面向空天应急通信系统的空地连续覆盖技术研究与应用

陈盛伟，李帆，杨光平，周剑，苏郁

（中国移动（成都）产业研究院，四川 成都 610213）

0 引言

我国是一个自然灾害多发的国家，根据应急管理部发布的我国2021年全国自然灾害的情况，全年各种自然灾害共造成1.07亿人次受灾，因灾死亡失踪867人，倒塌房屋16.2万间，农作物受灾面积11 739千公顷，直接经济损失3 340.2亿元[1]。

当地震、洪水、泥石流等大型自然灾害发生时，可能会造成受灾地区道路、通信、电力的中断，即“三断”。灾后受灾群众应急通信需求会急速上升，救援人员为了迅速了解受灾情况，及时进行救援需要通信通畅[2]。灾后72 h是抢险救援的黄金时间，快速恢复通信，及时、准确地传递灾区信息，便于指挥者更好进行决策，更好地保护人民群众的生命财产安全。

传统的应急通信方案包括应急通信车、卫星电话等[3-4]。应急通信车主要解决大型活动场景的通信容量问题，在我国已经广泛配备，是最为常见的应急通信设备之一。但是在“三断”场景下，应急通信车会受交通和道路影响，无法迅速到达受灾地区。卫星电话是一种特殊的通信终端，通过卫星通信系统进行信息传输，需要专用终端，而且带宽有限，不利于传输视频和图片，无法广泛配备[5-6]。卫星通信背包（以下简称：卫通背包）基站是一种集成移动基站和卫星通信收/发设备的轻量化应急通信设备，整机重量可控制在十几千克内，可单兵携带，快速开通。设备可内置电池，无须外部供电。用户通过普通手机接入，不需要专有终端。在2022年3月东方航空坠机事故的搜救现场，中国移动开通卫通背包基站为救援人员提供通信保障[7]。卫通背包设备具有集成度高、开通方便的优点，但是覆盖范围有限，需要通过车辆或单兵携带到灾区附近，不适合“三断”情况下的应急保障。

随着近年来应急通信领域研究的飞速发展，涌现一批更灵活、便捷的空天应急通信系统。

系留无人机应急通信系统通过光电复合线缆进行地面电源和通信设备的数据传输。由于系留无人机通过地面电源进行供电，因此能够提供长时间不间断的空中应急通信保障[8]。相对应急通信车，系留无人机应急基站升空高度可达200 m以上，并可根据保障场景调节升空高度，覆盖面积可达数十甚至上百平方千米。系留无人机基站相对传统应急通信车覆盖范围更大、更加便捷，但是系留无人机需要由应急通信车搭载到灾区附近进行升空，因此同样会受到交通和道路的影响，不适合“三断”情况下的应急保障。

与系留无人机应急基站类似，近年来另一种系留气球基站也有一定范围的应用。无人气球依靠填充氦气驻空，搭载基站设备，可实现对地面的大范围覆盖。谷歌Loon气球项目实现通过7个不同的气球实现近1 000 km范围的信号覆盖，并应用于秘鲁、波多黎各的灾后应急通信中[9]。云南移动研发的“5G彩云一号”无人飞艇基站于2021年9月顺利完成试验飞行测试，覆盖范围可达100 km2[10]。但是无人气球基站机动性较差，只能实现升空地点附近的信号覆盖。

上述空天应急通信方案相对传统应急通信方案具有一定的灵敏性，但是在大型自然灾害发生造成“三断”的情况下，仍会受道路、交通等因素制约，难以迅速到达灾区。

大型固定翼无人机空天一体化应急通信方案示意图如图1所示，可以弥补上述方案的短板[11]。空天一体化应急通信的系统包括地面、机载、空天三大部分。机载部分由固定翼航空器携带通信载荷作为一个空中基站。灾区地面基站被摧毁的情况下，空中基站可迅速飞抵灾区上空，为灾区民众和救援人员进行通信覆盖[12]。空天一体化应急通信系统具有响应快、通信持续时间长、地面覆盖好、覆盖面积大等特点，成为应急通信系统的研究热点[13-14]。

