5G无人机应用白皮书|免费下载.pdf

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1、目录 P1 P2 P12 P17 P24 P26 P36 P39 P45 P47 引言 无人机应用场景和通信需求 4G网络能力 5G网络能力 网联无人机终端通信能力 5G应用案例 无人机安全飞行 标准进展 趋势，总结和展望 贡献单位 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架 构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力 量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。 1

2、 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 引言 无人驾驶航空器（ Unmanned Aerial Vehicle, 以下简称 U AV）简称为无人机，其全球市场在过 去十年中大幅增长，现在已经成为商业、政府和 消费应用的重要工具。无人机能够支持诸多领域 的解决方案，可以广泛应用于建筑、石油、天然 气、能源、公用事业和农业等领域。当前，无人 机技术正在朝军民融合的方向高速发展，无人机 产业已经是国际航空航天最具活力的新兴市场， 成了各国经济增长的亮点。 无线通信在过去 20 年经历了突飞猛进的发 展，从以话音为主的 2G 时代，发展到以数据为 主的 3G 和 4G 时代，目前正在

3、步入万物互联的 5G 时代。移动网络在继续丰富人们的沟通和生活的 同时，也向全行业数字化转型提供能力，提高各 行业的运作效率和服务质量。 5G 以全新的网络 架构，提供 10Gbps 以上的带宽、毫秒级时延、 超高密度连接，实现网络性能新的跃升。 ITU 定义了 5G 三大场景：增强移动带宽（ Enhanced Mobile Broadband,以下简称 eMBB）、超高 可靠低时延通信（ Ultra-Reliable Low-latency Communications，以下简称 uRLLC）、大 规模机器类通信（ Massive Machine-Type Communications，以下

4、简称 mMTC）。 无人机行业高速发展的同时，也对无人机通 信链路提出了新需求，呈现出与蜂窝移动通信技 术紧密结合的发展趋势，形成 “网联无人机 ”。业 界预测，无人机与移动通信的结合，将给产业界 带来 10倍的商业机会。移动运营商经过几十年的 发展覆盖了全球 70%的陆地及 90%的人口。以往 无线信号主要覆盖地面的人和物，没有专门为无 人机设计空中覆盖，低空数字化是一块有待开发 的宝藏。在即将到来的 5G时代， 5G蜂窝移动通 信技术与无人机的结合使得这些原本难以想象的 想法成为可能。 本文将给出网联无人机应用场景和通信需 求、 4G现网及未来 5G网络对无人机需求的满足 度， 5G网络下

5、网联无人机的应用案例，无人机终 端通信能力，安全飞行相关法规与通信需求，标 准进展，并对网联无人机的未来进行展望。 注：无人机有多种分类方法(飞行高度、重量、用途、动力、活动半径) 本文中的无人机是作业高度300m以下民用无人机 2 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 1.应用场景综述 无人机是利用无线遥控和程序控制的不载人 飞机。它涉及传感器技术、通信技术、信息处理 技术、智能控制技术以及航空动力推进技术等， 是信息时代高技术含量的产物。无人机价值在于 形成空中平台，结合其他部件扩展应用，替代人 类完成空中作业。目前以消费类无人机占据更多 的市场份额，但行业无人机也正在被

6、看好。今年 6月结束的 2018世界无人机大会预测，未来 5年， 全球行业无人机行业将保持迅猛发展，到 2022 年市场总值将达到 150亿美元，为 2016年的近 12 倍；其出货量将突破 62万架，是 2016年的 6倍。 目前，在中国乃至世界各地，诸多领域已 显现出 “无人机 +行业应用 ”的蓬勃发展势头。无 人机在农林植保、电力及石油管线巡查、应急通 信、气象监视、农林作业、海洋水纹监测、矿产 勘探等领域应用的技术效果和经济效益非常显 著。此外，无人机在灾害评估、生化探测及污染 无人机应用场景和通信需求 图 2-1 数字网联天空 采样、遥感测绘、缉毒缉私、边境巡逻、治安反 恐、野生动物

7、保护等方面也有着广阔的应用前 景。深圳市无人机行业协会提供的统计数字显 示，截至 2017年 12月 31日， 2017年中国国内民用 无人机产量达到 290万架，同比增长 67%；其中深 圳的民用无人机产值已达 300亿元人民币，占据 全球民用无人机市场份额的 70%。 接入低空移动通信网络的网联无人机，可以 实现设备的监视和管理、航线的规范、效率的提 升，促进空域的合理利用，从而极大延展无人机 的应用领域，产生巨大经济价值。基于新一代蜂 窝移动通信网络 5G为网联无人机赋予的实时超 高清图传、远程低时延控制、永远在线等重要能 力，全球将形成一个数以千万计的无人机智能网 络， 7x24小时不

