原著「郊外型スマートファームのマルチマシン協調運用における5Gネットワーク化に関する研究」が「無線通信」誌に掲載されました。著者は、河南農業大学情報管理科学学部の CITIC Mobile Communication Technology Co., Ltd の Li Yong、Xi Lei、Wang Wenlong、Shi Lei、Che Yinchao、Ma Xinming、および Li Chao です。
単一の農業機械の操作技術に関する研究は徐々に成熟してきており、複数の農業機械の共同操作の通信技術に関する研究の報告はほとんどない。複数の農業機械の稼働中、車載センサーを通じて大量のさまざまな種類のデータ (画像、ビデオなど) が継続的に収集されます. 5G は、これらのデータの帯域幅、遅延、速度に関する伝送要件を満たすことができますか?機械群の共同作業を実現することは研究に値する科学である.
国内外の研究状況と動的分析を慎重に整理した後、この論文では、マルチマシンの協調操作をサポートする無線通信技術がスマート ファームの重要な技術的特徴であることを提案します。マルチマシンの共同操作をサポートすることは検討する価値があります。本稿では、河南省新郷にある国立農業科学技術園区を実験拠点として選び、設計実験を通じて、基準信号の受信電力と信号対干渉雑音比の指標をテストし、 4G および 5G 信号は、車載機器およびハンドヘルド機器を使用して実際に測定され、測定データを視覚的に表示および分析し、スマート ファームでの複数のマシンの共同作業に 4G および 5G ハイブリッド ネットワークを使用する方法について科学的根拠とガイダンスを提供します。 .
テキスト | Li Yong et al.
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01.はじめに
産業の情報化と都市化の継続的な進歩に伴い、わが国の伝統的な農業生産に従事する労働力は徐々に減少し、農業労働力の高齢化と不足が徐々に顕著になり、農業の発展を制限する重要な要因となっています。将来、誰がその土地を耕作し、どのような機械で農業を営むかが我が国の喫緊の課題であり、農業機械の操作は反復的で重労働であり、作業環境は比較的閉鎖的であり、無人農機の着陸には自然な条件が整っています。農業機械。国策がスマート農業や無人農園の需要に傾く中、無人運転の国内需要は増加の一途をたどっており、全国各地で無人実証農園やスマート農業を構築し、無人農業のプロセスを切り拓こうとしている。農業生産の「機械の置き換え」を特徴とする近代的なスマート農業の開発に対する需要が高まっています[1-2] ; スマート農業は、未来の農業の発展方向であり、近代農業の高度な形態です[3-4]。作付地では、「耕す・植える・管理する・収穫する・運ぶ」という一連の作業を無人化するために、各種自動運転農業機械（トラクタ、ハーベスタ、穀物運搬車など）が必要となります。効率化、農家の経営経験の向上、農家の労働集約度と単位面積あたりの投入コストの削減など。
単一の無人トラクターの毎日の作業負荷は 16hm 2に達し、走行速度も 12km/h に達することができ、高精度の操作と全地形適応性により、自動運転の毎日の作業負荷と走行速度は比較して約 33.3% 増加します。手動運転では50％[5]、赤外線、ナビゲーションと測位、ミリ波レーダーなどのセンシング技術の支援により、トラクターは夜間の無人運転状態でも作業効率を確保でき、自動運転農業機械は必要な移動は不要で、燃料消費と環境汚染を効果的に削減すると同時に、土壌圧縮も削減します[6-7]。
農業機械の自動運転とは、農業機械設備が、自身に搭載された各種センサーや通信機器を介して車両の周囲環境情報や自身の空間位置情報を取得し、あらかじめ設定された走行経路を自律的にたどり、障害物を積極的に回避して完走する技術です。操作[8 ]。全球航法衛星システム (Global Navigation Satellite System, GNSS) と中国北斗航法衛星システム (BeiDou Navigation Satellite System, BDS) の地理空間空間での絶対位置測定に基づく測位技術は、農業機械の自動運転に適用されます [9 ]。
1992 年まで、米国のトリンブル社が RTK システムを開発し、商用化したことで、農業における GNSS の適用に対する障害がクリアされました[10]。中国の農業機械の自動運転技術に関する研究は、2004 年に Luo Xiwen のチームによって開始され、10 年以上の研究を経て、スピード ワイヤー制御、マスター スレーブ ナビゲーション、パス トラッキング、自動障害物などの 10 以上の重要な技術を突破しました。ロータリー耕耘機、収穫機、田植機などの無人農業機械は、水田シーンの自動ナビゲーションで世界をリードするレベルにある [11-12] ; 一方、インテリジェント ネットワーク無人農業機械技術はまだ開発されていない海外で新たな技術的ブレークスルーを起こしました。
