物联网、无人机/卫星在5G网络中的集成

来源：电科小氙

通信卫星和无人机等飞行技术有助于克服地面基础设施的限制，提供更广的覆盖范围、更高的弹性和可用性，并提高用户体验的质量。基于这些特点，在5G生态系统中集成无人机和卫星，物联网将可在很多方面受益，不仅仅是覆盖范围的扩展和可用带宽的增加，也许在未来，无人机和卫星将成为这项服务的基本组成部分。

无人机已应用于人们日常生活的各个领域，能帮助人们完成各种任务，从包裹递送到潜水应用。对于物联网而言，无人机可以适当充当物联网网关，收集来自覆盖区域的物联网传感器数据，并将数据转发给通过5G网络连接Internet的授权用户。无人机的位置和移动路径可以根据物联网设备在覆盖区域的分布和生成数据的数量和周期任意设置，提供可定制解决方案，同时降低基础设施成本。此外，根据有效载荷硬件的不同，无人机还可以作为多个物联网解决方案的中间节点，在一个节点上提供一种多技术物联网解决方案。

通信卫星已在全世界广泛用于扩展通信距离（电话和Internet）。目前，有数十个卫星通信星座用于此目的，还有一些星座也在计划通过近地轨道（LEO）卫星提供全球Internet连接。已有一些初步研究重点关注将卫星网络用于物联网，欲在物联网设备和最终用户间通过卫星通信进行数据交换。卫星可以作为中间节点直接或通过其他中间收集节点（如无人机）连接物联网设备，以提供可动态部署的实时连接。

随着5G时代的到来，物联网、无人机和卫星都将部署在5G环境中。本文考虑了物联网、无人机和卫星在未来5G中环境下的联合集成，讨论了在5G模式下集成物联网、无人机和卫星的不同可能解决方案，重点介绍在5G地面卫星混合网络中整合物联网的第一步解决方案，并说明了关于这种集成方案的未来挑战。

针对未来的5G架构，国际电信联盟（ITU）将具有相同性能需求的不同应用进行了分组，并给出了三种不同用例中的用户QoE。其中之一是大规模机器类通信（mMTC），其特点是在小范围区域内有大量连接设备，通常传输少量非延迟敏感数据。大多数物联网应用都属于这一类。但物联网应用场景很多，在某些情况下，不能仅仅通过加强地面基础设施来解决。例如，在一些农村和偏远地区，建设（或加强）和管理地面通信基础设施的经济回报不足。而将Internet连接扩展到智慧农场和智慧村庄解决方案，以及其他5G应用场景，需要超越地面基础设施。在此情况下引入无人机和卫星将是可能的解决方案。

3GPP已进行了一些研究，目的是在R15标准中定义非地面网络（NTN）在5G生态系统中的可能作用，并在R16中从网络角度提出解决方案，实现非地面网络和地面网络的集成。这些解决方案的主要区别是在非地面物体上实现的功能。非地面物体可以作为5G用户设备（UE）和5G接入点（5G-gNB）之间的中继节点，扩展5G无线接入网（RAN）的覆盖范围或作为骨干支持。此外，另一项研究正在研究在5G接入操作中采用卫星通信网络作为活动节点的可能性，即利用卫星作为5G-gNB生成5G蜂窝。这些解决方案各有利弊，目前还不清楚哪种方案最适合物联网应用。

还有一些项目正研究在5G中使用卫星和无人机，并开发和测试未来将在5G网络中实施的解决方案。如欧盟委员会资助的现行SAT5G项目，该项目要研究关于卫星通信在5G增强移动宽带（eMBB）场景中的定位。其目标是提供高性价比即插即用卫星通信解决方案，并加速5G在所有地区的部署。该项目选择了四个不同eMBB卫星用例，且工作主要集中在（1）为网络边缘提供高效的多播/广播内容传递；（2）提供5G连接接入，补充地面网络；（3）为飞机等移动平台提供5G连接；（4）为很难部署地面连接的地区如湖泊、岛屿等提供固定5G回传链路。还有研究引入了一个基于卫星通信和移动边缘计算（MEC）的面向5G的网络架构，辅助eMBB应用，并保证实时流媒体应用的QoE。该研究评估是通过一条真实卫星链路完成的。另一个名为SATis5的项目展示了一个融合卫星和地面5G网络的演示器。最近启动的一个欧盟项目5G!Drones研究的是将无人机融入5G。其最终目标是设计、实现和运行各种基于5G基础设施的无人机用例测试，并验证5G关键性能指标。考虑的主要用例包括无人机交通管理、公共安全/救援、态势感知和人群密集事件期间的连通能力。