8、间断地提供航拍、送货、勘探等 各种各样的个人及行业服务，进而构成一个全新 的、丰富多彩的 “网联天空 ”。 3 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 1.1 物流 1.1.1 业务场景描述 对比传统物流行业，无人机物流优势明显。 规避拥堵，运输快速高效：相对于地面运 输，无人机物流具有方便快速的优点，在山区 较多的省份，陆路运输所耗费的时间和成本较 平原地区高很多，采用无人机则可能以同样的 成本实现更高的物流效率。在拥堵的城市和偏 远的山区运送急需物品，则可能比陆运节省 80% 的时间，而且按照发达国家经验，高层建筑势 必会越来越多地配备直升机停机坪，也能够方 便无人机起降。

9、 应对小批量任务，解放人力：无人机物流 可以有效节省人力资源的消耗，将复杂环境下 和大批量的投递任务交给人和地面车辆，而将 简单场景下的小批量的投递任务交给无人机， 则可以更充分地发挥人力的灵活应变能力，减 少体力消耗。 摆脱地形限制，应对极端条件：在极端条件 下，无人机可以轻松抵达地面车辆无法到达的区 域，例如在应急救援物资的投送任务中，无人机 配合直升机可以大大提高投送效率。 1.1.2 发展趋势和特点 物流配送进入无人机时代，打开了国内、外 物流运输的新战场。 物流快递是极具潜力的无人机应用领域之 一。 2017全球智慧物流峰会数据显示， 2016年智 慧物流市场规模达到 2000亿元，

10、到 2025年将超过 10000亿元。 近年来，我国逐渐重视并鼓励无人机在物 流等专业领域的应用。 2018 年 1月，国务院出台 关于推进电子商务与快递物流协同发展的意 见，明确指出要提高科技应用水平，鼓励快递 物流企业采用先进适用技术和设备，提升快递物 流装备自动化、专业化水平。今年全国邮政管理 工作会议还提出，要促进科技创新，推广应用无 人机、无人车、无人仓库等技术。 1.1.3 通信能力需求 实现无人机物流配送包括运营调度中心、无 人机配送站、物流终端（即无人机）三个实体。 4 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 表 2-1 无人机物流场景网络指标 在配送过程中涉及

11、配送任务的下发、配送任务执 行、无人机状态上报等环节，无人机物流当前对 通信的需求包括：飞行状态上报以及 RTK高精度 定位信息的下发，出于飞行安全和紧急情况处理 考虑，物流无人机也需要具备视频回传实时操控 能力，在必要的时候由人工接管。 2.3 农业植保 2.3.1 业务场景描述 植保机械化是实现农业种植机械化、现代 化的关键一环。相对于有人驾驶飞机喷洒而言， 无人机植保具有作业效率高、单位面积施药液量 小、无需专用起降机场、机动性好等优点，其在 日本等国家发展已十分成熟。无人机植保包括喷 洒农药种子、巡逻监视、病虫监察等应用。 无人机植保作业与传统人工植保相比，具 有精准高效、安全环保、智

12、能化、操作简单等特 点，在农业领域，植保无人机在不断证明着它的 突出优势。 一是提高植保效率，节约资源成本。无人机 植保作业强度高，可同时代替多人的劳动力;采用 喷雾喷洒方式至少可以节约50%的农药使用量， 节约90%的用水量，这将很大程度地降低资源成 5 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 本;与传统植保机械相比，植保无人机还具有折旧 率低、单位作业人工成本低、易保养等特点。 二是防治效果好，减少污染并提高产量。无 人机植保具有作业高度低、飘移少、可空中悬停 等特点，喷洒农药时旋翼产生的向下气流有助于 增加气流对农作物的穿透性，减少农药损失，且 其覆盖率优于人工操作，防治

13、效果好，可有效减 少农药对土壤的污染并助产增收。 三是作业安全性高，降低中毒风险。无人机 操作规范，远距离操控避免了作业人员暴露于农 药下的危险，提高了作业的安全性。解决了传统 人工植保方式中经常出现的中毒、中暑以及踩踏 作物等问题。 2.3.2 发展趋势和特点 近10多年来，农业植保无人机在我国迅猛发 展。至2017年9月，不完全统计，全国植保无人 机装机量达到近万架，已经在包括水稻、小麦、 玉米、甘蔗、果树、棉花等多种作物上进行了病 虫害防治作业，实际效果证明已经达到实用水 表 2-2 无人机农业植保场景网络指标 平，正处于迅速发展阶段。 无人机测绘先行，测绘除了土地信息外，也 包括气候采