華南農業大学、上海交通大学、国家農業情報工学技術研究センター、上海聯石航法技術有限公司、濰柴昴重重工業有限公司は、農業機械航法技術の研究に参加した [13-17 ] . 各国は自動または無人農業機械の標準化を重視していますが、現在、農業機械の自動運転の程度を分類するための統一された国際基準または標準はなく、自動運転農業の通信プロトコル標準と故障率はありません。 、運用効率、土地利用効率、運用精度などをテストし、評価するか、機器のインターフェースプロトコルと仕様を統一します。
車両通信 (VC) は、世界中の学者やエンジニアの注目を集めています。車両通信は様々な通信プロトコルで構成されており、現在各国で統一された規格はなく、米国に代表されるDSRC（Dedicated Short Range Communication）技術規格が主流です。早くも 1992 年に、米国材料試験協会 (ASTM) は、車両通信用の DSRC 技術ドラフトの開発を開始していました[18]。DSRC 技術標準は本質的に 5.9GHz スペクトルの IEEE 802.11a 標準の低オーバーヘッド調整です. したがって、IEEE 802.11 プロトコル スイートでは、DSRC は IEEE 802.11p [19] と呼ばれ、ワイヤレス ローカル エリア ネットワークに属します。 DSRC に関する詳細な研究のフォローアップ 研究は少ない[20]。しかし、中国に代表されるセルラー通信技術をベースとしたLTE-V2X規格が策定されており、残念ながら、車両通信技術は安全関連のアプリケーションを実装するために大規模に使用されるには至っておらず、大規模なアプリケーションの実装にはまだ至っていません。商用アプリケーションをスケーリングします。自動車の無人運転技術と比較して、農業機械の自動運転技術は、走行速度が遅く、動作精度が高く（±2.5cm）、低コストで耐久性が高いという特徴があります。
要約すると、国内外の研究状況と開発動向に基づいて、国内外の農業機械グループ操作の無線ネットワーク通信技術標準はまだ統一されておらず、無線に関する既存の研究はほとんどないことがわかります。農機群操作のためのネットワーク通信技術とデータ伝送方法[21-23] ; 農業機械単体の操作技術に関する研究は徐々に成熟してきており、共同操作のためのネットワーク通信技術に関する研究報告は少ない。複数の農業機械が使用されており、使用されている新しい通信技術に関する研究報告はありません。
したがって、無線ネットワークの通信技術とデータ伝送方式に関する研究は、重要な理論的意義と応用価値を持っています。現代の大規模生産状況下では、運用効率を向上させるために、複数の自動運転農業機械や設備と連携する必要があります[5] [23]。国家政策により、農村の土地は急速に移転・集中し、農業生産は情報化、知能化、無人化の新時代に入り、中国のスマート農業の時代が徐々に幕を開けた。
複数の農業機械の協調動作を実現するためには、大量の異なる種類のデータ (ビデオ、画像など)、品質 (Quality of Service、QoS) およびその他の要件 [24-26] があり、これらのデータにはさまざまな要件があります。優先度、遅延、帯域幅、QoS などについて、これらのデータの特定の伝送要件をどのように満たしてクラスターの協調動作を実現するかは、検討する価値のある問題です。4G、5G、およびワイヤレス ローカル エリア ネットワーク (WLAN) は、近年急速に発展し、広く展開されています。複数の自動運転農業機械や機器が相互に認識し、4G、5G、および WLAN を介して情報を交換できるかどうかは不明です。このホワイト ペーパーでは、小麦とトウモロコシのローテーションにおける複数マシンの協調操作のための通信技術の実際のニーズに焦点を当て、通信技術のボトルネック問題を解決することを目的として、4G、5G、および WLAN ハイブリッド ネットワーキングを使用して、複数の機械の共同作業の理論的基礎と技術的サポートを提供することは、私の国の農業機械設備通信技術の研究開発レベルとスマート農業の開発を向上させることは、大きな価値と実践的意義があります。
02.農場実測実験と結果分析
農機群操作の無線ネットワーク通信技術とデータ伝送方式に関する本研究では、まず、農業環境における無線通信の既存のハードウェア条件が農機操作の要件を満たしているかどうかを明らかにする必要があります。農場の場所、土地面積、作物の高さ、密度、緑の木の分布、木の高さ、4G、5G 基地局の場所と農場近くの高さ、農業機械の移動速度のモデル化、基準信号の受信電力のテスト (参照信号) に関するワイヤレス テスト実験を設計します。受信電力、RSRP)、平均信号対干渉 + 雑音比 (信号対干渉 + 雑音比、SINR)、元陽試験基地の通信環境試験条件は次のとおりです。
(1) 試験時間: 2022 年 3 月 19 日 9:30~11:50、天気は曇りで風が少し強い。
(2) テスト端末: Huawei p40 (11.0.0.990SP11)、自社開発の Cool Test ソフトウェア (DT_Cool Test 3.0);
(3) 試験速度: 歩行試験の平均速度は 8km/h、運転試験の平均速度は 30km/h です。
テスト結果を図 1 ～ 4 に示します。
図 1. 4G リファレンス信号の受信電力
図 2. 4G 信号対干渉ノイズ比
図 3. 5G リファレンス信号の受信電力
図 4. 5G 信号対干渉ノイズ比
