用无人机充当临时基站, 研究背景汇总

1、在面对海啸、地震和泥石流等严重自然灾害时,一般的移动基站都会遭到严重破坏,从而造成相关区域的通讯中断,在灾后救援的关键时期引发诸多的困难。

外媒报道称,现在来自美国的两家通信巨头:AT&T和Verizon,都在研究一种新的技术,可以让无人机在灾后紧急情况下提供临时的移动通信服务,从而有效避免灾后救援中的诸多不便。

据悉,Verizon内部已经制定了一个名为“空中LTE行动”的计划。该计划打算利用无人机充当临时的移动基站,灾时向地面提供移动通信服务。

在这一研究计划上,Verizon公司将和“美国航天技术公司”(American Aerospace Technologies)进行合作,未来将会展开无人机移动通信方面的试验。消息显示,研究中使用的通信无人机翼展长可达5.2米,这样的体积远远超出了普通消费者用于高空摄影的消费型无人机。

另外,Verizon也希望这种通讯无人机能够在更多领域发挥专业性用途。比如在高空中检查输电网络是否正常,检查石油管道的工作状态,或是采集农场、农作物生长的数据等。

无独有偶,Verizon的头号竞争对手AT&T,也在研发一项十分相似的技术。

据媒体报道,上个月AT&T正式宣布与高通展开合作,双方将研究一款能够和移动通信网络连接的无人机,其中的关键技术包括利用无人机提大范围、高强度的移动通信覆盖。

作为手机行业的处理器霸主,消息显示高通正在准备拓展无人机芯片市场,此前已经专门开发了一款无人机芯片组产品——“高通飞行平台”。预计AT&T无人机将会采用高通的多项无人机解决方案。

2、https://www.81uav.cn/uav-news/201707/30/25111.html本文来源全球无人机网(www.81uav.cn),原文链接:https://www.81uav.cn/uav-news/201707/30/25111.html

2017年4月12日江苏某通讯通信公司在系留式多旋翼无人机的基础上,采用卓翼智能“天枢”-100高空系留无人机作为承载平台开展了高空基站实验,以解决应急场景下4G信号的覆盖问题,并取得了圆满成功。

事实上,应急通讯是系留无人机主要的作用之一。在遇到自然灾害、电力中断等特殊环境下,通过系留无人机完全可以实现应急通讯保障。系留多旋翼无人机通信基站是随着多旋翼无人机技术发展起来的一种新兴通信技术,提高了人们应对各种自然灾害的能力,减少了灾害所造成的损失。在如洪水暴发、地震、泥石流、火灾、雪灾、大风沙等自然灾害中,在有线通信网络被破坏的情况下,利用系留多旋翼无人机通信系统,可以迅速建立起新的通信系统,以最快的速度与灾区取得联系,保障救援工作的顺利进行。

  要实现系留多旋翼无人机通信系统的应用,需要突破适用于微型电缆的大功率电源高效输送技术、超轻型光电复合系留缆技术、机载超轻型高效功率电源技术、系留供电条件下的飞行安全保障技术、轻型化大功率通信载荷技术、天线共形技术等一系列关键技术。

  我国是一个自然灾害频发的国家,在灾区核心区域内的公共通信网服务在几天内一般会全面中断且难以恢复;而应急卫星通信系统(国际海事卫星)因抢险现场的抢险单位和人员通信过多而负荷过重不能保证实时通信。许多抢险队伍因无抢险应急通信系统支持,使得抢险现场的信息不能实时送至抢险现场指挥部和后方应急中心。抢险队伍在进入灾区核心区域和进入后的工作过程中,与抢险现场指挥部和后方应急中心基本处于通信失联状态。

  系留多旋翼无人机通信基站系统可以搭载自组网电台、集群微型基站、LTE微型基站等多种通信载荷,形成多种灵活的通信应用配置方式,在灾区核心区域快速开通通信服务,在后方应急中心、现场指挥部与抢险队伍间形成超短波通信达40 km、宽带视频通信达10 km的大区域覆盖应急通信网络。

  系留多旋翼无人机采用电动飞行,安全可靠、性能稳定、使用方便,可以拥有几公斤乃至10几公斤的任务载荷,具有较强的抗风能力、优秀的姿态控制能力。目前比较成熟的自由飞行多旋翼无人机采用全碳纤维机身结构,安装有飞控导航电路、无刷电机、结合三维磁力计的GPS/INS导航系统,支持2.0B CAN总线,支持全自动导航自动驾驶飞行。