图1 大型固定翼无人机空天一体化应急通信方案示意图

目前业内空天基站的方案是把通信基站直接挂载到无人机上，飞机在目标区域上空进行盘旋，实现空对地覆盖[15]。无人机的位置是不断变化的，所以地面上的可用信号覆盖区域随着固定翼航空器在空中的位置变化以及飞行姿态变化而移动，导致目标区域只有很小的一部分信号可以随着无人机的飞行实现连续覆盖，甚至完全不存在连续覆盖区域。本文的连续覆盖，是指业务层面的连续覆盖，即对地面上需要信号覆盖的某一点P，在空中基站整个盘旋作业过程中，都有满足基本通话和数据连接能力的信号覆盖。对于整个覆盖区域，要求95%以上点位的参考信号接收功率（reference signal receiving power，RSRP）≥-110 dBm[16-17]。

覆盖不连续会导致地面通信出现信号时强时弱、频繁掉话等，对于应急通信来说是致命的缺陷[18-19]。因此，如何设计对地覆盖方案，实现固定翼无人机通信基站对指定区域的连续覆盖，是空天基站方案的研究重点。

1 系统模型

1.1 单天线设计方案

目前空天基站的方案通常采用在无人机上搭载单天线的方案，如图2所示。设飞机飞行高度为h，飞行轨迹是以D为圆心、半径为R的圆，天线的下倾角为α（这里的下倾角指机腹与机载天线之间的夹角，不包含无人机盘旋时机身倾斜角），天线的半功率角为β，飞机滚转角为γ，E是天线可以覆盖的最远点，B是天线可以覆盖的最近点，A为飞机的飞行轨迹在地上的投影点，则有：

图2 单天线设计方案示意图

无人机沿着半径R的圆盘旋的过程中，无人机飞到A点正上方时，天线对地覆盖范围为BE。无人机在盘旋过程中，如对地形成连续覆盖区域，要求AE＞R，此时，以D为圆心，DE为半径的区域形成连续覆盖区域。存在连续覆盖面积情况下，可以得到天线下倾角为：

通过对连续覆盖区域的分析可知，单天线的情况下，空对地的覆盖范围取决于飞行高度、天线半功率角、飞机滚转角等因素，空对地覆盖范围十分有限。一般情况可以通过增加飞机飞行高度提高覆盖范围，但是无人机飞行高度一般有一定限制，同时飞行高度过高，会导致信号衰减大，达到地面的信号强度较弱，覆盖效果不理想。

1.2 多天线覆盖方案

单幅天线覆盖范围有限，难以实现对地面的连续覆盖，因此提出通过设计多天线方案解决连续覆盖问题。定义方向朝向圆心的基站天线为内侧天线，定义方向朝向飞行轨迹在地面投影的边缘位置的基站天线为边缘天线。在无人机上配置多副内侧天线和边缘天线，内侧天线为 ANT1,ANT2, …, ANTn，外侧天线为ANT～1, ANT～2 ,…, ANT～n。

通过内侧天线和边缘天线，在不需要空中基站作业过程中做任何物理变动（如实时调整天线角度）的前提下，实现对地面的连续覆盖。

水平和垂直半功率角差异大的天线设计方案示意图如图3所示，记内侧天线发射方向朝固定翼航空器盘旋轨迹内侧偏离nε（天线面水平角度，即方位角），边缘天线发射方向朝固定翼航空器盘旋轨迹内侧偏离ε~n。内侧天线 1下倾角为1α，内侧天线n的下倾角在α的基础进行调整，以弥补在地面的连续覆盖区域是一个狭长小面积区域的缺点。内侧天线的垂直半功率角为nβ。边缘天线的下倾角为α~n，垂直半功率角为β~n。

图3 水平和垂直半功率角差异大的天线设计方案示意图

固定翼航空器俯仰角为θ，固定翼航空器飞行高度为h。

O点是连续覆盖目标区域的几何中心点位置，OB为飞行轨迹半径R。相对O，G是内侧天线所能覆盖最远点，C是内侧天线所能覆盖最近点，A是边缘天线所能覆盖最远点，D是边缘天线所能覆盖最近点。

