基于无人机的海上宽带5G通信技术研究及专利分析

摘  要：通过基于无人机的海上宽带5G通信技术，分析无人机平台搭载5G智能宽带设备进行海上通信和中继的可行性，探讨相应的通信方案、技术体系及实际应用。通过实验法和数据分析法对无人机海上宽带5G通信技术进行研究。海上5G通信技术利用无人机搭载5G通信设备，可以对海上图像进行采集和实时分析，用于海上搜救、海上巡检等工作，提高海上搜救、海上巡检等工作效率。基于无人机的海上宽带5G通信技术，可以保证海上作业通信的高效、稳定，为各种海上项目提供通信技术支持，并增强应对灾害和突发事故的能力。

关键词：无人机;5G网络;智能宽带;通信技术;专利分析

中图分类号：TN929.5           文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）02-0025-05

Abstract： Through the maritime broadband 5G communication technology based on UAV， the feasibility of carrying 5G intelligent broadband equipment on UAV platform for maritime communication and relay is analyzed， and the corresponding communication scheme， technical system and practical application are discussed. The UAV maritime broadband 5G communication technology is studied by experimental method and data analysis method. Maritime 5G communication technology uses UAV to carry 5G communication equipment to collect and analyze maritime images in real time， which can be used for maritime search and rescue， maritime patrol inspection and other work， so as to improve the efficiency of maritime search and rescue， maritime patrol inspection and other work. The maritime broadband 5G communication technology based on UAV can ensure the efficiency and stability of maritime operation communication， provide communication technology support for various maritime projects， and enhance the ability to deal with disasters and emergencies.

Keywords： UAV; 5G network; intelligent broadband; communication technology; analysis on patent

0  引  言

在十三五期间，我国的无人机产业得到迅猛发展，截至2020年底实名登记的无人机超过52万架，2021年无人机市场将达到120亿美元。海上作业面临复杂困难的外部环境，能够依靠的技术支持相对有限，传统的通信方式依赖于船只、岛屿为基站，缺乏地面基站的支持，覆盖范围有限，难以满足海上搜救等工作的要求。智能机械代替人工是海上作业转型升级的必要途径，可以降低成本，提高工作效率和应急处理能力。无人机作为数据采集、应急救援工具，成本低、效率高，可以大大扩大覆盖范围。以无人机为平台搭载5G通信设备，可以弥补海上通信环境的劣势，缓解海上搜救等工作通信不畅的窘境，对各种海上作业具有积极的推动作用。同时通过专利分析，国内机构还需及时掌握5G相关技术和产业发展趋势，将其利用于无人机中，提高核心竞争力。

1  无人机海上宽带5G通信技术的可行性分析

无人机集智能控制技术、传感器技术、航空动力技术、通信技术等先进技术于一体，是空中作业的重要平台，“无人机+”可以满足不同领域的应用需求，在遥感测绘、能源巡检、基建工程、应急救援等领域有着十分广泛的应用。我国是全球无人机产业大国，大疆无人机已经成为中国制造的名片之一。

无人机主要采用“点对点”模式的信号传输，在地面基站和无人机上均安装信号收发装置，在通信网络支持下传输遥控信号和视频图像等数据信息。传统的4G网络可以满足遥控信号的传输要求，并提供百万高清的图像数据传输，但无法满足4K等高清图像的传输需求。4G网络的定位精度为几十米范围，对于需要高精度定位的应用需要增加基站辅助，且只能满足5 km短距离信号传输，在高空作业、远程作业中难以满足场景需求。因此，4G通信技术已经无法满足无人机应用的需求，需要使用超宽带、超高速、低延时的5G通信技术来实现超远距离通信。5G通信技术可以使无人机具备实时超高清图像传输的能力，并实现远程低时延控制，使“无人机+”应用具有更好的适用性。基于无人机的海上宽带5G通信技术，即是利用5G通信技术和无人机各自的优势，以无人机为终端平台搭载5G智能宽带设备，不仅可以实现无人机自身的超远程控制，还可以构建无人机通信网络。