  不仅如此,卓翼智能研发生产的系留无人机可实现24小时滞空 、大载荷、安全稳定性极强,获得国内多项技术专利。广泛适用于救灾抢险、边界巡视、基地安全、景区监测、地质勘测、野外作业、森林防火、应急通信、公安反恐、交通监管、新闻采访、工程监控、环境监测、影视拍摄、科学研究、国防军工等多个广阔领域, 切实解决了在应急通信通讯监测实际应用中缺乏的问题。系留多旋翼无人机通信系统不仅仅在抢险救灾、应急通信中可发挥巨大的作用,未来在生活的各个领域也将得到积极应用。

3、

2017年九寨沟县发生 7.0级地震造成九寨沟多处光缆损毁、基站中断,通信受阻。中国移动集团应四川公司请求,紧急调运一套国际领先的无人机高空基站连夜送达地震灾区。无人机高空基站搭载4G基站作为指挥调度系统,应用了10W以上的发射功率,并配置了高增益的天线,覆盖面积最高达100平方公里,24小时不间断为当地1200个手机用户提供即时通话、上网等通信保障。使用了10W以上的发射功率,并配置了高增益的天线。

2017年10月受飓风「玛利亚」的影响,波多黎当地有90% 以上的发射塔都遭到破坏。运营商 AT&T 启动了名为「FlyingCow」的无人机服务。通过机身自带信号发射装置与地面的信号检测器连接,向信号不好的地区移动飞行提供信号。Flying COW的飞行高度可达100米,覆盖面积达40平方英里(约100个足球场大小),多旋翼版无人机通过地面电源线连接供电,可从地面直接连接光纤至无人机,以解决回传。偏远山区可通过卫星实现图传。

美国的运营商 Verizon 研发了可以让无人机在灾后紧急情况下提供临时的移动基站服务。这款无人机体积巨大,翼展长5.2米,重量达到了150斤,长达16小时的续航时间,并且具备抵抗恶劣天气的能力,在大风天气下也可以从容的在2300米的高空自由翱翔。

日本运营商KDDI“雄蜂基站”,该无人机通过附近的地面宏基站或应急通信车来实现无线回传。和AT&T的Flying COW不同,该无人机没有采用地面供电方式,受限于电池续航时间,飞行时间仅有30分钟,只能通过两组无人机交替飞行,来延长网络服务时间。

贝尔实验室的一款无人机—— F-Cell。F-Cell以无线的方式实现自我供电、自我配置以及自动连接到网络,并在联网后立即开始传输高清视频。

F-Cell技术主要是对网络架构的重新构建,以便在最佳位置部署关键功能网元。F-Cell架构包含位于中心位置的闭环64天线大规模MIMO系统,该系统可以将8个波束分发到8个自供能的(太阳能供电)F-Cell。经过重新设计后,F-Cell的处理功耗大大降低,太阳能电池板的尺寸也不会大于F-Cell本身。F-Cell技术将可以持续解决运营商及企业在小型基站与回传布线、部署及成本等方面面临的难题。

该架构支持频分双工(FDD)或时分双工(TDD)模式的非视距无线网络,以及多达8个独立的20MHz信道的并行运行模式,能够在现有LTE网络上实现1Gbps的系统吞吐率。未来,该架构将通过扩展,利用更高的频谱带宽、新的频段及更大规模的天线阵列,实现数十Gbps的系统吞吐率。

4、https://www.ednchina.com/news/20170814UAV.html

天线高度是影响无线通信覆盖范围的主要因素之将天线 升高可以减小地形对电波传播的影响,甚至可以将超视距通信改变为视距通信 ,显著改善通信链路质量 。利用无人机搭载通信载荷升空来改善受地形、地物和地球曲率影响导致的通信问题在国内外已逐渐成为研究和应用的热点 。

无人机中继通信很早就起步了,受限于无人机的飞行搭载能力 、滞空时间等因素 ,无人机中继通信主要选用大中型固定翼无人机 和无人直升机作为通信平台。

Loon项目实现高空通讯的原理示意

知名的空中网络基站项目主要包括谷歌的Loon(潜鸟计划,将中继器通过热气球上升至平流层,续航100天~180天)和脸书的Aquila(天鹰计划,利用无人机进行激光通信,续航90天);以及近地卫星通信解决方案,来自SpaceX、OneWeb等。此类空中基站的目的多是为了实现广域的信号覆盖,解决偏远地区缺乏基建的问题,以此扩张网络服务受众。