理论上要求OG＞0，并且OC＞0，否则没有连续覆盖区域。为了达到连续覆盖效果，要求OG≥R、OA≥R，并且边缘和内侧天线的覆盖范围有重叠，也就是OC＞OD。

连续覆盖面积近似为：

• 当OA≥OG时，信号连续覆盖以OG为半径的圆面积；

• 当OA＜OG时，信号连续覆盖面积为以OA为半径的圆面积。

其中，OG是地面目标覆盖区域几何中心O到内侧天线覆盖最远距离G的长度。

因此内侧天线1下倾角为：

内侧天线ANTn的下倾角为：

边缘天线的下倾角需结合航空器滚转角：

边缘天线ANT～n的下倾角为：

定义天线在垂直方向与地平面的夹角为nξ，则nξ=-θ，即垂直方向上天线需抵消掉飞机俯仰角的影响，保持和地面水平。

从而根据式（6）、式（8），可以确定覆盖的具体位置，并获得天线的下倾角，空中基站扇区天线的下倾角设计符合此要求。

2 连续覆盖方案

2.1 无人机飞行方案

设无人机飞行净高为h，飞行半径为r，覆盖半径为R，覆盖最远距离为d，覆盖距离示意图如图4所示，H、r、R和d之间需满足：

图4 覆盖距离示意图

在最远覆盖距离满足≤6 500 m的条件下，可以得到不同覆盖半径的飞行净高和飞行半径。

2.2 天线挂装方案

在进行天线挂装方案设计时，首先考虑一个内侧天线和一个外侧天线的覆盖满足要求，两个天线的覆盖边缘示意图如图5所示。图5中双实线和双虚线分别表示外侧和内侧天线的覆盖范围，a、b、c、d和w、x、y、z点分别表示两根天线在4个方向上的边缘覆盖点。

图5 覆盖边缘示意图

设无人机飞行高度为h，天线水平和垂直半功率角分别为ω和β，天线和地平面夹角为α+γ，则有：

w、x、y、x点位置的计算方法同理。为了实现连续覆盖，需要保证 OB＞OW。同时还要保证a点和x点在待覆盖范围之外。在此基础上，设计天线2和天线3的旋转角度εn和，εn和一般根据经验值取。综合考虑飞行高度、飞行半径和覆盖范围等因素，得到天线的安装方案。在飞行高度为3 500 m、飞行半径为3 000 m时，预估天线覆盖范围如图6所示。从图6中可以看出，使用该天线安装方案，可以实现半径3 500 m的连续覆盖。图6中所示覆盖范围是以半功率角的覆盖为最远点，实际的覆盖范围可能更大。

图6 天线覆盖范围示意图

3 覆盖面积分析和仿真

3.1 传输损耗

上述方案中，连续覆盖的面积来自用户的需求。图3中的OG和OA是基站对地面连续覆盖的最远传输距离。但是，最远传输距离是否满足通信诉求需要结合基站的能力以及传播模型进行评价。评价方法如下。

在设备型号确定后，可通过设备的发射功率、接收机灵敏度、收/发天线增益等参数进行链路预算。并考虑信号传播过程中的干扰余量、馈线损耗、阴影衰落、路径损耗等损耗，可计算得到传输距离[20-21]。

3GPP 38.901协议规定了适用于0.5～100 GHz频率范围内空间损耗的数学统计模型，包括城市微站、城市宏基站、郊区宏基站等场景。无人机在空中飞行和终端间遮挡较少，可采用适用于郊区宏基站的RMa-AV LOS路损模型：

其中，hUT为终端高度，d3D为传播距离，fc为载波频率。

根据上述方法，结合客户需求，可获得方案中的PG、PA的值。其中，阴影衰落余量为3 dB。

3.2 最大传输距离

链路预算通过对发送端、通信链路、传播环境和接收端中所有增益和衰减进行估算，从而估计信号的最远覆盖距离[22]。

以中心频率0.95 GHz为例，终端高度1.5 m的条件下，传播损耗和链路预算分析见表1，上下行的最大覆盖距离分别为6 543 m和26 412 m。与下行相比，上行由于发射功率小、没有发射天线增益等原因，覆盖较为受限[23]。因此整体来看，在郊区场景下，无线传播的有效距离最大为6.5 km。