14、集如风速、天气，温度、湿度以及大 气压力的数据实时观测。高效、快捷的测绘可用 于路径规划和精准作业，即测即洒是未来植保无 人机发展的方向。 未来无人机农业植保将成为一种服务，互联 网农业服务平台公司一端连接种植户，一端连接 专门提供无人机喷洒农药服务的队伍，搭建了一 套农业生产服务平台，种植户无需购买无人机， 只需要订购农事服务。 2.3.3 通信能力需求 植保无人机当前经营模式通常由植保队操 作，飞行状态数据实时通过蜂窝网络上报云端用 于计费和管理，高精度定位信息通过短距通信或 蜂窝网络下发给无人机。土地勘测图片数据量 大，目前以存在SD卡上为主，未来希望网络提供 实时传输。 6 IMT-2

15、020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 2.4 巡检、安防、救援 2.4.1 业务场景描述 无人机在公共安全领域应用众多，如边防 监控、消防监控、环境保护、刑侦反恐、治安巡 逻等。突发事件中，无人机可以代替警力及时赶 往现场，利用可见光视频及热成像设备等，把实 时情况回传给地面设备，为指挥人员决策提供依 据。在公共安全作业中，无人机典型网络需求包 括：实时视频传输（多路）、飞行状态监控、远 程操控以及网络定位 我国领土由于地理环境和气候的多样性，各 种自然灾害时有发生，每年因自然灾害、事故灾害 造成的经济损失高达数千亿，灾后救援工作尤为重 要。无人机在展开救援作业中可实现快速响应， 在第

16、一时间到达现场，迅速展开作业；采集现场 数据，迅速将现场的视、音频信息传送到指挥中 心，供指挥者进行评估和决策；能够实现通信中继 功能，快速恢复现场局部通信；跟踪事件的发展态 势，帮助指挥中心实施不间断指挥处理。 基础设施巡检是指对输电线路、输油管道、 基站塔台、桥梁、风力发电机等基础设施的巡视 检查或状态监测。其作业内容具体包括对基础设 施本身的监测、对周边环境的勘探、基础设施的 日常周期维护以及简单的故障排查、处理等。传 统的人工巡检方案受环境及天气等影响，工作量 大、工作效率较低、成本较高，且存在一定的人 身安全风险。无人机以成本低、灵活性强、安全 性高、受自然环境及地形影响较小、视角更

17、优等 特点，越来越广泛地应用于基础设施巡检领域。 电力设备中输电线路一般位于崇山峻岭、无 人区居多，人工巡视检查设备缺陷的效率较低， 因蛇、虫、蚁等小动物咬伤员工的事件也屡见不 鲜；另外，输电铁塔、导线、绝缘子等设备位处 高空，应用无人机巡查，既能避免高空爬塔作业 的安全风险，亦可以 360全视角查看设备细节情 况，提高巡视质量。从作业安全、作业效率、作 业质量等多个方面出发，无人机逐渐替代人工巡 视，是电力行业解决老大难问题，推行智能巡检 技术的必然选择。随着电网快速发展，电力行业 机巡作业市场规模不断增加，除输电线路巡检 外，在规划设计、基建工程、物资配送、安全监 督等领域也提出了无人机作

18、业需求，同时在风电 发电、光伏发电、铁塔公司等其它能源行业市 场，潜在需求量巨大。 2.4.2 发展趋势和特点 公共安全监控市场需求巨大。根据预测，美 国公共安全领域的无人机约占商业无人机总量的 10%，预计到 2020年市场规模约为 51 亿元；按照 中美未来公共安全支出比例估算，保守预计 2020 年中国国内公共安全市场空间约 70 亿元。而无人 机因为零人员伤亡、恶劣环境作业、强机动、易 操作等突出优点，使其成为公共安全监控领域的 7 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 新星，市场潜力巨大。通过智能无人机飞行平台 以及 5G蜂窝网络能力的有效引入，促进了传统安 防产业

19、向天地一体化协同作战的方向转型以及多 场景安防能力的智慧升级，必将作为一种新型的 安防解决方案模式得到更加广泛的应用，从而促 进传统安防服务商的智慧升级，带动整个产业的 发展。 无人机应用在基础设施巡检领域包括：建筑 外墙巡检、电力巡检、基站巡检、石油管线巡检以 及河道巡检等。电力塔、通信基站、石油管线等 公共设施往往架设在郊区或城区楼顶等区域且分布 较为分散，挂载变焦摄像头的网联无人机，可按照 指定的任务点执行诸如，检测螺丝松动、标签等动 作，结合图像识别还可完成天线挂高、倾角的计算 等工作，并生成巡检记录和巡检报告。 未来随着无人机续航能力的增强，以及 5G 通信模组的成熟，结合边缘计算（