从需求来看,国内基站建设相对比较完善,但由于幅员辽阔,地理、气候条件复杂,是全球遭受自然灾害最严重的国家之一。自然灾害导致的光纤、基站受损可使通讯中断,影响救灾组织、指挥调度、人员搜救、次生灾害预防等进程。

应急卫星通信系统(国际海事卫星)因抢险现场的抢险单位和人员通信过多而负荷过重不能保证实时通信;北斗卫星系统现阶段还只能提供通信简i吾服务。 许多抢险队伍因无抢险应急通信系统支持 , 使得抢险现场的信息不能实时送至抢险现场指挥部和后方应急中心。 抢险队伍在进入灾区核心区域和进入后的工作过程中, 与抢险现场指挥部和后方应急中心基本处于通信失联状态。

常见的应急通信系统是应急通信车,但当遭遇道路损毁、塌方使其局限了其使用。再加上近两三年 ,随着直流无刷电机 、高能锂聚合物 、多旋翼协同控制等关键技术的突破 ,微小型多旋翼无人机日渐成熟。于是,便携式通讯基站,也即是基于系留式无人机实现的空中应急基站成为一种重要的解决方案。

一般的多旋翼无人机仅能飞行30分钟至1个小时 ,系留多旋翼无人机可以实现连续不间断飞行 。与此同时,由于天线高度可随无人机飞行高度升高,覆盖角度可随无人机旋转方向调整,能更加有效地实现大面积信号覆盖。

2009年,德国研究人员们初步测试了可提供Wi-Fi网络信号的无人机。美国运营商AT&T(Flying COW)、Verizon和高通均已测试过基于无人机的机载LTE网络基站,此外还有日本电信运营商KDDI的雄蜂基站、英国EE的LIVE。

最近,北德克萨斯大学的无人机基站也进行了野外实地测试,据称将系统传输功率上调到10W时,覆盖范围可以拓展到整个丹顿市。

系留式无人机应急通信高空基站具备三大特点:

1、续航时间长:采用光电复合缆,为无人机和RRU供电,续航时间可达8小时,较传统无人机基站续航时间提升31倍。

2、灵活性强:由小型越野车搭载无人机通信系统,可快速到达通信中断现场,满足保障需求。

3、可扩展性强:根据应急通信的不同场景,可灵活配置全向或定向天线,选择分组化微波或无线环网传输设备,安装模块化、飞控半自动化,普通人员短期培训即可上岗。

除了应自然灾害下的应急通讯通道需求,系留式无人机还被应用于监视和侦察,如CTTSO出资支持的美国航空环境公司(AeroVironment)的无人机系统Tether Eye,以色列用于边界监视、新闻采访的小型无人机产品HoverLite,CyPhy公司与美军合作的全景摄像袖珍系留无人机Pocket Flyer……

国内方案:华为+移动+创企

国内系留式无人机的发展主力目前是中国移动,相关应用已经出现在洪涝、台风、塌方、地震等灾害中,并在边界巡视、基地安全、景区监测、地质勘测、野外作业、森林防火、应急通信、公安反恐、交通监管、新闻采访、工程监控、环境监测、影视拍摄、科学研究、国防军工等领域有一些前景。

中国移动的系留式无人机背后还有华为(提供4G基站)和一家创企(卓翼智能科技有限公司)的影子。与两位大佬合作的这家创企,团队来自北航、清华、浙大等高校,有多名北航的教授、副教授担任公司技术顾问,据称已经获投数千万元。

有报道显示,借助该高空基站迅速建立的应急通信系统,无人机可为方圆5平方公里区域持续提供8小时的稳定信号(一说驻空高度800米时,覆盖可达20公里),站点部署可在2小时内完成(但本次地震中基站团队10日下午到达九寨沟,11日上午完成站点开通。实际运用中还有很多具体问题需要解决),平均下载速率为36.4Mbps,上传速率为5.47Mbps,平均语音MOS值为3.4,可同时为近千个手机用户提供即时通信服务,保障救援工作顺利进行。