RSRP と SINR は、ワイヤレス信号カバレッジの 2 つの最も基本的な指標です。RSRP は、4G ネットワークでのワイヤレス信号強度を表すことができる重要なパラメータであり、物理層測定要件の 1 つです。これは、基準信号を伝送するすべてのリソース要素で受信されます。特定のシンボル. 受信信号電力の平均値; SINR は、受信された有用な信号の強度と受信された干渉信号 (ノイズと干渉) の強度の比率を指し、「信号対ノイズ」としても知られています。比"。図 1 ～ 4 から、ファーム上の 4G 信号の全体的なカバー率は約 95.82%、平均 4G RSRP は約 -85dbm、平均 SINR は約 7db であることがわかります。フィールド テストでは、5G 基地局はファームから約 5 キロメートル (Km) 離れており、ファーム全体の 5G カバー率は約 35.77%、平均 5G RSRP は約 -104dbm、平均 SINR は約 - です。 0.94デシベル。
図 1 ～ 4 のテスト データは、ファームに適したマルチモーダル ネットワークと通信モデルを調査および設計する必要があることを示しています。農場の無線電波到達環境は、4Gと5Gが混在するマルチモードネットワーク構成を採用 農機センサーで収集したデータを4Gと5Gで基地局側に送信し、基地局で集約集約されたデータは、オペレーターのパブリック ネットワークを介して送信され、処理のためにクラウドに移動し、クラウド分析の後、元のルートに沿って農業機械設備にフィードバックされ、農業機械設備は指示に従って対応する操作を実行します。
03. 5Gによるマルチマシン連携運用のサポートとガイダンス
速度に関しては、小麦とトウモロコシの輪作の複数機械の協調操作、車輪付き農業機械の平均走行速度は、運転中および操作中は30km / h未満であり、回転の過程では速度は20km / h未満です。耕作、耕作およびその他の操作. 中低速操作に属します. 遅延に関して, 車輪付き農業機械には、中低速の運転シナリオでの遅延に関する厳密な要件はありません. 日常の公衆ネットワーク通信環境では、サービスは必要です.大規模なデータの遅延は 15ms 以内で、車輪付き農業機械の操作のニーズを満たすことができます;農薬散布、受粉および繁殖目的のドローンの飛行速度は、高速に属する 30km/h 以上です。飛行環境; 殺虫剤散布、受粉および繁殖目的の無人航空機 機械の遅延要件はより厳しくなっています. 日常の公衆ネットワーク通信環境では、ビジネスでは、大きなデータ パケットの遅延が 17ms 以内である必要があり、小さなデータ パケットの遅延が必要です。したがって、既存の公衆ネットワーク通信技術は、ドローンの要件を満たすのが難しく、UAV の運用経路に応じて、一方では、既存の公衆ネットワークのアンテナ角度を調整する必要があります。 5G 基地局を設置して、UAV の運用経路が位置するエリアの信号強度を高める一方で、5G 基地局の配備数を増やして 5G 信号のカバレッジを拡大します。
ファームでの 4G 信号の全体的なカバレッジは約 95.82%、平均 4G 基準信号受信電力 (基準信号受信電力、RSRP) は約 -85dbm、平均信号対干渉 + ノイズ比 (信号対干渉 + ノイズ比) です。 、SINR) は約 7db です。したがって、WLAN の WIFI-6 には、低コスト、広い帯域幅、高速、免許不要の周波数帯域、自己組織化という利点があるため、4G 通信モードはリアルタイム要件の低い中速および低速の車輪付き農業機械に使用できます。 、および他のネットワークとの共存 現場の固定画像およびビデオ センサーの場合、WIFI-6 を Web サイト展開に使用できるため、複数のセンサーによって収集された画像およびビデオを中央ノードに送信し、中央ノードを送信することができます。オペレーターのブロードバンドを介してクラウドに。
04. エピローグ
実験計画を通じて, 単一の 5G 基地局がファームから約 5Km 離れた場所でテストされます. ファームの全体的な 5G カバレッジは約 35.77%, 平均 5G RSRP は約 -104dbm, 平均 SINR は約 - 0.94デシベル。ファームで 4G および 5G ワイヤレス信号をカバーするには、WLAN で 4G、5G、および WIFI-6 のマルチモード ネットワーク構造を採用する必要があります。
農業機械の搭載センサーによって収集されたデータは 4G を介してネットワークのエッジに送信され、無人航空機は 5G のカバレッジ エリアを介してネットワークのエッジに送信され、固定画像およびビデオ センサーWIFI-6 を介してネットワークのエッジに送信され、データ集約を実行し、集約されたデータは、処理のためにオペレーターの公衆ネットワークを介してクラウドに送信され、その後、元のパスに沿って農業機械装置にフィードバックされますクラウド分析後、農業機械設備は指示に従って対応する操作を実行し、複数の機械の協調操作とさまざまなセンサーを実現します通信サポート。
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- 終わり -
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