20、 Mobile Edge Computing,以下简称 MEC）的应用， 5G 综合承载 无人机飞控、图像、视频等信息将成为可能。无 人机与控制台均与就近的 5G 基站连接，在 5G 基 站侧部署边缘计算服务，实现视频、图片、控制 信息的本地卸载，直接回传至控制台，保障通信 时延迟在毫秒级，通信带宽在 10Mbps 以上。同 时还可利用 5G 高速移动切换的特性，使无人机 在相邻基站快速切换时保障业务的连续性，从而 扩大巡线范围到数公里范围以外，极大提升巡线 效率。 2.4.3 通信能力需求 在巡检，安防，救援场景中，无人机需要 具有优良的飞行稳定性、较快的反应能力、不间 断地进行现场的实时跟

21、踪，同时可以实时回传高 清视频用于人眼或计算机 AI的分析识别。具体来 说，无人机此类业务的典型网络需求包括：实时 视频传输（多路）、飞行状态监控、远程操控以 及网络定位。 表 2-3 无人机巡检、安防、救援场景网络指标 8 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 2.5 测绘 2.5.1 业务场景描述 无人机测绘领域中，通过无人机抓取数据制 作实时实景地图的技术方案，可以实现在不同的 应用场景基于地图的数据挖掘，在抢险、科研、 教育、智慧农业、智慧城市、勘察、场景巡检等 领域，提供强大的扩展空间，让行业应用人员根 据需求定制理想的飞行平台。 无人机倾斜摄影技术的诞生，颠覆了传

22、统测 绘的作业方式，该技术通过无人机低空多位镜头 摄影获取高清晰立体影像数据，自动生成三维地 理信息模型，快速实现地理信息的获取，具有效 率高、成本低、数据精确、操作灵活、侧面信息 可用等特点，满足测绘行业的不同需求。极大有 助于测绘行业内、外的协同工作，解决了由于天 气等外因造成的工作延误，把原本大量的业外工 作转变成业内工作，极大的解放了测绘人员的劳 动时间和减少劳动强度。 2.5.2 发展趋势和特点 网联无人机可以毫秒级速度制作实景矢量 地图，相对传统做一张地图需要数天、数周甚至 数月的更新时间，无人机完成了从地图数据的抓 取、传输、拼接、纠偏、上传至云端更新最新地 图的完整流程，并提高

23、了数百倍效率。 2.5.3 通信能力需求 测绘场景下，除了典型的飞行状态监控、远 程操控以及网络定位业务需求，在需要实时构建 测绘模型场景下，实时图像传输、图像处理对网 络大带宽需求尤为迫切。 表 2-4 无人机测绘场景网络指标 2.6 直播 2.6.1 业务场景描述 无人机可以将视野带入高空，以上帝视角 俯瞰。无人机全景虚拟现实 VR(Virtual Reality， 以下简称 VR)直播将带来更为震撼的身临其境的 直播感受。通过无人机挂载 360度全景镜头进行 视频拍摄，全景相机完成视频采集、拼接处理与 视频流处理，通过连入 5G网络上行链路将 4K/8K 全景视频传输到核心网侧视频服务器

24、，再通过下 行链路传输给多位用户。而用户只要戴上 VR眼 镜，就都可以随时随地无延迟的体验激动人心的 现场。 9 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 5G无人机 VR直播在未来将会广泛用于体育 赛事、演艺活动等大型活动极致体验直播以及广 告、新闻、电影等商业活动拍摄中。随时随地都 能通过 VR全景直播获取比现场更好的体验，将指 日可待。 2.6.2 发展趋势和特点 2017年我国网络表演（直播）市场营收达到 304.5亿元，相比 2016年的 218.5亿元，同比增长 39%。网络表演（直播）已经成为网络文化内容 供应、技术创新、商业模式创新的代表，成为网 络文化市场重要组

25、成部分。航拍娱乐是大众对无 人机最熟悉的应用领域，未来无人机在该领域的 市场规模将有望到达 300亿。目前主流直播平台 清晰度以 1080P为主，最高为 2K，随着在线直播 业务的兴起与终端设备的更新换代，直播玩家对 体验要求不断升级，催生大量 4K/8K视频影像实 时直播业务需求。 2.6.3 通信能力需求 在直播业务中，无人机需要网络稳定高速保 障实现高清实时视频传输，当前业界能力可以实 现 4K实时直播，未来为获得更清晰的画面更好体 验，需要升级到 8K视频回传。同时直播场景也需 要飞行状态监控、远程操控、网络定位能力，具 体网络指标如下： 表 2-5 无人机直播业务网络指标 2.7 编