在5G时代，无人机/卫星和5G地面网络之间的集成将能更好地支持物联网应用，并带来多方面的好处。在没有其他通信基础设施的情况下，5G应用场景可以使用无人机和卫星，收集和转发物联网设备生成的数据。无人机可以作为移动接入点扩展商用物联网覆盖，其位置和运动路径可适当设置并动态调整。

无人机/卫星和5G地面网络之间的集成将通过多种方式实现。下面将讨论集成上述技术的第一步。在介绍不同架构之前，先列出一些可能条件：

· 物联网设备可能作为5G UE（用户设备）。缺点是大多数情况下物联网设备都非常简单，它们的尺寸、硬件和可用资源限制受到严格限制，因而承载5G UE功能可能负担过重。

· 无人机可以用作5G UE、5G-gNB（5G接入点）或透明中继节点（RN）。在第一种情况中，无人机通过无线非5G接口（如商用或标准化低功率广域（LPWA）方案）与物联网设备通信。无人机可以连接到可见卫星（星载5G-gNB）生成的5G蜂窝，或通过充当RN的卫星访问5G核心网。在第二种情况下，作为5G-gNB的无人机可按需部署5G蜂窝，并为作为5G UE的设备提供连接。在第三种情况中，如果物联网设备是5G UE，且在地面段接入5G网络，那么无人机就是对5G通信“透明的RN”，只进行变频和射频放大，使数据传输到卫星。

· 如果卫星配备了可再生有效载荷，则可以作为5G-gNB；如果它们是透明有效载荷卫星，则可作为5G UE和5G RAN（无线接入网）之间的RN。同样的情况也适用于卫星网关，它可以作为5G-gNB或通过地面链路连接到5G-gNB。

· 地面段包括5G核心网和5G gNB（如果未部署于其它地方）。

依据非地面网络的5G标准化进展，图1至6显示了可能网络架构配置（从用户面角度）。

具体而言，图1~3所示情况为物联网设备作为非面向5G的设备，它们配备了基于物联网协议栈的接口。在这种情况下，无人机充当5G-UE，负责物联网和5G协议栈之间的转换。这些架构的不同之处在于卫星的作用，即5G-gNB的位置。在图1中，卫星是一个简单的RN，作为一个“扩展器”，其唯一目的是执行无人机与卫星链路间传输所需的射频处理和频率转换（RF和FS）。5G-gNB位于地面，靠近5G核心网，卫星为5G-UE和5G-gNB间提供传输链路。在图2中，卫星仍然是一个简单的RN，但是5G-gNB更靠近5G-UE。5G-gNB仍然位于地面，卫星作为5G-gNB和5G-CN间回传。图1和图2架构的主要区别是，在后一种情况下，5G-gNB接近网络边缘，便于部署MEC等技术，并由于通信延迟较低，5G-UE和5G-gNB间能实现更好的交互。在图3中，5G-gNB功能被转移到卫星上，增加了其复杂性。基于卫星的5G-gNB的技术挑战更大，涉及软件和硬件方面的问题，不会立即得到应用。近期最现实的方式是将卫星用作RN。也可利用部署和实现了其他“经典”卫星通信协议（如，DVBS2）的卫星用于此用途。需要设计和发射具有5G-gNB功能的卫星，可能要花好几年时间。

图4至6所示的网络架构中，物联网设备被视为配备了所有5G组件的对象，可直接接入5G蜂窝，即物联网设备是5G-UE。但此类解决方案与所有现有商用物联网方案都不兼容，因此会引入一个独特的5G物联网通信标准。这种独特标准技术将避免不同解决方案之间的兼容性问题。图4将物联网设备作为5G-UE，让无人机和卫星作为简单的RN，图5方案是在卫星上载有5G-gNB，需要妥善处理所需硬件复杂性和更高资源需求带来的负担。将5G-gNB放到无人机上的情况如图6所示。它会增加无人机软硬件的复杂性。从实际的角度来看，这些方案无法立即实现。

