中国联通研究院认真贯彻落实国家战略部署，承担服务科技水平自立自强的时代使命，自2017年起组建专业无人机团队，积极开展无人机系统化创新网联无人机行业，在行业内率先提出“端、网、业、管”四合一的网联无人机解决方案。近日，该团队最新研究成果《端、网、业、管》发布。近日，该团队最新研究成果《5G组网无人机系统应用关键问题》发表在《通信信息技术》杂志上。文章从低空网络优化、系统网络改造和系统安全建设三个方面进行了探讨，并围绕影响5G组网无人机系统应用的导航系统、飞控信号、通信链路等潜在安全问题给出了相应的解决方案。可以保障5G组网无人机系统有效、高效的应用。无人机联网应用有效实现。
以下为文章全文：
介绍。
随着低空经济概念首次写入国家规划[1]，其拉动的低空应用市场正以肉眼可见的速度增长，并逐步迈向高质量阶段。发展。无人机是新技术和先进生产力的重要载体，已成为低空经济产业集约创新和高速增长的战略机遇[2]，得益于该系统具有无人驾驶、智能、安全、高效等特点。优势显着，前端向垂直领域持续渗透，从而打造“无人机+行业应用”的数字化治理新模式。然而，无人机应用虽然拥有良好的发展前景，但也存在监管难度大、测控技术落后等痛点，始终没有形成真正的商业规模。现有的无人机系统由飞行平台（无人机）和地面控制站组成，飞行平台根据不同的任务选择性地匹配相关的功能有效载荷，如光学吊舱、喊话装置、特种作业设备（灭火器、水采样器）等。 ， ETC。）。在该系统内，通信和数据交互仅限于无人机和地面控制站之间。在监管方面，系统产生的数据和信息分散在上述各个无人机内部，给集中管理带来了很大困难。在测控方面，系统采用点对点通信，受限于设备无线电发射功率有限以及保持可视通信环境通畅的问题，导致有效距离范围无法满足需求的多元化产业。
基于此，迫切需要通过技术手段彻底改变现有无人机系统固有的应用局限性。 5G网络具有超高带宽、毫秒级时延、超高密度链路等优势[3]，自商用至今，迅速征服了众多寻求创新有利抓地力的领域和转型，无人机行业的应用就是其中之一。
5G网联无人机，顾名思义，是利用5G网络进行远程或程序化控制的无人机[4]，它是在现有无人机系统的基础上，通过改造和替换，取代原来的点-与5G通信链路进行点对点通信链路，同时进一步将地面控制站的所有功能集成到云平台中，解决测控距离有限、数据孤立的核心痛点问题岛屿，减少专业人才投入，加强制度建设。减少专业人员投入，提升系统智能化无人化水平，助力行业融合，赋能广泛的行业应用需求。
不过，5G网联无人机若想取得上述应用成果，仍需在以下关键方面取得实质性突破。首先，5G组网无人机最显着的特点是利用5G通信链路实现无人机入网，因而低空网络的信号质量决定了5G组网无人机系统应用的可靠性。可以说，低空网络的建设、规划和优化是5G组网无人机实施的前提条件。其次，无人机如何针对5G网络连接进行改造，改造后的系统如何广泛应用于更多场景，将是影响5G网络连接无人机有效应用的重要问题。最后，无人机“黑飞”事件频发[5]，对于5G网络连接无人机的安全性需要重点论证，一方面结合行业应用需求的差异，另一方面一方面，需要考虑到应用实施风险的规避。
1.低空网络问题分析及建议
低空网络与地面网络的主要区别在于，地面网络在无线信号传播过程中遮挡较多、干扰较大，而低空网络由于空域相对纯净，视距传播，导致信号传输低。低空网络信号比较杂乱，同时由于距离基站数公里远，通过大气波导[6]以及跨越多个小区的干扰覆盖，导致低空网络的网络环境更加混乱。复杂且难以处理。
1.1 低空网络实际试飞情况
针对低空网络环境的不确定性，选取湖南常德31.38km2的区域进行实际飞行测试，频段和带宽为5GN1 20/40MHz、4G B3 20MHz、4G B1 20MHz、 4G B810MHz。采用搭载自主研发机载终端的多旋翼无人机进行飞行中数据采集，并通过采集的日志文件在飞行中对低空网络数据进行分析。通过采集的日志文件对飞行中的低空网络数据进行分析，飞行测试的总体情况如表1所示。
通过测试可以得出以下主要结论：
1）虽然基站天线是向下倾斜的，但由于自由空间传播条件弥补了天线增益的降低，终端在200m~300m高度的前提下，仍然可以接收到相当强的信号。距场地合适的水平距离；