26、队飞行 2.7.1 业务场景描述 目前无人机除了单机应用外，多机编队也 开始出现，当前多机编队主要应用于表演领域。 无人机编队表演需要解决授时、导航、抗干扰、 路径协调等多个难题，多架无人机协同运动需要 精确的定位也需要精确同步的时间，酷炫的编队 还需要规划合理的路线，同时要应对相互间的干 扰。 多无人机协同编队飞行可以扩大任务范围、 提高任务执行效率和完成质量。其中涉及的多无 人机状态感知和数据融合、任务分配和航迹规 10 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 划、编队控制都需要通信技术的配合。 2.7.2 发展趋势和特点 2017年 12月， 1180架无人机编队 “科技

27、舞蹈 ” 表达了对 2017广州财富全球论坛的欢迎； 2018年 2月，平昌冬奥会的开幕式演出中， 1218 架无人机组成一名单板滑雪运动员的形象； 2018 年 5月在西安，则有 1374架无人机进行表演，编 队飞行的数量呈增多的趋势。 无人机编队飞行在其他领域也有较好的发展 前景，不仅能够应用在无人机编队飞行表演中， 在未来，这种大规模协同工作方式，将大大提高 搜索效率和探测精度，在提供准确数据的同时， 为农林防护提升效率，为搜索救援赢得宝贵时 间。 2.7.3 通信能力需求 无人机编队飞行也叫无人机蜂群表演，有两 种交互方式，通过地面基站给每一台无人机发布 指令，或者无人机之间进行点对点

28、的交互。前者 对通信可靠性、时延、连接数提出了高要求。编 队飞行对时延有较高要求，假设无人机的速度是 60km/h ， 20ms网络时延引起的额外制动距离是  0.33米 (60*1000/3600 * 20/1000)，时延增加将直 接影响编队飞行的安全性。 表 2-6 无人机编队飞行业务网络指标 2.8 未来云端 AI自主飞行 2.8.1 业务场景描述 当前的无人机无论是视距内控制还是超视距 远程控制，都需要人观看无人机传回的实时视频 进行控制，未来由云端的 AI代替人观看视频控制 无人机，将进一步提升效率解放人力，让无人机 成为真正的空中智能平台。 5G网络的大带宽低时延能够实

29、现无人机实时 实景导航，网络辅助的环境感知智能避障。无人 机回传感知传感器信息由云端 AI判断周围的障碍 物、多机协同避让，相比在无人机本地判断将节约 成本和功耗，云端获取到的信息更加全面，算法 统一易于升级。 5G网络同时回传采集到的业务信 息，通过云端 AI进行自动分析，提前识别隐患。 2.8.2 通信能力需求 无人机云端 AI自主飞行的场景丰富，无人 11 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 机需要安全高速的网络保障实现高清多路视频 （ 4K/8K）回传到云端供 AI处理、飞行状态监 控、远程操控、网络定位以及实时下载高精度三 维地图，具体网络指标如下： 表 2-7

30、无人机自主飞行网络指标 2.9 无人机通信需求总结 IMT-2020应用组预测，上述七大类网联无人 机典型应用场景在未来市场空间与发展成熟度的 关系如下： 图 2-2 无人机七大类应用场景空间与成熟度 各类应用场景对通信能力需求有所差异，但 均从上下行速率、数据链路传输时延、控制链路 传输时延、覆盖高度、定位能力等角度对移动蜂 窝网络提出了不同等级的要求，为后续进行网络 规划部署和网络能力实现提供了重要的依据。 12 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 4G网络能力 3.1 综述 蜂窝连接对于无人机的控制和协同操作非常 重要，并能实现更多样化的使用场景。当前已有 很多无人机

31、的应用在 4G现网上运行，例如农业、 物流、基础设施巡检等。通信运营商与设备商也 进行了大量的低空覆盖测试和研究，目前 4G网络 已经具备支持无人机部分场景的通信需求，但同 样具有很多挑战， 4G网络在带宽、时延、干扰协 同上都存在一定的优化空间。 3.2 4G网络测试表明 4G网络可支持 无人机部分场景 2017年在 4G现网中，运营商选取了多个城 市不同场景进行低空网络质量测试，场景涵盖 城区、工业园区和郊区，参见下表，站间距从 180米到 2000米不等。频段覆盖 TDD-LTE D 频段 (2575 2635M)和 F 频段 (1885 1915M),测试高 度为 50-300米，测试

