基于Smart Relay的无人机应急通信方案

无人机应急通信的必要性

我国是世界上受自然灾害影响最为严重的国家之一，灾害种类多、灾害发生频率高、灾害损失严重。地震、洪水、泥石流、台风、暴雨等自然灾害及恶劣天气一旦发生，可能造成灾区大面积通信中断，这不仅会影响灾区民众的通信，更会影响到灾害救援行动的开展。

2008年四川汶川大地震，将整个汶川县毁于一旦，灾区的通信设备也遭到严重的破坏。中国移动数千个基站受损退服，中国联通在汶川的网络大部分中断，刹那间汶川与外界失去联系，成为了一座“孤岛”。同时，因通信联络急剧增多，四川当地当日手机长途话务量升到日常的10倍，打往四川、陕西等地的手机接通率下降到日常平均值的50%左右。因此，建立健全应急通信保障体系，在灾难发生时保障灾区能够与外界保持通畅的信息联络非常重要。

应急通信是指日常通信系统由于某种原因不能满足通信需求，利用各种通信资源，迅速构建起稳健灵活的通信平台来保障必要的通信手段和方法。是一种具有临时性的特殊通信机制，尤其在重大自然灾害时，担负着保障救援和减灾通信的任务，是现代通信重要组成部分。

传统的应急通信车一直是保障临时通信的主力。但是由于技术条件、自身硬件等因素影响，应急通信车服务范围较小，信号稳定性较弱，而且有可能因为道路塌方、拥堵，而无法抵达受灾核心区域，从而难以及时提供应急通信服务。因此采用传统方式建立应急通信站、恢复灾区基站，不但效率不高、成本较大，而且也十分困难。

随着无人机技术的发展以及通信技术的日益成熟，为灾区提供应急通信有了新的便捷手段。无人机产业发展迅速，各行业无人机产品应用广泛。凭借机动性、简便性、易操作性等优势，无人机可以很好地承担应急通信任务，在辅助灾害救援方面大有用武之地。

一般来说，高度是影响无线通信覆盖范围的主要因素。因而，与应急通信车相比，利用无人机来提供通信服务，信号会更为稳定，覆盖范围也更广阔，并且不受地形条件、道路状况等因素限制，能够快速在灾区构建临时通信网络，满足救灾、联络等需求。

无人机应急通信平台的选择

近年来，无人机技术迅速发展，主要有旋转翼无人机、固定翼无人机、消费级无人机、系留式无人机。消费级无人机滞空时间较短并且承重能力有限，不太适合作为无人机基站的平台；旋转翼无人机的滞空时间较短，可承载一定重量的设备且可以灵活飞行，适合短时间内特定区域的应急通信覆盖；系留式无人机克服了旋转翼无人机滞空时间短的短板，通过系留线缆可为无人机及基站设备长时间供电，增加了滞空时长，但也失去了飞行灵活性。几种无人机平台的对比如表 1所示。

在我国，无人机应急通信的研究与应用较早。受飞行性能、续航能力、搭载能力等因素影响，一般主要选用无人直升机作为应急通信平台。近些年来，由于多旋翼无人机的发展，开始应用于应急通信平台。但多旋翼无人机大多体型较小，电池持续能力有限，无法实现长时间滞空，因而业内企业选择开发了系留式无人机这一全新机型。

相对于其他无人机，系留无人机平台具有三大优势：

一是续航能力强：系留式无人机与一般无人机最大的不同，就在于这“系留”二字上。通过系留线缆连接无人机的方式，执行应急通信任务的系留无人机不仅能够获得充足动力以保持长时间滞空，还能够解决无人机和地面设备的通信，更好地保障通信需求。

二是机动能力强：系留式无人机可由小型越野车搭载，能够快速抵达灾区或任务区，即便遇上道路阻隔，也能利用无人机的高度、灵活优势，发挥重要作用。

三是使用简便：系留式无人机通信基站可以根据不同场景、不同需求，灵活配置相关设备和模板，因此操控较为简单，对于驾驶员的要求较低，基本上短期培训即可上岗。

得益于上述诸多优势，系留式无人机的发展前景颇为市场看好，各大通信运营商积极展开布局。2016年中国移动在湖南、北京多地进行了系留式无人机应急高空基站测试；2017年九寨沟地震与湖南洪灾时，中国移动紧急出动了系留式无人机通信基站来满足灾区的应急通信需求。另外，在2018年世界移动大会（MWC）上，中国移动还在展台上展示了系留式无人机应急高空基站，并受到了业内人士的广泛关注。可见，系留无人机的实际应用已经较为成熟，具备了初步规模化商用的基本条件。

未来，随着无人机技术和通信技术的进一步发展，系留式无人机有望继续提升性能表现，为更好地应对自然灾害及地理限制提供帮助。在应急通信、中继通信等市场需求增长影响下，系留式无人机或将成为无人机细分领域中的新翘楚。