2）受限于5G小区相对4G小区较少，且由于5G频段明显高于4G频段，导致5G小区的覆盖明显弱于4G小区的覆盖；
3）5G在低空网络环境中同时观察到较低的SINR（信号与干扰加噪声比，描述接收信号强度与接收中干扰信号的比率，是表示链路质量的重要参数之一）和4G小区与地面相比，表明与地面相比（即信号干扰加噪声比，描述接收信号强度与接收干扰信号的比值），表明在该海拔高度干扰较高与地面相比，用于测试的低海拔环境；
4）无需任何吞吐量测试操作过程，即可在飞行测试日志中观察到数公里外的多个小区的信号；
5) 飞行测试日志中未观察到5G到4G切换或同时4G到5G切换。终端只有在无线链路故障以及5G小区服务停止后才会重新注册到4G网络，并保持在4G网络上，这使得高速飞行中不同系统之间的切换变得更加困难。上行吞吐量测试的具体表现如表2所示。从上行吞吐量测试的具体情况还可以得出以下结论：
1）上行调度率达到88%以上，说明即使使用公共地面用户商用网络，试飞期间基站接收的上行业务总体量也较低；
2）物理上行共享信道发射功率均接近终端在4G和5G上的最大发射功率23dBm，表明终端在上行业务时进行接近满功率发射。
200m和300m不同高度处的RSRP如图1所示。从图1可以得出以下结论：
1）在200m、300m高度处，RSRP的浮动范围基本在-110~-100dBm之间，基本可以满足1080P视频传输的信道条件；
2）RSRP在200m和300m高度的分布基本一致，即300m以下高度对RSRP影响较小。 300m高度处的SINR如图2所示。
从图2可以看出，BTS覆盖范围有限、主服务小区信号不合格、高空自由空间传播条件良好导致小区间干扰较高等因素导致下行SINR整体偏低。 ，SINR≤12dB的概率达到63%。
1.2 低空网络建设规划建议
1.2.1 公网模式
无人机与地面用户共享地面网络，这涉及到以下两个方面的调整和优化。
1）基站初始规划：为了使基站发射的信号能量大部分能够辐射到无人机的飞行区域，同时减少对相邻小区间区域的干扰，在初始设置时增大天线的上倾角，使天线主瓣的半功率点尽可能与覆盖区域的边缘对齐，以达到SINR的最优，解决机载SINR问题不同之处。同时，PRACH前导序列Preamble选择长格式[7]，以增加基站的覆盖距离。
2）采用切片或QoS独立保障机制：无人机用户和普通地面终端用户共享地面基础服务网络。对于正在开展业务的无人机，可以采用QoS和切片等保障机制，根据无人机不同运行场景的需要，进行区分QoS或切片等设置，划分不同的时延、可靠性要求等，从而从逻辑网络的角度将无人机的服务与普通地面终端用户分开。同时，采用切片的保障机制，由于切片之间是相互隔离的，每个切片都有自己逻辑上独立的网络组件和网络资源，使得切片之间互不干扰，进一步保证了独立性和安全性。业务流程的安全。
1.2.2 专网模式
在专用网络模式下[8]，无人机业务与普通地面终端用户在物理和逻辑网络上完全隔离，根据需求为用户构建专属的物理网络，服务于特定的无人机业务场景。专网模式需要建设覆盖频率、无线、传输网、核心网等链路的全新物理网络通道，缺点在于投资成本较高，优点在于网络服务独占性，网络最高质量稳定保证，可以为用户提供最佳的业务体验。
2、5G网联无人机系统实现方案
现有系统由空中子系统、地面子系统、无线通信子系统等组成。其中，空中子系统是无人机内部最基本、最重要的组成部分，由飞行平台、动力装置、控制与导航、任务负载等单元模块组成。地面子系统主要包括任务规划、控制处理、数据处理、综合无线通信等功能。其中，任务规划负责预定任务内容，控制处理承担执行和交互，数据处理负责采集、存储和传输。无线通信子系统是维持前端与后端联系的关键单元，传输介质基于无线电波。无线通信链路分为上行链路和下行链路。上行链路负责地面站向无人机发送和接收遥控命令，下行链路主要负责无人机向地面站发送和接收遥测数据、负载数据等[9]。
5G网联无人机将在不破坏原有无人机子系统协同关系的情况下，通过融入5G通信链路来替代点对点的通信链路，完成整个系统无人智能的升级。5G网联无人机具体是通过对原UAS中的空中子系统、地面子系统、无线通信子系统进行改造来实现的。
2.1 无人机机载子系统联网改造