表1 传播损耗和链路预算分析

3.3 仿真分析

RSRP是代表无线信号强度的关键参数，是在某个符号内承载参考信号的所有资源粒子上接收的信号功率的平均值[24]。

RSRP测试标准参考如下：

• 极好点：RSRP＞-80 dBm；

• 好点：RSRP=-90～-80 dBm；

• 较好点：RSRP=-100～-190 dBm；

• 一般点：RSRP=-110～-100 dBm；

• 差点：RSRP=-120～-110 dBm；

• 极差点：RSRP＜-120 dBm；

针对本文提出的天线挂装方案，对无人机1副内侧天线加2副边缘天线的空对地覆盖效果进行了仿真。关键仿真参数如下：

• 广播信道水平波束宽度：74°；

• 广播信道垂直波束宽度：15°；

• 发射功率：20 w；

• 单天线最大增益：8.96 dBi；

• 无人机飞行高度：2 km；

• 盘旋半径：1.5 km；

• 滚转角：7°。

仿真结果如图7所示。圆形实线为待覆盖目标区域。可以看出，飞机在飞行到东、西、南、北4个方向时，待覆盖范围的RSRP均在-120 dBm以上，主要集中在-100～-75 dBm，仅少数边缘区域RSRP小于-120 dBm。说明该方案可以实现良好的空对地连续覆盖。

图7 仿真结果

4 飞行测试

为了测试本文提出的固定翼无人机天线挂装方案的实际覆盖效果，通过大型固定翼无人机搭载基站和卫星通信设备进行了实际飞行测试。无人机到达目标区域上空后，在3 500 m高度进行盘旋，基站对地进行无线信号覆盖，通过卫星回传业务到核心网，第一时间打通灾区通信。

4.1 测试配置

测试所用无人机、卫星和基站的参数以及飞行方案见表2。

表2 测试基本参数

4.2 测试方案

移动测试路线从东－南－北－西，第一轮测试路线如图8所示，第二轮测试路线如图9所示。

图8 第一轮测试路线

图9 第二轮测试路线

4.3 测试分析

4.3.1 RSRP分析

在移动测试路线中，RSRP分布如图10所示。

图10 RSRP分析

6个固定点位的RSRP统计数据见表3。

表3 RSRP统计

从移动路线和定点测试的 RSRP分布可以看出，在半径3.5 km以内的RSRP基本大于-95 dBm，信号覆盖比较好；半径4 km位置信号覆盖一般，说明本文所提出的天线搭载方案可以实现对地面目标区域的连续覆盖。

4.3.2 VoLTE分析

各个点位长期演进语音承载（voice over long-term evolution，VoLTE）测试统计数据见表4。

表4 VoLTE测试统计

从表4可以看出，半径4 km以内的VoLTE接通率为100%。

4.3.3 Ping丢包时延分析

各个点位Ping包数据见表5，半径3.5 km以内的Ping时延在600 ms以内，基本无丢包。

表5 Ping包数据

4.4 测试结论

测试总结见表6。采用本文所提出的天线安装方案，在飞行场高3 500 m时，移动信号对地覆盖半径可到4 000 m，空对地覆盖面积达50 km2，且VoLTE语音质量较好，可以实现地面连续覆盖。

表6 测试总结

5 应用实践

2021年7 月，河南省多地由于极端强降雨造成特大洪涝灾害。其中，巩义市米河镇道路多处塌方，全镇道路、电力中断，光缆损坏，通信基站大面积退服，成为信息“孤岛”。应急管理部、工业和信息化部紧急调派中国移动翼龙空天一体化应急通信系统执行应急通信任务。翼龙无人机长途奔袭1 200 km，完成了紧急网络信号覆盖，为灾区提供移动通信保障。

历时14 h，中国移动翼龙应急基站累计接入5 157个用户，产生流量4 360.5 Mbit/s，为抢险救灾信息传递提供通信保障。用户流量统计如图11所示，接入用户数统计如图12所示。

图11 用户流量统计

图12 接入用户数统计

6 结束语

当前业界所使用固定翼无人机空天基站单天线搭载方案，存在覆盖不连续、通信质量差等问题。针对此问题，本文创新性地提出内侧天线加边缘天线的多天线安装方案，在不使用云台智能控制天线角度的情况下，实现空中移动基站对地面的大面积连续覆盖。并提出了通过结合航空器滚转角、俯仰角、盘旋半径以及覆盖面积要求等参数，计算空中移动天线系统对地面信号连续覆盖的内侧天线和边缘天线的方案。同时结合3GPP空间损耗模型，设计飞机飞行方案。实际测试结果显示，采用本文所提出的天线搭载方案，飞行高度分别为3 500 m时，空对地无线信号覆盖半径可达4 000 m，覆盖面积可达50 km2，可以实现对地连续覆盖，且通信质量较好。

下一步研究目标是建立天线设计数学模型，根据基站参数、飞行高度、飞行半径、要求覆盖范围，设计最优的天线挂装方案，达到覆盖范围和性能最优的目的。