32、指标包括下行参考信号接收 功率（ Reference Signal Receiving Power，以下简 称 RSRP）、下行信号与干扰加噪声比（ Signal to Interference plus Noise Ratio，以下简称 SINR）、 以及和安全飞行密切相关的上行业务速率、时 延、掉线率等。 表 3-1 移动蜂窝网低空覆盖测试场景 信号质量测试结果显示低空 50-300米区间 信号强度 RSRP在 -80 -90dbm之间，属于较好覆 盖，室外能够发起各种业务。但由于飞行沿线的 基站主要为地面覆盖建设，无人机所处高度不在 地面站天线主瓣范围内，空中信号杂乱，且无主 覆盖小区，

33、造成基站下行干扰较大，在部分区域 13 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 图 3-1 移动蜂窝网低空覆盖测试结果 上行 TCP业务速率测试结果显示在低空 50-300m 区间，速率均值可达 5Mbps以上。 5Mbps以上速 率占比超过 70%，速率低于 1Mbps占比仅在 1%左 右。可以满足无人机安全飞行的状态信息采集通 信需求（ 3050kbps）。在非失联区域，因无人 机安全飞行对下行速率要求较低（ 510kbps）， 在有通信连接的区域，也基本可以满足安全通信 要求，但在干扰过大的失联区域，下行方向的管 理指令传输困难，如长期处于该区域，可触发无 人机降落或返航

34、。 图 3-2 移动蜂窝网低空覆盖测试结果 可能出现终端无法解调，出现断线失联问题，可 能触发长时间处于该区域的无人机降落或返航。 下图为各场景不同高度 RSRP 和 SINR 分布图。 表 3-2 移动蜂窝网低空覆盖测试结果 14 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 Ping包 (32字节 )和 TCP小包 (100字节 )时延测 试结果显示时延范围基本在 200-300ms之间 ,300米 高度时延会达到 500-600ms。 图 3-3 移动蜂窝网低空覆盖测试结果 测试结果表明当前蜂窝网络在 300米以下， 信号覆盖良好，上行数据传输均值达到 5Mbps， 时延 30

35、0ms以下， LTE蜂窝网络已可以支持联网 无人机低速率的多种应用的通信需求。 300米以内空域地面网络信号覆盖强度较 高，但当前的移动通信网络主要针对地面终端设 计，当无人机飞行高度超过基站天线的主覆盖方 向后，下行方向干扰较大，部分区域可能出现短 时断线问题，同时下行干扰对无人机监管业务的 速率和时延也有影响，需要在这些区域针对低空 覆盖特征进一步优化网络，包括联合处理，邻区 关系优化等。 3.3 现网低空覆盖面临的挑战 由于多数无人机的飞行高度在天线之上，无 人机终端（ User Equipment，以下简称 UE）的无 线通信环境与地面 UE存在差异，进而带来干扰增 多、移动性管理复杂

36、化、身份验证识别难等技术 问题。移动蜂窝网络除了需要满足无人机通信的 数据类型和场景需求之外，还需解决无线通信环 境差异带来的新问题。 图 3-4 移动蜂窝网低空覆盖测试结果 15 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 比如，当无人机 UE飞行高度低于或接近天 线高度时，其无线传播特性类似于地面 UE。而当 无人机 UE在高于天线高度飞行时，由于视线传播 的概率增大，其上行信号会被更多站点接收到， 同时本身亦会探测到来自更多站点的下行信号。 由此带来的技术问题包括但不限于： 1 下行干扰 无人机在空中收到大量邻区，邻区个数多达 十几个，导致下行平均 SINR下降至 0db左右

37、  图 3-5 移动蜂窝网低空覆盖测试结果 2 移动性问题 ,部分干扰邻区来自远距离基站 站间距为 500m城区场景会收到 2.5km外小区 干扰 ,空中频繁切换 , 切换失败和掉线次数比地面 高出 2-5倍 图 3-6 移动蜂窝网低空覆盖测试结果 16 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 3 无人机上行到多个邻区的路损接近，对邻 区干扰影响大 ; 无人机上行到周围多个基站都是视距传播 （ Line-of-Sight，以下简称 LOS），无人机终端上 行业务会干扰周边邻区的地面用户上行性能 。传 统地面 UE功控，只考虑本小区路损及 SINR，不 考虑对邻区的干扰

38、；  图 3-7 移动蜂窝网低空覆盖测试结果 4 难以有效识别空中终端，从而对其优化和 管控 3.4 4G网络对无人机应用通信需求满足 度 通过上述分析得出： 4G网络满足现有的部分 低速率、对时延不敏感的无人机应用，对于高速 率、超低时延无人机应用存在挑战。 表 3-3 移动蜂窝网低空覆盖测试结果 17 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 5G网络能力 4.1 综述 5G 网络通过提供人人通信、人机通信和机 器之间通信的多种方式，支持移动因特网和物联 网的多种应用场景。同时， 5G 网络通过提供多 样化业务需求和业务特征的能力，适应不同应用 场景的灵活性和多样化

