,就是将重量轻、体积小的毫瓦级基站作为无人机负载的一种,快速组合成为电池式毫瓦级无人机基站。在这个阶段,只需简单解决无人机与基站的结构对接、电源对接以及基站与地面核心网对接时的通信回传问题即可。

    KDDI曾经发布过一款无人机基站,就是一款电池式毫瓦级无人机基站(如下图)。该无人机除了挂载一台毫瓦级LTE基站之外,还挂载了一台CPE设备,利用CPE与地面基站之间建立的无线链路,解决了机载基站的通信回传问题。

    2.系留式,挂载毫瓦级基站

    电池无人机虽然技术成熟、应用广泛,但是有一个极大的限制,即飞行时间短。典型的电池式无人机挂载负载时的飞行时间一般不超过30分钟。这个飞行时间对于短时间的简单任务还可满足需求,但是对于应急通信场景,往往需要应急基站在传统地面宏站恢复工作之前持续运行数小时以上,这时30分时的飞行时间便无法满足要求了。

    随着无人机行业自身的发展,出现了一种可长时间飞行的无人机:系留式无人机。这种无人机通过一根系留线缆,从地面设备获取飞行时所需电能。这种无人机理论上的飞行时间是无限的,但是受限于电机轴承等器件损耗的限制,在保证系统安全及器件经济性的前提下,可提供10-20个小时的单次持续飞行。

    系留式无人机与毫瓦级基站的结合,便产生了一种新的无人机基站产品形态:系留式毫瓦级无人机基站。这种产品可快速部署,并且在空中可长时间停留,极大地扩展了无人机基站的实用性。在这个阶段,机载基站的通信回传扩展出了光纤回传的方案,即在系留线缆汇总集成一根光纤,组成光电混合缆,同时传输无人机基站系统所需的电能和机载基站所需的回传数据。

    下图是AT&T发布的一款无人机基站,就是一款系留式毫瓦级无人机基站。该无人机系统选用了四轴八桨的架构,能够极大地提升无人机系统的可靠性,以及定点悬停飞行的稳定性,更加适应通信场景的需求。

    3.系留式,挂载大功率基站

    解决了无人机基站飞行时间短后,另一个问题渐渐浮出水面,即基站覆盖范围有限。

    毫瓦级基站虽然有重量轻、体积小的优势,但是由于其发生功率小,在频谱、天线、终端等其他因素相同的条件下,其覆盖半径较小。在典型的场景下,基于2*125mW的基站,在50米的高度,手机终端进行正常业务的半径只有300米左右。这就意味着单个无人机基站覆盖的面积非常有限,不适用广覆盖的应用场景。

    为了解决这个问题,运营商经过不断尝试,将2*5W2*10W、甚至2*40W的基站挂载在系留式无人机上。现在,系留式大功率无人机基站的典型覆盖半径可轻松超过1公里,若基站使用更大的发射功率,覆盖半径可达到2公里,在配合使用高增益天线时,甚至可以超过3公里。

    下图是中国移动(在九寨沟地震中使用的)的一款无人机基站,就是一款系留式大功率无人机基站。该无人机基站使用了10W以上的发射功率,并配置了高增益的天线,从而大大扩展了无人机基站的覆盖半径,进一步提升了无人机基站的实用性。

    现在,无人机基站经历了3个阶段的发展演进,已克服了飞行时间短、机载基站覆盖半径有限等最核心的瓶颈问题。然而,随着无人机基站测试及应用的深入进行,出现了一系列新的、更深层次问题,即无人机与基站之间的配合协调及统一设计:

    a)结构统一性问题:现有基站的结构都不是为无人机场景专门设计优化的,一方面,自身重量大(超过10kg),重心往往也不在设备的正中间,在无人机振动大的环境中,极易产生晃动,影响飞机飞行稳定性和安全性。另一方面,无人机与基站之间缺少相互对接的结构设计,非常不便于设备的安装、更换,也不利于系统间集成连接时的牢固性。

    b)机载基站与无人机系统之间的干扰:无人机系统需要通过GPS进行定高和定位,还需要通过无线方式对无人机进行控制。一方面,基站信号的干扰,会导致无人机位置出现飘移。另一方面,无人机系统的信号干扰,也会影响机载基站的覆盖效果。

    c)无人机与机载基站供电未隔离:在特殊环境下,如高海拔、大风等自然条件下,无人机系统对于电源的消耗会加剧,这就会挤压机载基站部分的功率供给,甚至有可能影响机载基站的正常工作。

    d)机载基站越重,整个系统的功耗越大:无人机系统起飞质量每增加6kg,系留系统的功耗需求就会增加约1kw。这意味着机载基站重量增加,会导致机载电源、地面电源、发电机的功率要求的提升以及整个系统的生产、运行成本的增加,同时,也意味着系留电源用于应对恶劣场景时的功耗冗余能力将会减少,从而影响整个系统运行的可靠性。

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