我国拥有幅员辽阔的海域，470万平方公里的海域面积使得很多海上作业项目都存在大面积的信号弱覆盖区和盲区。海上通信最大的难题在于覆盖范围有限，虽然有覆盖广的卫星通信来辅助，但卫星通信成本高、延时大，且带宽低，制约了图像传输和实时监测等工作的开展。传统岸基通信手段主要是窄带数据通信，难以满足当前的应用需求，基于无人机的海上宽带5G通信技术是解决这一问题的有效手段，具有低成本、高效率的优势，和其他方式相比更加可靠、实用。具体可以使用相控阵天线技术，研制适用于无人机的小型智能天线，使用5G频段进行数据传输。海上通信可以采用卫星通信+船载基站+无人机无线组网的方式，无人机搭载5G通信设备接入5G网络，再通过船载基站和卫星通信系统实现网络互连，确保通信传输不中断，使海上通信不受时间、距离等限制，大大提高船载基站的网络通信覆盖范围，可以為海域搜集、图像数据采集等工作提供必要的技术支持。

2  无人机海上宽带5G通信技术相关专利分析

专利分析，是以专利文献和专利信息为研究对象，将专利分析应用于某一技术的技术活动、技术能力的研究，能够评价某一技术的发展历程及研究现状，并能为企业后期的专利布局提供有价值的情报。

2.1  申请趋势分析

通过对专利申请的年度趋势进行分析，可掌握某个领域技术发展的历程。本文通过对截至2019年之间的无人机海上宽带5G通信技术相关专利进行检索，利用incoPat平台进行分析，结果如图1所示。

通过上述申请趋势，我们可以从宏观层面把握该分析对象在各时期的专利申请热度变化。申请数量的统计范围是目前已公开的专利。

2.2  申请人排名

图2展示的是按照所属申请人（专利权人）的专利数量统计的申请人排名情况。该分析可以发现创新成果积累较多的专利申请人，并据此进一步分析其专利竞争实力。

2.3  技术构成

图3展示的是分析对象在各技术方向的数量分布情况，通过该分析可以了解分析对象覆盖的技术类别，以及各技术分支的创新热度。

2.4  技术构成功效

图4展示的是各技术领域不同功效的专利的数量分布情况，有助于了解各类技术的主要应用特征，从而对研发路线进行适应性的调整。

2.5  技术申请趋势

图5展示的是分析对象在不同技术方向专利申请量的分布情况和发展趋势。分析各阶段的技术分布情况，有助于了解特定时期的重要技术分布，挖掘近期的热门技术方向和未来的发展动向，有助于对行业有一个整体认识，并对研发重点和研发路线进行适应性的调整。对比各技术方向的发展趋势，有助于识别哪些技术发展更早、更快、更强。

2.6  技术全球分布

图6展示的是分析对象在不同技术方向的全球分布情况。

经过上述专利分析，我们可以看出将5G应用于无人机海上通信在2019年其专利申请达到其高峰，其研究的主要方向还是集中在B64C上，也即集中在无人机的结构及其配件的改进上，实现的技术效果和技术目标是提高稳定性，降低复杂性，提高安全性和速度，且美国和韩国的无人机领域的发展也非常蓬勃，中国企业在无人机领域要提前做好布局，尽早打造出牢固的专利壁垒。

3  无人机海上宽带5G通信方案与技术体系分析

海上作业以往使用巡逻艇，巡逻艇不仅成本高，而且速度慢、视野小，还需要使用燃油。和巡逻艇相比，无人机的成本更低，速度快、空中视野广，覆盖范围大，且无须使用燃油，使用更简便、可靠。无人机比船舶的辐射面积更大，巡航效率更高，但是对通信距离、带宽要求更高，需要有高效、稳定的通信技术支持。5G技术和传统的卫星、微波通信技术相比，高速率、低延时、低成本，将5G技术与无人机相结合可以大大拓展无人机的海上应用范围。然而要实现这一技术手段，需要构建完善的组网架构，并研发相控阵天线通信技术等关键技术。

3.1  组网架构

5G通信技术是新一代的信息技术，拥有更快的数据连接和超低的空口时延，可以满足万物互联的需求。依托无人机构建5G通信网络，可以实现从二维平面向三维立体的转变，5G技术引入多天线、新频谱等新空口特性，大大强化了网络的对空覆盖能力，可以满足无人机安全飞行业务需求，并实现控制数据和视频数据的有效传输。无人机5G通信可以采取无线接入无人机专网基站的方式组网，5G专网基站能够提供专用化的对空覆盖，无人机可以在专网基站与公网基站之间切换接入，可以保障无人机数据传输的质量和稳定性，适用于对网络稳定性要求较高的海上作业场景。5G网络不仅可以提高无人机覆盖范围，还可以引入全面云化部署，实现网络切片关键服务，满足无人机多样化网络性能需求，可以根据无人机应用需求建立多层次分布式组网架构，结合相关因素灵活部署网络，满足特定场景无人机应用的特定需求。

