一种无人机搭载移动式5G微基站平台及使用方法

技术领域

本发明属于无人机应用技术领域，具体涉及一种无人机搭载移动式5G微基站平台及使用方法。

背景技术

近年来，无人机应用领域越来越多的从军用方向转为民用方向，使用的无人机也从单一的大型无人机转为集群的小型无人机群。目前小型旋翼式无人机成为民用的主流，在视频照片拍摄、环境监测、应急管理及道路流量监控等领域应用广泛。同时一种近几年才逐渐发展起来的无人机移动基站正走向大众的视野里。

目前关于无人机移动基站已经有了较多研究，无人机移动基站等可移动基站可用于多种不同场景下提供网络服务。其中，利用无人机作为空中移动基站的承载平台具有诸多优势：无人机拥有很高的自由度，利用无人机搭载基站可以克服地理环境的限制。相比于地面移动基站，无人机搭载基站可以快速高效部署组网于不同地区而不用考虑物理环境的阻碍。

当前无人机微基站部署主要是为了满足目标区域通信网络的覆盖。然而受制于无人机续航能力，在有限载重情况下携带的电池不能够为整个系统提供长时间稳定续航能力。有一类系留式无人机微基站通过电缆定点与地面连接供电，虽然可以延长滞空工作时间，但是失去了无人机灵活移动的特点，在移送式场景下无法提供通信服务。

发明内容

本发明针对特殊情况下急需5G通信网络或临时扩展现有5G网络通信容量，发明了一种无人机搭载移动式5G微基站平台及使用方法。

本发明包括无人机5G微基站群、地面可移动控制中心以及目标覆盖区域内的用户终端。

地面可移动控制中心与无人机5G微基站群通信连接，通过地面可移动控制中心接入核心网。同时地面可移动控制中心能够部署和调动无人机5G微基站群。空中无人机5G微基站群与地面目标覆盖区域内的用户终端建立连接。其中每个无人机5G微基站也可以作为其他无人机5G微基站在空中的中继，收发数据。最终将目标覆盖区域内的用户终端的信息数据传送至地面可移动控制中心并且连入核心网。

地面可移动控制中心包括三部分，分别是无人机控制系统、通信系统和电池充电系统。其中无人机控制系统主要用于监测无人机5G微基站群中每台无人机的飞行状态，对无人机进行控制部署。当搭载5G微基站的无人机按照既定轨迹完成一个时段的通信服务工作后，由于无人机电量有限，该无人机会按照规划路径返回地面。通信系统实时转发来自无人机5G微基站群的数据和来自核心网通过地面可移动控制中心发往空中无人机5G微基站群的数据。电源充电系统用于给无人机5G微基站群供电电池充电，该电源充电系统具备快速、高效、安全的充电特点，能够在有限时间内安全地完成电池充电确保无人机5G微基站群随时能够有充足的电池备用。

无人机5G微基站群中的每台无人机均设置有通信系统Ⅰ、供电电池和自带的无人机系统。通信系统Ⅰ包括5G微基站和中继系统，5G微基站用于为目标覆盖区域内的用户终端提供5G通信服务；中继系统是用于连接相邻的无人机5G微基站群，此时该无人机充当空中中继节点，将空中通信网顺利接入地面可移动控制中心，进而并入地面通信核心网。供电电池为通信系统Ⅰ和无人机系统供电。无人机系统利用无人机自带的通信单元与地面可移动控制中心通信，用于进行飞行控制及无人机各参数回传。根据地面可移动控制中心的预设路径规划指令，无人机飞至目标覆盖区域内的用户终端上方后保持悬停，或者飞回地面保证平稳降落。同时无人机系统利用无人机自带的中央处理单元从各传感器获取如角速度、加速度、距离、定位信息等帮助无人机飞行姿态控制。