无人机应急通信传输的选择

传统的通信传输主要依靠光纤等有线设备，部分采用微波传输。无人机基站可以微波、卫星和无线中继等几种方式为基站提供回传。几种传输方式中，卫星传输能够满足应急救灾的各种场景，不受回传距离限制。但是传输带宽会有所限制并且租金相对较高，安装较困难；微波传输对安装要求也比较高；使用LTE Relay方案为无人机提供回传，只需要无人机上的CPE（Customer Premises Equipment，我们称为Airbridge）能够接入到LTE小区，就可以为无人机应急通信基站提供无线回传，但是采用LTE Relay也有局限性，要求在灾区附近存在可用的LTE基站。

无人机应急通信可采用分体式基站或一体化基站。采用分体式基站时，BBU可放置在地面，无人机平台放置RRU，地面系留箱可为无人机及其上的RRU供电，同时还能够提供光纤连接BBU和RRU，具体网络拓扑如图 1所示。

使用分体式基站，仅将RRU设备放置在无人机，BBU放置地面，减轻了BBU的重量，故RRU的功率可以更大些，这样覆盖范围也会更广。分体式基站的传输使用微波、卫星或者本地传输线缆等比较方便，不太适合采用LTE Relay提供回传。

一体式无人机应急通信系统可以采用LTE Relay方式为无人机基站提供回传。该方案无人机搭载Relay UE和Relay基站两部分，两部分可以是一个整体或是分体结构通过网线相连接。Relay UE接入现存的LTE小区，为Relay基站提供回传服务。Relay基站可以通过多级级联方式来扩展覆盖区域。级联时如果仅仅是短时间提供无线覆盖，无人机也可以采用非系留式多旋翼无人机，这样基站就可以在空中移动，覆盖区域更具有目的性，具体网络拓扑如图 2所示。

ZTE Smart Relay方案介绍

采用微波作为传输需要有微波的接收和发射设备，卫星传输则需在灾区地面安装小口径卫星终端VAST，这两种方式都比较常见。这里介绍下LTE Relay的工作原理，如图 3所示。

Smart Relay在核心和传输间添加了一台Relay GW设备，能够支持建立VPN隧道（VPN隧道可以是L2TP隧道也可以是IPSec隧道）。通过一个支持VPN隧道的Airbridge接入宿主站，为Relay基站提供回传。

核心网需要为Airbridge配置一个APN，CPE配置该APN，接入宿主站点后可以和Relay GW通信，从而建立VPN隧道，VPN隧道建立完成后，Relay基站即可与核心网和O&M进行通信。

Relay基站将数据发给核心网或O&M设备的过程：从Relay 基站发送给MME/XGW/OAM的数据，先发送给Airbridge，Airbridge将数据封装到VPN隧道后发送给Relay GW，Relay GW解封装数据后转发给MME/XGW/OAM。

核心网或O&M将数据发给Relay基站的过程：从MME/XGW/OAM发送给Relay基站的数据，先发送给Relay GW，Relay GW将数据封装到VPN隧道后发送给Airbridge，Airbridge解封装数据后再转发给Relay基站。

采用该Smart Relay方案具有以下几个方面的特点：

●　无需升级宿主站：宿主站和Airbridge依旧采用Uu口传输方式，宿主站没有特殊的要求，因此无需升级改造宿主站点，这对于应急通信快速部署提供了便利。

●　无需升级核心网：核心网依旧采用现有核心网，并不需要专门升级。需要Relay GW和核心网间可正常通信，对于核心网发给Relay基站的数据，都需要先将数据转发给Relay GW，Relay基站发给核心网的数据都要由Relay GW转发出去。

●　Relay基站可在宿主站间移动：由于Airbridge的锚点在Relay GW，故Airbridge可以在多个宿主站间进行切换，对于非系留式多旋翼无人机站点，可以灵活移动为目标区域提供覆盖，也可以为由于灾害导致车辆无法抵达区域提供覆盖，只是采用非系留式无人机滞空时长有所限制。

●　快速部署：Relay GW可在灾害发生前部署，整个系统也可以在灾前配置调试。拿到灾区只要开机后Airbridge可接入宿主站点，整套系统即可正常工作，耗时短、部署快。

无人机应急通信试验

基于Smart Relay的无人机基站经测试，现场十分钟即可完成安装调试的准备工作。

试验时采用大疆无人机，可载重6kg。采用中兴通讯BS8102微站和CPE，同时搭载了一块蓄电池用于给基站和无人机供电。通过实验，验证了基于Smart Relay的无人机基站方案的有效性，下行峰值速率达到了44Mbps，上行峰值速率达到了20Mbps(见图4)。

基于Smart Relay的无人机基站方案，随时随地都可快速部署，对现网改动小。满足应急救灾的快速开通和任意地点部署的要求，同时系留无人机可为无人机和基站设备提供电源和传输，实现了无人机可长时间滞空，是解决应急救灾较理想的一种方案。