无人机终端是通信方案前端的功能设备，可以根据具体业务需求和场景特点选择适用的终端，植入通信模组接入5G网络，还可以搭载不同的功能载荷模块来满足差异化的需求。无人机机载通信模组具备接入5G通信网络的功能，需要支持独立组网和非独立组网模式，拥有用户身份模块和定位能力等功能。当前机载通信模组尚处于研发的初始阶段，相关技术还需要测试验证，以统一技术标准，提升机载终端设备对新技术的快速响应能力。eSIM适用于无人机5G通信的使用场景，基于eSIM的通信模组解决方案具备不错的稳定性，可以适应恶劣的飞行环境，并且具备可靠、安全的架构体系，可以实现对终端的全生命周期管理，能够提供飞行监视、空域管理、信息安全等能力。

无人机能力平台也是实现5G通信的重要环节，负责对无人机飞行数据、遥测数据等进行处理，提供数据存储、数据使用等服务功能，并支持智能分析、飞行安全等功能。随着5G技术与无人机的深度融合，无人机能力平台需要充分利用人工智能、云计算等技术提升服务能力，强化数据处理分析与安全监管能力。

3.2  技术体系

第一，相控阵天线通信技术。该技术从阵列天线技术发展而来，通过相位变化实现天线波束指向在空中移动或扫描。技术原理是利用微处理器接收控制信息，由控制软件计算相移量，再借助天线控制器控制移相过程。随着信号方向的变化，可以调整相移量来改变天线阵波束最大指向，以实现波束扫描和跟踪。

第二，5G天线射频技术，包括大规模MIMO技术、同频全双工技术、毫米波技术等：（1）大规模MIMO技术。采用大规模的天线阵列，实现多信号传播路径，提高射频效率和可靠性。该技术能够实现多用户波束智能赋型，波束高度集中，空间分辨率提升，可以有效应对干扰，降低发射功率，提升频谱效率。（2）同频全双工技术。该技术在5G通信射频技术中发展潜力最大，和传统技术形式相比，优势在于实现同频段的同时收发，充分挖掘频谱资源，可以对无线网络物理层进行优化。目前对这项技术的研发重点在于进一步挖掘频谱资源，是5G技术的重点研究方向。（3）毫米波技术。该技术是未来5G通信的主要技术形式之一，可以实现多波束赋型，具有良好的空间分辨率，能够提升频谱效率。毫米波频段信号传播过程中的衰减较为严重，绕射能力不强，容易被障碍物抵挡，但可以拉近终端间的距离，通常選用60 GHz毫米波频段来避免终端信号干扰。

第三，阵列天线波束成形技术。该技术属于预编码技术范畴，能够对多天线系统阵列增益，利用信号中的空间方向信息，对特定方向信号进行相长干涉，对其他信号进行相消干涉，从而调整信号的幅值和相位，确保每个波束对准相应用户，实现空间选择性，提升接收信号的信干噪比，扩大信号覆盖范围。

4  无人机海上宽带5G通信技术的应用

本文研究的海上5G通信技术利用无人机搭载5G通信设备，可以对海上图像进行采集和实时分析，实现现场图像和分析结果的实时回传，根据分析结果生成报告，从而采取相应的措施。该技术可以用于海上搜救、海上巡检等工作，利用无人机的便捷性和机动性，能够很好地实现现场信息收集工作，借助海上宽带5G通信技术可以实现信息实时回传，从而提高海上搜救、海上巡检等工作效率。借助高清航拍摄像机等设备，可以实现海上大面积区域的高效巡检，对违规排污、非法走私等行为进行观察打击，快速获取海上搜救所需的现场信息，提高信息收集和处理的时效性。下面以海上搜救为典型案例，具体分析基于无人机的5G海上宽带通信技术的实际应用情况。