根据不同场景通信需求的范围不同，用户的分布不同，对无人机5G微基站群组网的性能需求也不同。大致分为两类，一类是在受灾地区地面通信基础设施损毁或在野外等地区没有地面通信基础设施情况下的无人机5G微基站群部署。另一类是用户激增导致地面基站过载无法为所有用户提供通信服务或地面基站能力受限需要通信扩展情况。首先，根据需求场景、目标区域大小、用户数量及分布和通信容量考虑确定无人机5G微基站数量。其次，根据使用场景及使用无人机5G微基站数量，使用最优无人机部署算法制定部署方案，根据三维空间中路径最短，耗时最短，能耗最少原则规划路径。再次，根据电池电量错峰返回原则设定无人机起飞时间间隔保证在电池剩余电量达到预设值后返航轮换时能够错峰返航。最后，根据服务场景需求使用5G微基站和中继系统，最终实现空中5G微基站信号连通至地面核心网。

空中无人机动态调度网络的实现：当一个无人机供电不足时按既定程序返回地面，同时相邻无人机5G微基站补充该位置，地面等待轮换的无人机起飞接替最近的空缺位置。当电量不足的无人机返航飞离设定位置后，相邻无人机补充过去飞向空缺出来的位置，地面备用的无人机起飞补充空缺位置。最后保证在一定空中范围内始终存在无人机携带的5G微基站提供5G通信服务。

本发明的有益说明：

1.所提出的基于无人机移动平台搭载5G微基站能够在复杂地区基于无人机空中飞行优势，避免了物理地形影响，在空中为特定区域提供5G通信网络。

2.本系统平台坚持利用无人机移动平台搭载5G微基站，在短时间内部署5G微基站于特定地区。在现有无人机续航能力下考虑用一种接替式无人机调度方法，持续为指定区域提供5G通行服务。

3.所提出的一种无人机可移动式平台搭载5G微基站，基于其运动特性可用于例如受灾地区地面通信基础设施损毁或在野外等地区没有地面通信基础设施情况，例如由于用户激增导致地面基站过载无法为所有用户提供通信服务或地面基站能力受限需要通信扩展情况等。解决了紧急情况下无5G网络的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种无人机搭载移动式5G微基站平台的无人机5G微基站群通信示意图

图2为本发明实施例提供的一种无人机搭载移动式5G微基站平台的地面控制系统框图

图3为本发明实施例提供的一种无人机搭载移动式5G微基站平台的无人机搭载5G微基站系统框图

图4为本发明实施例提供的一种无人机搭载移动式5G微基站平台使用方法的无人机5G基站规划调度运行流程示意图

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

如图1所示，是无人机5G微基站群通信示意图。该无人机5G微基站通信网由三部分组成，分别是无人机5G微基站群、地面可移动控制中心及目标覆盖区域内的用户终端。无人机5G微基站群与地面可移动控制中心连接，地面可移动控制中心接入核心网。同时地面可移动控制中心还能够部署和调度无人机5G微基站群。空中无人机5G微基站群与地面目标覆盖区域内的用户终端建立连接，为用户终端提供通信服务。其中每个无人机5G微基站还可以作为其他无人机5G微基站在空中的中继节点，收发数据。最终将目标覆盖区域内的用户终端的信息数据连入核心网。

如图2所示，地面可移动控制中心系统框图包括三部分，分别是无人机控制系统、通信系统和电池充电系统。其中无人机控制系统主要用于监测无人机5G微基站群中每台无人机的飞行状态，对无人机进行控制部署。当搭载5G微基站的无人机按照既定轨迹完成一个时段的通信服务工作后，由于无人机电量有限，该无人机会按照规划路径返回地面。通信系统实时转发来自无人机5G微基站群的数据和从地面核心网发往空中无人机5G微基站群的数据。电源充电系统是用于无人机5G微基站群供电电池充电，该电源充电系统具备快速、高效、安全的充电特点，能够在短时间内安全地完成电池充电确保无人机5G微基站群随时能够有充足的电池备用。