诺基亚F-Cell:无线也能行

除了系留式无人机,诺基亚贝尔实验室还提出了F-Cell,集成太阳能电池模块的无人机基站,以无线的方式实现自我供电、自我配置以及自动连接到网络,并在联网后立即开始传输高清视频。由于其灵活性(无线)、大容量、低延时和可扩展性,F-Cell将可以持续解决运营商及企业在小型基站与回传布线、部署及成本等方面面临的难题,还被寄望于更为日常的未来广域网(5G、4G及LTE 4.5)建设。

据悉,F-Cell架构包含位于中心位置的闭环64天线大规模MIMO系统,该系统可以将8个波束分发到8个自供能的(太阳能供电)F-Cell。架构支持频分双工(FDD)或时分双工(TDD)模式的非视距无线网络,以及多达8个独立的20MHz信道的并行运行模式,能够在现有LTE网络上实现1Gbps的系统吞吐率。未来,该架构将通过扩展,利用更高的频谱带宽、新的频段及更大规模的天线阵列,实现数十Gbps的系统吞吐率。

无人机基站有望成为一种灵活的、续航可靠的通信基站,特别是作为台风、塌方、地震自然灾害、极端条件下的应急方案,系留式无人机基站技术已经成熟,并已有成功的案例;而贝尔实验室提供的无线小型基站方案则具备更为强大的实用性,不管是在应急方案中解决地面环境不适宜车载系统进入的问题,还是在未来的通讯部署方面。

5、

对于 Facebook来说,连接整个世界,可能比连接中国更重要。

为了达成这个目标,Facebook 从两年前开始不断做出努力,比如联合高通、微软、英特尔等知名企业推出非营利性组织 internet.org 来推动互联网向全世界更多地区普及。而今天在旧金山 F8 开发者大会上,Facebook 向我们展示了它在技术层面上为了实现这个目标做出的努力——无人机、超高性能的巨无霸通信基站,以及可以覆盖整个城市无死角的 Wi-Fi 网络发射器。

Aquila:无人机空天网络覆盖计划

“天鹰”无人机 (Aquila)——说它是“飞在天上的移动热点”一点都不夸张。虽然在去年 F8 大会上已经正式亮相过了,今年Facebook 又给我们抖出了一大堆 Aquila 的技术细节。

aquila-2

这架无人机的翼展比波音 737 客机(34米)还要宽。但由于使用了碳纤维作为材料,去掉了驾驶舱、机尾,采用了极为简单的设计,最后重量只有 300 KG 左右。机身上覆盖了太阳能电池板,由四台同样采用碳纤维制成的发动机驱动——这个发动机真的非常轻,在第一天的 F8 主讲环节,小扎还专门把发动机抱了起来让大家拍照。

facebook-zuckerberg-holds-engine

“一次能飞好几个月,样子还很酷。”Jay Parikh,Facebook 工程和基础设施副总裁向人们保证。去年 F8 时我们得到的消息是 Aquila 一次起飞续航时间至少能够达到 3 个月

在 internet.org 负责全球网络推广计划的 Connectivity Lab 的规划中,Facebook 将在未来和全世界各国政府、运营商和通讯技术公司进行合作,在那些网络覆盖差甚至没有网络的贫困国家和地区,起飞由数千架无人机组成的编队,向地面广播移动网络。

下面这张图图展示了无人机编队的工作原理:

aquila-mesh

编队起飞到达预定高度后,一架飞机(覆盖图中最左的黄圈区域)需要跟附近城镇里的信号站保持 40 公里左右的距离。信号站与这架飞机保持网络信号,而其它飞机组成一个网状网络 (mesh network) 与这架飞机相连,进而接入到互联网上。

示意图:网状网络

示意图:网状网络

这些飞机之间通过激光通讯传输数据,速率据称能够达到 10Gbps——这意味着在每架无人机所覆盖的区域内,所有用户能够享受到的网络带宽至少能够趋近这个数值。

和去年一样,Facebook 并没有透露 Aquila 飞机何时起飞开始服役。不过现在已知的情况是,Facebook 已经在考虑非洲南部的三个国家:南非(国境内还夹了两个小国莱索托和斯威士兰)、莫桑比克和马达加斯加。