39、的业务需求， 如超宽带、 超低时延、海量连接、超高可靠性等。以业务为 中心，高效灵活地提供最佳用户体验，是 5G 网 络系统设计的指导目标。 5G超高速、超低时延和超高可靠性的显著特 图 4-1 5G网络能力图 征，将不仅提升人类通信体验，还将拓展智能制 造、车联网、智能物流、无线家庭宽带接入等行 业应用，承担着推进全社会数字化进程的使命。 5G的空中接口和系统架构以革命性的创新设计支 持超大带宽、多连接以及低时延高可靠性等极致 体验。  前几代无线网络的特点是有固定的接入参数 和频谱资源块，以低频为主； 5G网络允许使用全 频谱（低频 +高频）和创新的新空口和架构来提 供最佳通信服

40、务。 18 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 5G在容量方面， 5G通信技术将比 4G实现单 位面积移动数据流量增长 1000倍；在传输速率方 面，单用户典型数据速率提升 10到 100倍，峰值 传输速率可达 10Gbps（相当于 4G网络速率的 100 倍）；端到端时延缩短 5倍；在可接入性方面： 可联网设备的数量增加 10到 100倍；在可靠性和 能耗方面：每比特能源消耗应降至千分之一，低 功率电池续航时间增加 10倍。 凭借 5G 无限的发展潜力，蜂窝技术为无人 机带来了全新级别的高可靠性、强大的安全性、 无处不在的覆盖和无缝的移动性。 4.2 5G网联无人机网络整

41、体解决方案 5G网联无人机的无人机终端和地面控制终端 均通过 5G网络进行数据传输和 图 4-2 5G网联无人机整体解决方案 控制指令传输，并通过业务服务器加载各类 场景的应用。其中 5G网络提供了从无线网到核心 网的整体网络解决方案，以适配第二章节中各种 复杂应用场景的网络实现。 5G新空口技术包括采用大规模多天线 ,新频谱 (引入 C波段，毫米波频段 ),新编码 (Polar码， LDPC 码 ),新的帧结构 (新子帧结构，自包含子帧 )，灵活 Numerology,新的物理信号设计。 5G 采用大规模 多天线技术，采用更窄的波束精确对准服务的无 人机和地面终端，增强有用信号，并减少小区内

42、 和小区间干扰，减少无人机低空上下行干扰，提 升对低空的覆盖能力。 5G以用户级下行导频替代 小区级下行导频，降低了无人机在低负载网络下 受到的下行干扰。 5G灵活 Numerology在时域、频 域、码域、空域、功率域等采用灵活的资源调度 来减少无人机的上下行干扰。 5G空口云化包括上下行解耦技术以及以用 户为中心网络技术，上下行解耦打破上下行绑定 19 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 与同一频段的传统限制，以 5G高频段与 4G中低 频共站部署增强小区覆盖， 5G下行传输利用高频 段，上行传输与 4G的低频段进行频谱共享， 根 据 4G空闲程度灵活分配给 5G上行使

43、用，实现 5G 覆盖增强。以用户为中心网络，突破用户与 小区 绑定的传统架构，联合优选多个物理小区链路随 时随地适配用户体验，有效提升有用信号、降低 信号衰落和干扰。同时因上层逻辑小区唯一识 别，可成功减少小区间切换，提升无人机在空中 的移动性和覆盖。 以业务为中心的云化架构，基于软件定义网 络 (Software Defined Network, 以下简称 SDN )和网 络功能虚拟化（ Network Function Virtualization， 以下简称 NFV）的网络将实现更灵活的开放和应 用创新，为了满足多种行业多样化的业务需求， 按需实现网络切片资源分配，为不同切片提供相 应的

44、 QoS保障。网络切片使得一张 5G网络上同时 承载无人机大带宽、低时延、高可靠的多种不同 应用。 4.3 5G网络具备的能力 4.3.1 覆盖能力 覆盖的问题分为两类，第一类是有用信号 差，如弱覆盖和无覆盖的；第二类是有用信号强 度不差，但是干扰信号强度大，从而 SINR低。在 目前低空无人机（ 300m以内）应用的大部分场景 中，主要是第二类覆盖问题，即主要是干扰导致 的覆盖问题。在一些地面站稀少和网络参数配置 等原因导致的第一类覆盖问题，主要存在于飞行 在较高航线或偏僻位置的无人机。针对第一类由 于信号弱导致的覆盖问题，可以采用充分利用基 站侧多天线的垂直波束能力来增强覆盖，考虑无 人机