无人机空中子系统的网络联动改造主要针对飞行平台，通过适配负载或嵌入集成具有5G网络接入能力的机载通信终端，即5G机载网络联动通信终端。 5G机载NFC终端将与控制导航、任务载荷等单元模块连接，进行软硬件适配。其中，5G机载NFC终端通过RS232/422/485、TTL等硬件标准串行通信接口与无人机控制导航模块连接，前者轮询获取相应的飞行数据，然后传输这部分数据借助5G通信链路传输到后端设备或服务器。同时，5G机载NFC终端可以解析、二次封装和转发无人机控制和导航模块信息的定义和格式。5G机载NFC终端和无人机任务载荷模块（视频传输是无人机的主要业务）无人机应用[10]，以光吊舱为例）可以通过高清多媒体接口和数字分量串行接口的硬件连接，获取无人机飞行产生的视频数据，然后传输这部分借助5G通信链路将数据传输至后端设备或服务器，获取实时数据。无人机飞行产生的视频数据可以通过开源或私有流媒体标准进行处理和转发，例如实时消息协议（RTMP）、实时传输协议（RTC）、安全可靠传输协议（SRT）、以及高级视频编码（H.264/AVC）、高效视频编码（H.265/HEVC）等编解码标准，并可通过RJ45接口等网线连接，可供5G飞机使用。还可以通过RJ45等网线接口连接，5G机载组网通信终端为支持网络数据传输的光吊舱提供传输链路资源，实现视频数据向后端的传输。
2.2 无人机地面子系统并网改造
用于网络改造的无人机地面子系统是指能够对无人机执行命令并接收各类（飞行和运行）数据的设备，称为地面控制站。现有地面控制站不具备接入网络的能力，需要加装网卡等硬件，基于网络与后端进行通信交互。如图2所示，在机载前向链路采用点对点通信的场景下，地面控制站通过原有的点对点链路与无人机进行双向数据交互，下发的命令和采集到的数据通过宽带/5G/光纤与后端进行双向交互。但需要注意的是，该方案虽然提高了整个系统的数据开放程度，但测控距离仍然维持在原有水平，这只是一种妥协，5G组网无人机无法完全实现（当低空网络无法有力支撑时），无助于实现真正意义上的高度智能化、无人化的整体系统。在低空网络能够承担5G网联无人机全部需求的前提下，地面控制站的所有软件功能都可以进一步集成到云服务器中，从而完全从整个系统中消除，前端集成在无人机内部的5G机载网联通信终端，可以通过5G无线链路完成与后端的双向数据交互。这样的系统突破了原有无人机系统测控距离的限制，即只要有低空网络信号覆盖，保证5G网络连接的无人机就可以不受时间和空间的限制比如异地作业等应用，向智能化无人化迈进了一大步，就近的应用不再需要由专业人员来操控操作。
2.3 无人机无线通信子系统网络连接改造
在无人机无线通信子系统中，由于采用点对点通信，整体上有数传、图传或数图传的硬件设备，同时地面侧也有需要与之相匹配的硬件设备才能实现相关数据的双向传输，但却造成了一台又一台无人机的信息孤岛的情况。另外，点对点通信大多采用公共非授权无线点频段，带宽资源相对有限，在无人机应用数量集中的情况下，无人机系统的出现会带来严重的相互同频通信干扰问题，同一频段只能通过使用有限数量的不同频点交错规避，效果在无人机数量较少时仍然可用，但在数量大幅增加时时，很难持续。此外，由于行业应用场景逐渐复杂化的趋势，往往一套无人机操作需要兼顾多种应用。以公安领域为例，无人机在区域内作业时，从最初的只拍摄视频图像，慢慢转变为既拍摄视频图像，又进行应急处置（如喊话驱散、投放燃烧弹等）。 ）。这将点对点链路通信资源有限的弊端进一步放大，甚至当单个视频图像拍摄任务需要4K及更高清晰度时，就捉襟见肘。
如前所述，5G无线通信替代无人机原有的点对点通信，将使无人机通信拥有更多的频谱资源，在应对复杂、苛刻的应用需求时能够更加游刃有余。 。同时，5G无线链路的融合，让无人机应用数据汇聚到后端云平台，解决了原有系统的信息孤岛，让监管变得简单，数据时效性价值凸显进一步发挥作用，成为更多行业的赋能者。
3. 5G组网无人机系统安全分析及对策
随着泛低空领域技术的快速发展，无人机作为泛低空经济的典型形态，广泛应用于农业植保、电力巡检、城市道路巡检、应急救援等领域。工业应用领域。然而，在行业应用领域不断拓展的同时，进入各个垂直领域后面临的系统和网络安全问题也日益明显。传统无人机在各种场景的大规模使用过程中正暴露出一系列安全风险和监管漏洞，而此类安全问题会对社会和个人产生一定的影响，需要在技术层面进行改进和加强。
