2020年10月09日 | 自动驾驶飞行器的普及的巨大障碍：连通性问题

对于许多应用而言，包括5G在内的传统蜂窝通信对于数据密集型自动驾驶汽车，UAV和机器人系统而言并非最佳选择。所需要的是新的蜂窝通信解决方案，该解决方案可以为车辆提供无缝连接和无限范围，并确保所有数据都可以从任何位置与相关方进行收发。

在过去的十年中，无人机和无人驾驶飞机（UAV）已成为最终用户，企业和政府的宝贵资产。随着推进技术，传感器技术和航空电子技术的发展，它们继续证明其价值，其不断提高的承受能力和可用性为不同行业中的无数应用提供了更新和更高的功能。我们目睹了城市和工业领域的自动空中操作的惊人增长。因此，商用无人机，城市空中交通和无人机交付的全球市场保持了强劲的增长。

多家公司已经开始测试货物和人员的自动航空运输。同时，其他公司则通过收集宝贵的航空数据并借助AI对其进行智能处理来为市场创造价值。这些新应用程序有可能改变许多行业，从农业到采矿和建筑。

技术的两个基本飞跃集中在车辆的自主性和飞行距离上。结果是……车辆不受任何方向的限制，只有数百英尺的高度，而且操作员可以手动输入，从而逐渐获得了超越视线（BVLOS）飞行的能力。这些进步使诸如无人机交付，空中检查和监视以及城市空中机动性等一系列新应用成为可能。

连接性挑战

尽管所有这些听起来都是未来科技，但自动驾驶飞行器的普及却存在着巨大的障碍。那就是连通性的问题。

创新者正在设计和开发车载技术，并提高航空器的能力。但是，如果我们无法创建统一的基础架构来响应连接需求，则无法确保安全的飞行和管理空中交通。因此，如果没有无缝，健壮且与范围无关的连接技术，自动驾驶飞机和航空器的许多拟议应用将无法起飞，这是实现安全，智能和自动驾驶空中飞行的最终基础。

无人机和无人机的连接

5G和无人机传统上，无人机和无人机的连接被认为是地面站／操作员与车辆本身之间的直接，点对点通信。尽管通信是一个广泛的话题，但是我们可以将飞行器的连接性分为两种类型：控制和非有效载荷通信（CNPC），以及有效载荷通信（PC）。

CNPC是专用的双向链接，可在车辆与地面站／操作员之间传输关键任务数据。通过确保对飞机进行远程监控，控制和必要的干预，它提供了有用且安全的操作。

另一方面，有效载荷通信通常被实现为单向链路，可将特定于应用程序的有效载荷数据从无人机传输到地面。由于PC有助于传输高质量和大负载数据，例如实时高清，热，红外或多光谱视频，因此与CNPC相比，它需要更高的吞吐量。

相反，CNPC对时间更敏感，并且所需的等待时间要少得多。这些车辆的尺寸范围从几厘米到几十米不等，并且具有多种配置，例如旋转翼，固定翼，多旋翼和许多其他构造，这些车辆可用于多种应用。除了PC和CNPC的要求之间的差异之外，还必须提供连接参数设置的许多单独组合才能满足这些不同的用例。

大量创新

由于安全管理空中交通至关重要，因此支持飞行员飞机关键通信的技术和协议已经存在了数十年。非军事性使用无人驾驶飞机相对较新，可以追溯到几年而不是几十年。然而，人们的关注程度令人吃惊，行业领导者的利益相关者已经做了很多工作，包括购买新飞机，空中出租车和送货用无人机，以安全地进入并分享我们未来的天空。

美国联邦航空管理局（FAA）一直是领导全球航空业无可争议的主要监管机构，已决定将无人驾驶和无人驾驶交通管理分开，以更好地满足各自的不同要求，即NextGen和无人交通管理（UTM）。这种分离是扩展空中作业的绝佳起点。尤其是在两种类型的飞行器上来自传感器，航空电子设备和有效载荷的机载数据量不断增加的情况下，当前能够最佳地避免碰撞，语音数据和遥测的通信架构将不足以满足下一代飞行员的需求。此外，当您考虑到估计预测未来几年将有数百万架无人机的需求时，这将是一个巨大的问题。

不同的挑战

有些人指出，无人机连接问题的明显解决方案是利用蜂窝网络，因为它们已经在全国范围内就绪，可以为人类提供广域，高质量和安全的连接。5G已经开始为许多用户提供更可靠，低延迟和高吞吐量的蜂窝通信。因此，这可能只是解决新兴的航空器连接问题的解决方案。但是，自主空中作战对满足容量，覆盖范围，成本，用户数据速率和等待时间的要求提出了完全不同的挑战。

蜂窝网络基础架构的局限性

当前的蜂窝网络基础架构和协议旨在支持地面用户。天线和信道模型专为二维地面覆盖而设计，无法适应始终移动的用户的3D空间。上行链路／下行链路带宽分配已针对人类使用进行了优化，这意味着分配的物理带宽和算法旨在支持更高的下载速度。由于海拔高度的原因，具有大量基站的视线通道的可能性很高，会导致干扰和关联问题。

飞行高度为100英尺的无人机可以轻松地从密集城市环境中的100多个地面基站获取下行链路信号。它从许多基站接收大量的弱信号。这与蜂窝网络和当前协议的设计方式正好相反。

无人飞行器还会对这些地面基站造成干扰，这意味着单个信道被阻塞在近100个小区中，甚至无法为地面用户提供服务。由于这些原因，当前的蜂窝网络无法充分支持任何飞行器，垂直起降（VTOL）飞机或客运无人机。这些网络需要发展，以支持自主的空中作战。Uber和Ehang等公司已经开始使用现有基础设施测试其飞行器。但是，如果不是从头开始构建，则基础结构至少需要进行一些重大升级。

连接性要求

5G和无人机建立在现有5G规范基础上的用于自主空中操作的协议栈，可以使数以百万计的不断移动和连接的设备不断交换信息。新的无线网络将为高速行驶的车辆提供超可靠，低延迟，高吞吐量的通信。

自治世界中的车辆将在许多不同的位置和条件下运行无数类型的应用程序。每辆车都是唯一的，因此它们的连通性要求也将是唯一的。这要求非常灵活的网络设置，这些设置将相应地进行调整以不断满足这些要求。内置的功能可将关键且对时间敏感的操作的计算委派给设备边缘和云边缘，这将有助于优化负载并极大地提高整体网络性能和经济性。

新的无线网络

这种新的蜂窝通信网络将为无人机和飞行器提供无缝连接和无限范围的通信，并确保所有数据都可以从任何位置收发给相关方。促进更大的数据交换将提供广泛的云计算功能，从而使无人机可以通过数据处理和管理服务在云上进行扩展。这些服务的一些示例可以是UTM，基于AI的数据分析和无线软件更新等。

传统上，蜂窝通信网络被认为是一种可以为所有人服务的大型架构。但是，自动驾驶车辆，无人机和机器人技术的进步通常迫使电信基础设施的本质发生了变化。尽管人们对物联网的连接给予了极大的关注，但数据密集型车辆的连接却是最近才出现的现象。当我们认为在不久的将来会增加数百万辆自动驾驶汽车时，需要对电信基础设施的统一方法进行迭代。因此，部署针对特定需求量身定制的分区网络可能是解决方案。的确，这些发展可能意味着下一代电信公司可能是专门为自治世界服务的公司。