4.1  海上搜救通信方案

无人机应用于海上搜救，需要建立无人机基站与船基、岸基通过基准站相连的5G通信网络，并依靠卫星定位系统对搜救区域进行精准定位。要实现基于无人机的海上宽带5G通信技术，需要对无人机机载装备模块进行必要的改装，主要设备包括成像雷达、航拍摄像机、海洋传感器等，其中海洋传感系统具备可见光、微波双波段，能够准确采集海洋环境中的温度、风、浪等数据信息，建立航路节点并传输数据到船舶基站，由船基对数据整合分析后，发送气象预报等信息到无人机终端，控制无人机调整高度、航速等飞行参数，提高无人机飞行的稳定性。航拍摄像机使用高清高倍率光学镜头，可以实现高空侦察，成像雷达可以基于岸基、船基数据，跟踪海浪演变轨迹生成海浪波谱、风谱，对搜救区域多角度的大规模数据进行收集，通过海情分析判断，实现对搜救目标的定位跟踪，将信息处理结果传送到船基，为制定救援方案提供可靠依据。

无人机编队以三架为一个救援编组，利用端到端技术改善编队内部通讯，实现分布式集群协同控制。每架无人机搭载独立的5G通信模组和数据处理系统，可以进行无人机之间的协同通讯，提高无人机与船基的传输共享速度。救援编组可以提高无人机对复杂任务和环境的适应能力，提升无人机在海上环境的抗干扰能力。考虑到海上搜救的难度，通常需要多编组、多波次搜索，各编组可以同时在不同区域执行任务，通过协调各编组搜索路线提高协同通讯中继性能。

4.2  海上搜救的实施

船舶抵达搜救目标最后通信区域后，使用船载设备测定区域内的海洋气象数据，测算搜救目标的漂移区域，划定搜救区域和飞行路径，传输相关数据到无人机编队，开始搜救。无人机编队对划定区域进行搜扫，借助航拍摄像机、雷达等进行监控，搜救海洋数据和图像信息，传输到船基。由指挥中心对数据进行计算分析，调整飞行方案。

发现目标后，对航拍图像进行放大处理，避免误判。目标确认后，将位置和图像信息传输到指挥中心，由无人机跟踪目标。指挥中心根据救援目标位置，制定航行路线，尽快赶到现场开展救援工作。

5  结  论

综上所述，基于无人机的海上宽带5G通信技术，能够确保海上作业通信的高效、稳定，使人们有能力适应海上的复杂环境，为各种海上项目提供通信技术支持，提高海上作业效率和增强应对灾害和突发事故的能力。无人机可以弥补传统舰艇效率低、成本高的不足，不仅可以搭载5G通信模组实现远程智能控制和实时数据传输，还可以搭载烟气监测仪、喊话器等设备，满足各种任务的需要，从空中视角提升海上作业项目的监管能力。同时通过专利分析，国内创新机构还需及时掌握5G相关技术和产业发展趋势，将其利用于无人机中，提高核心竞争力。

参考文献：

[1] 于海洋，董石磊，张学智.基于5G网联无人机的智慧巡防应用研究 [J].电子技术应用，2021，47（5）：11-13+18.

[2] 韩玲，朱雪田，迟永生.基于5G的低空网联无人机体系研究与应用探讨 [J].电子技术应用，2021，47（5）：1-4+10.

[3] 罗瑶，罗进.基于5G的无人机智能组网的应急通信技术开发及应用 [J].电子测试，2021（7）：96-97.

[4] 宁悦，吴啸晨.5G时代无线电监测站无人机云平台技术研究 [J].网络安全技术与应用，2021（1）：89-91.

[5] 陳慧玲，舒飞跃，周鑫鑫，等.基于“5G+无人机”的自然资源监测监管业务体系研究与探讨 [J].国土资源信息化，2021（4）：9-15.

[6] 吴文博，唐艳.“5G+无人机”的应用与发展问题研究 [J].中国无线电，2021（4）：71-72.

[7] 钟剑峰，王红军.基于5G和无人机智能组网的应急通信技术 [J].电讯技术，2020，60（11）：1290-1296.

[8] 韩将星.5G时代无线电监测站无人机云平台建设方案研究 [J].通信技术，2020，53（2）：345-352.

[9] 夏如君.5G赋能海上无人值守平台 [J].电信科学，2021，37（7）：148-154.

作者简介：加玉（1984—），女，汉族，湖北随州人，助理研究员，硕士研究生，主要研究方向：通信方向知识产权。