如图3所示，无人机搭载5G微基站系统框图，主要包括通信系统I、供电系统、和自带的无人机系统。通信系统I包括中继系统、5G微基站，自带的无人机系统包括了中央处理单元、无人机通信单元、陀螺仪、加速度计、测距单元、GPS、电机驱动单元等。通信系统I中的5G微基站用于为目标覆盖区域内的用户终端提供5G通信服务。通信系统I中的中继单元是用于连接相邻无人机5G微基站群，此时该无人机充当空中中继节点，回传或转发来自周围无人机5G微基站群的数据，最终将空中的无人机5G微基站群通信网并入地面通信核心网。因此能够大大增加在有限无人机5G微基站数量下扩大信号覆盖范围。供电系统为通信系统I和无人机系统供电。自带的无人机系统利用无人机通信单元与地面可移动控制中心通信，用于飞行控制以及无人机各参数回传。根据地面可移动控制中心的预设路径规划指令，无人机飞至目标覆盖区域内的用户终端上方后保持悬停，或者飞回地面保证平稳降落。同时无人机系统利用无人机自带的中央处理单元从各传感器获取如角速度、加速度、距离、定位信息等帮助无人机飞行姿态控制。

无人机搭载移动式5G微基站平台使用实施例如下。

根据不同场景通信需求的范围不同，用户的分布不同，对无人机5G微基站群组网的性能需求也不同。大致分为两类，一类是在受灾地区地面通信基础设施损毁或在野外等地区没有地面通信基础设施情况下的无人机5G微基站群部署，无人机5G微基站群独立组网为地面用户提供通信服务。此时仅考虑无人机5G微基站群间的通信连接和无人机5G微基站群与地面用户之间的通信连接。另一类是用户激增导致地面基站过载无法为所有用户提供通信服务或地面基站能力受限需要通信扩展情况。该情况下除了需要考虑无人机5G微基站群之间的通信连接和无人机5G微基站群到地面用户之间的通信连接外，还需要考虑无人机5G微基站群与地面可移动控制中心的连接性及通信容量。

本发明实施例涉及三类无人机对象，分别是返航机、补位机和备用轮换机。返航机指待更换电池的无人机，补位机指补充空缺位置的无人机，备用轮换机指部分无人机需要更换电池离场时，用于补充空中无人机5G微基站群数量的备用无人机。

步骤1、根据需求场景、目标区域大小、用户数量及分布确定无人机5G微基站数量：在受灾区域通信基础设施损毁或者野外无地面基站信号下提供紧急服务，需要重点考虑通信的覆盖范围，选择适当数量无人机5G微基站提供基础通信服务。例如在我国某些地方发生地质灾害如泥石流、塌方等，通信基础设施被损毁，急需要通信服务时的场景。在某地区用户激增导致地面基站过载无法提供全部用户通信服务或地面基站能力受限需要通信扩展情况下提供短期通信服务。例如某区域举行大型会议或者演出活动，地区通信服务容量有限需要临时扩充等场景。需要保证通信稳定情况下重点考虑增大无人机5G微基站无线通信系统的容量，选择合适的无人机5G微基站数量。

步骤2、根据使用场景和使用的无人机5G微基站数量制定无人机部署方案及路径规划：确定所需基站覆盖面积和微基站数量后，使用最优无人机部署算法例如自适应蚁群算法、改进的人工势场法等优化算法制定部署方案。能够在障碍物以外区域根据三维空间中路径最短，耗时最短，能耗最少原则规划飞行路径。

步骤3、根据无人机飞行计划依次按一定间隔时间起飞：根据电池电量错峰返回原则设定无人机起飞时间间隔，保证在电池剩余电量达到预设值后返航轮换时能够错峰返航，保证通信服务的连贯性与可持续性。例如在无人机部署起飞阶段，无人机依次有序起飞，待到第一个无人机需要返回时，后续无人机依次错峰返回。

步骤4、根据服务场景使用5G微基站和中继系统：5G微基站为目标覆盖区域提供5G通信服务。在部分场景下，若一部分无人机距离地面可移动控制中心过远，无法直接连接，此时中继系统可以传递来自远端的5G微基站数据和来自地面可移动控制中心数据。最终实现空中5G微基站信号连通至地面核心网。

步骤5、空中无人机动态调度网络的实现：当一台无人机供电不足时按既定程序返回地面，同时相邻无人机补充该位置，地面备用轮换无人机起飞接替最近的空缺位置。如图4无人机5G基站规划调度运行流程示意图所示，当返航无人机飞离设定位置后，补位机1飞向空缺位置，补位机2飞向补位机1离开的位置，备用轮换机起飞补充补位机2离开的位置。无人机5G微基站群接替飞行，保证在一定空中范围内始终存在无人机携带的5G微基站提供5G通信服务。