Project ARIES:巨无霸天线、10倍传输效率,堪称基站中的战斗机

然而 Facebook 的飞机不可能飞遍全世界任何一个地方。在那些人口不算密集而气候条件不利于飞机广播网络的地区,传统一点的地面通讯基站更靠谱。

但 Facebook 为 ARIES 计划设计的基站可一点都不“传统”——单一基站就配备了巨无霸级的 96 天线;频谱效率高达 71 bps/Hz,很快就能突破 100 bps/Hz;而且,单一基站覆盖的面积更广,经济性高,适合在人居不密集,但仍然对移动信号有需求的农村地区安装。

aries-facebook

对于单一基站和天线来说,连接的终端(手机)越多,意味着每台终端得到的带宽就越小。

Facebook Connectivity 战略的终极目标就是:让用户花费 1/10 的费用获得优秀 10 倍的服务。ARIES 从“每用户带宽”和支持设备数(码流数)上都达到了传统基站系统的 10 倍左右。

从这点上看,ARIES 基站不愧是基站中的战斗机……

更重要的是,ARIES 基站还给未来 5G 通讯技术在农村地区的快速落地带来了希望!

Facebook 工程和基础设施副总裁 Jay Parikh

Facebook 工程和基础设施副总裁 Jay Parikh

Jay Parikh 透露,Facebook 在开发这些基站的时候已经在当中采用了5G 的标杆性技术之一:大规模多入多出技术 (Massive MIMO)。这意味着未来当 5G 技术成熟、商用化启动后,覆盖了 ARIES 基站的农村地区将有机会第一时间用上 5G!

Facebook 计划跟运营商、通讯设备制造商合作,将 ARIES 基站技术推广到越来越多国家的农村地区。

Project Terragraph:城市无死角覆盖 Wi-Fi

农村是连上网了,Facebook 也没有忘记城市。

城市环境中的通讯设备虽然普遍已经成熟,但因为人口非常密集,实际上使用起来体验也很差——这一点可能中国用户很难体会得到。就拿美国举例,在科技公司密度最高的湾区,你经常会遇到手机信号只有一格,进了超市商场餐厅就完全“与世隔绝”的情况。而Facebook另一个计划 Project Terragraph 准备解决这个棘手的问题。

terragraph-prototype-node

Facebook 打算在城市的基础设施上,比如电线杆、灯柱、交通信号牌,甚至是街角随便的一根柱子上,把低功耗 WiGig(802.11ad)芯片当成“热点”,让 Wi-Fi 信号无死角覆盖到城市的每一个角落里。

你不用担心这些热点的功率不够。WiGig 标准的优劣势很明显:数据速率高达 7 Gbps,如果搭配上其他增效技术速率能猛增至 25 Gbps,但传输距离比传统的 Wi-Fi 短,理论上能达到 200-250 米左右,穿墙效率也很低。不过,至少你再也不用担心你角落里的办公室打不通电话、上不了网了。

terragraph-four-sector-distribution-node

Facebook 计划在城市中使用 WiGig 标准的 60 GHz频段来运行 Terragraph Wi-Fi 计划。而针对城市不同地段的流量压力,Facebook 会通过云计算来智能分配流量。

Jay Parikh 说 Facebook 不会自己运营通讯业务,而是帮助运营商伙伴在行业里去推进这些技术落地。的终极目标始终是连接世界上的每一个人。

我更喜欢这样概括 Facebook 的终极目标:“成为人际关系的操作系统”。

为了连接到世界上更多的地方和更多的人,Facebook 花费了巨资、大量人力和时间。在非洲、南美洲和中东的贫困地区,Facebook 面临的挑战在于通过技术、政府斡旋和公司合作的方式,让那里的人们都能用到智能手机,都能连上网,然后教会人们使用那些必不可少的软件和服务。

现在,Facebook 面向贫困地区推出的 Free Basics 计划正在缓慢而又稳步的推行当中。这一计划让用户可以免费或者支付极低的流量费用去访问他们日常使用的服务,比如社交网络、聊天软件、医疗和教育服务等等。

在查资料的时候,我看到了 2014 年 PingWest品玩报道 Facebook 无人机文章下的一条评论:

bad-comment-connectivity

当 ARIES 基站伫立在广袤的非洲草原、Aquila 无人机飞在天上的那一刻到来时,我很想看看这位读者脸上的表情。

猜你喜欢

转载自blog.csdn.net/WASEFADG/article/details/89437137