45、的不同应用场景，采用高效的波束扫描和跟 踪。也可以采用专用对空天面设计等实现无缝覆 盖。针对第二类由于干扰强导致的覆盖问题，可 以通过降低下行干扰的方式来提高覆盖。可以采 用如下的方式： 采用大规模天线大规模天线形成较窄波束 对准服务用户，减少小区内和小区间干扰； 采用协作传输的方式，即多个小区间协调 在时、频、空、码、功率域的资源来减少干扰； 采用不同带宽部分 (Bandwidth Part,简称 BWP)分频接入 ,使得地面和空域采用不同的 BWP 资源 ,减少空地间的干扰； 4.3.2 用户下行容量 低空无人机的下行业务速率要求较低，一般 不存在容量问题。如果因为未来无人机的密度增 大，

46、同时地面终端业务负载也比较大，此时会出 现小区下行容量受限问题。 5G基站具有大规模天线大规模天线能力， 大规模天线大规模天线增加水平和垂直面发射通 道数，使得水平垂直面的波束更加准确的指向用 户，更窄的波束有利于控制干扰，提升用户的信 噪比，同时可以实现更多用户的空分复用提高下 行容量。 20 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 5G拥有更大带宽， C波段每载波 100M带宽， 毫米波每载波 400MHz带宽，单载波带宽相比 4G 频谱有 5-20倍提升。 5G不再使用小区参考信号（ Cell Reference Signal，以下简称 CRS），减少了开销，避免了 小区

47、间 CRS干扰，提升了频谱效率。 5G新的下行 高阶调制 1024QAM提升了高信噪比条件下的下行 速率。 4.3.3 用户上行容量 无人机具有明显的上下行业务不对称性。无 人机应用的上行要求几到一百 Mbps的速率。且随 着未来无人机高清视频回传要求的进一步提升， 蜂窝网络支持无人机上行容量面临较大挑战，同 时还需要考虑无人机上行带来的干扰问题。 与下行容量提升一样， 5G通过大带宽，大 规模天线大规模天线精准波束、高阶调制等技 术相对 4G大幅提升了上行容量， 以用户为中 心的无边界网络架构，提供上行高速率、低时 延，实现 5G网络无缝的移动性和随时随地的极 致体验。 4.3.4 时延 无

48、人机的指挥与控制（ Command and Control，以下简称 C 二是控制中心人员通过 VR眼镜、 PAD等地面 控制终端经由 5G网络远程控制无人机机载摄像头 的转向、无人机的飞行状态及路线，进一步追踪 锁定目标 ; 三是无人机对突发安防场景问题的预判以及 自动识别的目标实现进行自动跟踪。 通过智能无人机飞行平台以及 5G蜂窝网络能 力的有效引入，促进了传统安防产业像天地一体 化协同作战的方向转型以及多场景安防能力的智 慧升级，必将作为一种新型的安防解决方案模式 得到更加广泛的应用，从而促进传统安防服务商 的智慧升级，从而带到整个产业的发展。 6.4 高清直播 在我国雄安新区第一栋地

49、标性建筑 “市民中 心 ”的建设过程中，无人机的高清视频直播提供 了从空中俯瞰的实时画面，为近距离观察市民中 心建设情况提供了极大的便利。雄安新区的另外 一个重要景观 -白洋淀，无人机的高清直播可以把 白洋淀的风景实时传到 20km之外的市民中心临时 指挥部。视频直播采用专业级航拍无人机，支持 实时回传 1080P30帧高清视频，通过与之相连的 5G TUE，将高清视频信号通过 5G网络传输，供 远在市民中心的参观者观赏。 图 6-3 基于 5G的无人机高清直播组网图 29 IMT-2020(5G)推进组 5G无人机应用 白皮书 整套系统要求空对地通信带宽不低于 50Mbps，屏到屏业务延时不

50、超过 60ms，每路地 对空通信带宽不低于 1Mbps，控制业务延时不超 过 20ms。借助于 5G网络的低延时大带宽的 eMBB 业务，和超低延时超高可靠性的 URLLC业务，可 以实现更优质的用户体验。 图 6-4 基于 5G的无人机高清直播示意图 6.5 电力巡检 电力设备中输电线路一般位于崇山峻岭、无 人区居多，人工巡视检查设备缺陷的效率较低， 因蛇、虫、蚁等小动物咬伤员工的事件也屡见不 鲜；另外，输电铁塔、导线、绝缘子等设备位处 高空，应用无人机巡查，既能避免高空爬塔作业 的安全风险，亦可以 360全视角查看设备细节情 况，提高巡视质量。而当前的 4G网络只能支持 1K的图传，对于某些细