3.1 无人机安全风险类型
1）导航系统攻击。导航信息欺骗的原理是向无人机的控制系统发送虚假的地理位置坐标，从而控制导航系统，诱导无人机飞向错误的位置。由于无人机总是从信号最强的源接收GPS信号，因此地面上的人造GPS信号只要足够强就可以覆盖真实的GPS信号，从而欺骗无人机的定位接收模块。
2）飞控信号劫持。由于无线信号是无人机与控制器之间的主要通信方式，对无线信号的攻击可以直接影响无人机的正常运行，甚至获得对无人机的控制权。攻击者利用干扰器产生无人机飞控干扰信号以及卫星定位干扰信号，通过阻断无人机的上行飞控通道和卫星定位通道，使其丢失飞控指令和卫星定位信息，从而不能正常飞行，并且根据无人机设计的不同，会对无人机的控制起到返飞、降落、坠毁的作用。
3）通信链路攻击。对这些通信链路的干扰、窃听甚至拦截和篡改等信息安全攻击可能会对无人机产生直接后果。目前主要无人机地面和空中通信链路也普遍存在频点开放、链路透明、缺乏保密措施等严重问题，极易成为各种攻击手段的目标[11]。
3.2 5G网络化无人机安全技术策略
本文提出了几种主要通过5G网络来保障无线空港机密性、完整性和可用性的网络安全技术。通过射频指纹识别、轻量级认证、无线传输加密、信号抗干扰等安全防护，从物理层、链路层、网络层等各个层面保障合法终端接入网络，防范窃听、劫持、篡改和其他无人机攻击[11]。
1）射频指纹识别。对于网联无人机来说，无人机终端通过通信网络接入平台系统之前，需要进行信号识别和授权，以保证无人机的合法性，无人机可以通过通信网络实现通信信号的认证。射频指纹识别技术。射频指纹识别技术通过信号处理手段，提取采集到的无线信号特征，建立无人机终端射频指纹库，双方利用射频指纹识别和检测方法进行通信，从而实现对无人机终端的识别，实现对辐射源设备进行个体识别，发现并阻断非法终端连接。近年来，辐射源个体识别技术相关理论和实际应用不断完善，指纹特征提取方法的研究取得了长足进展。
2）轻量级认证。针对联网无人机动态变化、通信带宽窄的特点，采用轻量级认证协议可以实现无人机的安全认证，防止非法、假冒用户的接入。轻量级认证协议专注于轻量级认证算法，其主要目的是简化认证交互次数、交互数据量，同时兼顾通信的机密性、完整性和不可否认性，该协议主要实现无人机密钥管理和身份认证功能。轻量级认证方式主要分为中心式无人机网络认证和无中心式无人机网络认证，其中中心式无人机网络认证是管理中心，为无人机分配密钥，提供无人机身份认证功能；无中心无人机网络认证是采用门限密钥技术，网络中多个节点共同参与密钥的生成和认证[12]。
3）无线传输加密。由于无人机终端与平台系统之间传输大量重要敏感数据，因此需要在链路层和网络层对通过无线网络传输的敏感数据进行加密，包括使用国密SM 、祖冲智算法等，实现无人机终端与平台系统之间的端到端加密，保证无线网络中传输数据的保密性和完整性。重要数据通过加密模块或软件加密传输到网络，整个网络传输过程中数据包始终处于加密状态，平台系统的解密模块或软件解密对端的数据信息然后进行存储，从而实现数据在空中传输的安全保密。
4）信号抗干扰。目前，国内外无人机网络抗干扰技术的研究方向主要集中在跳频扩频、频谱资源分配优化等方面。跳频扩频技术主要通过快速切换频率载波来主动规避干扰攻击，长期以来一直被用于提高无线通信的抗干扰能力。频谱资源优化技术是通过优化利用可用频谱资源，采用自适应方法达到最优的资源分配效果来实现抗干扰。此外，还可以利用“蜜罐”欺骗机制，将网络中的空闲节点伪装成传输节点，诱骗干扰方对其进行干扰，从而提高网络中传输对的传输性能[13]。
4。结论
未来，随着地面通信基础设施的不断建设和完善以及功能技术的迭代，5G网联无人机将生动诠释无人化、智能化的含义，5G网联能力将助力无人机向无人机转型。更加智能、自主的应用系统，满足更加多元化、丰富的行业应用领域和场景，让无人机应用不再受专业门槛的束缚，助力低空经济持续发展成长。这将使无人机的应用不再受专业化门槛的限制，助力低空经济持续发展。此外，还将真正步入规划和推进，从而开启低空经济高质量发展的全新篇章。