表1总结了每种解决方案的优缺点。

表1 各解决方案优缺点

图1和图2所示的解决方案被认为是在5G框架下实现非地面和地面网络集成的第一步。这两种方案有优势，也带来了新挑战：

· 从无人机协议栈来看，无人机可能要配备一个或多个面向物联网设备的接口。通过这种方式，它们可以同时收集基于某一特定或多种物联网技术和协议的设备生成的数据，有助于多种物联网解决方案之间的集成。

· 无人机可能要配备一个额外接口，用于直接访问5G-gNB无线电基站。这样，当无人机位于地面5G蜂窝覆盖区域内时，它们可以选择将收集到的数据发送到卫星或无线基站。如果必要，数据还可以利用多路径解决方案（如MP-TCP），通过卫星或无线基站这两个链路交替或同时发送。

· 将5G-gNB靠近或远离5G-UE可能会产生有争议的影响，其影响仍有待调查；例如，通信延迟在图2结构中5G-UE和5G-gNB之间较高而在5G-gNB和5G-CN之间较低；在图3架构中反之亦然。如果计算和存储能力靠近物联网设备，则可能能部署MEC技术。

考虑以上方面，将会增加无人机上软硬件的复杂性，还有能耗问题（这对飞行体是个严重问题），虽然有些技术解决方案可能能够缓解这个缺点。例如，复杂性可能分布在更多无人机组成的无人机蜂群中，蜂群中所有无人机都通过短距无线接口（如WiFi）连接在一起。蜂群中一架无人机负责收发卫星数据，其他无人机都配备一种不同于其他无人机的LPWA（低功耗广域）技术，以支持特定接入。

其他需要处理的研究挑战和技术问题包括：

· 路由问题：5G-UE由5G通信的用户端点组成，因而5G核心网无法看到连接到无人机的多个物联网设备。无人机上必须实施适当的机制，使之可以正确地将数据分发到物联网设备（例如，指令、请求等）。相应的解决方案可能类似于为IP开发的“网络地址转换”（NAT）。如果更多基于不同物联网解决方案的设备通过不同接口连接到同一架无人机，这个问题就更有挑战性了，因为每个解决方案都使用自己的设备地址格式，且在某些情况下，还是专有格式。

· 越区切换问题：无人机可以按照预先设定的路径改变位置，非地球同步卫星也不总是覆盖固定区域。这就意味着物联网设备不可能总是与同一架无人机相连，无人机也不总是与卫星相连。这就需要适当的切换机制来管理在这些不同类型的切换期间进行的通信。

· 长期存储问题：由于无人机与卫星之间或卫星与卫星网关之间的卫星链路出现可预测或不可预测的故障，无人机可能会暂时与5G核心网断开。无人机和卫星之间的通信可能会受到障碍的影响，障碍造成的散射会增加信号衰减。高衰落衰减对卫星通信有影响，特别是在高频段：雨衰问题在Ka或更高频段不可忽略，在卫星网关站，强降雨可能导致线路中断。链路中断时间从几毫秒到几分钟不等，取决于链路中断的原因（慢或快衰落、障碍持久性等）。如果能在无人机上中/长时间存储数据可以避免浪费数据、带宽和与物联网设备联系的机会。当然，考虑这种功能也会增加无人机软硬件的复杂性。

· 安全性：一些物联网解决方案（尤其是商用方案）已在设计时包含了数据加密机制，以确保物联网设备和用户之间安全交换数据。但是，还应该进行进一步分析，评估无人机和卫星（例如更大的延迟、可能的中断和切换等）对所支持应用安全性的影响。

图7展示了在5G模式下集成物联网设备、无人机和卫星的架构，以及前面提到的可能挑战。

本文介绍了5G环境下物联网设备、无人机和卫星的集成。通过区分物联网设备、无人机和卫星的作用，提出了不同体系结构。其中无人机为5G-UE、卫星为RN、5G-gNB位于地面部分的方法，将作为实现上述集成的第一步。另外本文还给出了这种集成可能面临的各种挑战。