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九寨溝地震中出現的無人機基站,你們都知道多少?

發布時間:2018-04-28 09:04:58 來源:C114中國通信網
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    在201788日的九寨溝地震中,無人機高空基站首次出現在搶險救災的現場,助力運營商快速恢復災區通信網絡

    截止到目前,國際上不少領先運營商先后推出無人機基站解決方案的實驗測試或演示,如美國Verizon2016年就啟動了固定翼無人機+LTE小基站的測試,2017AT&T發布Flying cow,系留式多旋翼無人機,主要用于通信搶險和大型活動應急,提供LTE網絡覆蓋。

    今天,我們就簡單科普一下,這些名稱繞口的無人機基站。

    目前,常見的應急通信系統是應急通信車,但當遭遇道路損毀、塌方時,交通受阻,往往導致應急通信車保障難以因地制宜地展開。另外,應急通信車的天線高度也受限,導致不能實現大面積信號覆蓋。因此,靈活的無人機高空基站越來越被看好,未來將更多地應用在救災指揮、治安反恐、熱點覆蓋等領域。

    無人機基站的演進發展,迄今為止經歷了3個階段:

    1.電池, 毫瓦級基站

    目前來看,電池式無人機是最成熟、應用最廣泛的無人機。在無人機行業內,絕大多數成熟的產品及解決方案,都是基于電池式無人機,比如掛載相機、攝像頭、農藥噴灑設備等。

    由于無人機系統是負載受限的,能夠掛載的任務負載的重量和體積非常有限,因此,在無人機基站的最初階段,就是將重量輕、體積小的毫瓦級基站作為無人機負載的一種,快速組合成為電池式毫瓦級無人機基站。在這個階段,只需簡單解決無人機與基站的結構對接、電源對接以及基站與地面核心網對接時的通信回傳問題即可。

    KDDI曾經發布過一款無人機基站,就是一款電池式毫瓦級無人機基站(如下圖)。該無人機除了掛載一臺毫瓦級LTE基站之外,還掛載了一臺CPE設備,利用CPE與地面基站之間建立的無線鏈路,解決了機載基站的通信回傳問題。

    2.系留式,掛載毫瓦級基站

    電池無人機雖然技術成熟、應用廣泛,但是有一個極大的限制,即飛行時間短。典型的電池式無人機掛載負載時的飛行時間一般不超過30分鐘。這個飛行時間對于短時間的簡單任務還可滿足需求,但是對于應急通信場景,往往需要應急基站在傳統地面宏站恢復工作之前持續運行數小時以上,這時30分時的飛行時間便無法滿足要求了。

    隨著無人機行業自身的發展,出現了一種可長時間飛行的無人機:系留式無人機。這種無人機通過一根系留線纜,從地面設備獲取飛行時所需電能。這種無人機理論上的飛行時間是無限的,但是受限于電機軸承等器件損耗的限制,在保證系統安全及器件經濟性的前提下,可提供10-20個小時的單次持續飛行。

    系留式無人機與毫瓦級基站的結合,便產生了一種新的無人機基站產品形態:系留式毫瓦級無人機基站。這種產品可快速部署,并且在空中可長時間停留,極大地擴展了無人機基站的實用性。在這個階段,機載基站的通信回傳擴展出了光纖回傳的方案,即在系留線纜匯總集成一根光纖,組成光電混合纜,同時傳輸無人機基站系統所需的電能和機載基站所需的回傳數據。

    下圖是AT&T發布的一款無人機基站,就是一款系留式毫瓦級無人機基站。該無人機系統選用了四軸八槳的架構,能夠極大地提升無人機系統的可靠性,以及定點懸停飛行的穩定性,更加適應通信場景的需求。

    3.系留式,掛載大功率基站

    解決了無人機基站飛行時間短后,另一個問題漸漸浮出水面,即基站覆蓋范圍有限。

    毫瓦級基站雖然有重量輕、體積小的優勢,但是由于其發生功率小,在頻譜、天線、終端等其他因素相同的條件下,其覆蓋半徑較小。在典型的場景下,基于2*125mW的基站,在50米的高度,手機終端進行正常業務的半徑只有300米左右。這就意味著單個無人機基站覆蓋的面積非常有限,不適用廣覆蓋的應用場景。

    為了解決這個問題,運營商經過不斷嘗試,將2*5W2*10W、甚至2*40W的基站掛載在系留式無人機上。現在,系留式大功率無人機基站的典型覆蓋半徑可輕松超過1公里,若基站使用更大的發射功率,覆蓋半徑可達到2公里,在配合使用高增益天線時,甚至可以超過3公里。

    下圖是中國移動(在九寨溝地震中使用的)的一款無人機基站,就是一款系留式大功率無人機基站。該無人機基站使用了10W以上的發射功率,并配置了高增益的天線,從而大大擴展了無人機基站的覆蓋半徑,進一步提升了無人機基站的實用性。

    現在,無人機基站經歷了3個階段的發展演進,已克服了飛行時間短、機載基站覆蓋半徑有限等最核心的瓶頸問題。然而,隨著無人機基站測試及應用的深入進行,出現了一系列新的、更深層次問題,即無人機與基站之間的配合協調及統一設計:

    a)結構統一性問題:現有基站的結構都不是為無人機場景專門設計優化的,一方面,自身重量大(超過10kg),重心往往也不在設備的正中間,在無人機振動大的環境中,極易產生晃動,影響飛機飛行穩定性和安全性。另一方面,無人機與基站之間缺少相互對接的結構設計,非常不便于設備的安裝、更換,也不利于系統間集成連接時的牢固性。

    b)機載基站與無人機系統之間的干擾:無人機系統需要通過GPS進行定高和定位,還需要通過無線方式對無人機進行控制。一方面,基站信號的干擾,會導致無人機位置出現飄移。另一方面,無人機系統的信號干擾,也會影響機載基站的覆蓋效果。

    c)無人機與機載基站供電未隔離:在特殊環境下,如高海拔、大風等自然條件下,無人機系統對于電源的消耗會加劇,這就會擠壓機載基站部分的功率供給,甚至有可能影響機載基站的正常工作。

    d)機載基站越重,整個系統的功耗越大:無人機系統起飛質量每增加6kg,系留系統的功耗需求就會增加約1kw。這意味著機載基站重量增加,會導致機載電源、地面電源、發電機的功率要求的提升以及整個系統的生產、運行成本的增加,同時,也意味著系留電源用于應對惡劣場景時的功耗冗余能力將會減少,從而影響整個系統運行的可靠性。

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