无人机（uav）或无人系统（uas）有望成为5g或5g以上（b5g）通信的重要组成部分，包括它们在蜂窝结构（5guav）中的应用。在这种架构中，小型无人机系统通常用于辅助无线广播和点对点传输。至少在不久的将来，为了使无人机系统能够在有商用飞机、货运飞机和其他无人驾驶飞机的空域运行，可能需要专用的受保护空域频谱，监管机构应适应无人机系统的使用。指挥控制（C2）或控制与非有效载荷通信（CNPC）链路可以为地面和超视距卫星通信链路中的无人机控制提供关键的安全信息。可在5G和卫星系统中使用控制和非有效载荷通信链路。本文简要介绍了控制和非有效载荷通信链路，阐述了它们的基本概念和面临的挑战。本文还将介绍可能用于无人机指挥控制和有效载荷通信的新兴技术，如毫米波系统，以及导航和监视挑战，并简要讨论无人机到无人机通信和硬件问题。

一、简介

无人机的尺寸从几厘米到几十米不等，广泛应用于各种场景，包括消费娱乐飞行、各种军事需求、作物监测、铁路检查等。无人机应用的关键要求之一是提供控制和非有效载荷通信数据连接，也称为命令和控制通信。非有效载荷通信链路专门用于遥控飞机地面控制站与飞机之间的安全可靠通信，以保证无人机安全有效的飞行运行。这个链接可以是两个实体之间的视距空间到地面链路，也可以是使用另一个平台(如卫星或高空平台(Hap)的超视距链路。这些链接的数据速率应该是适中的(例如，压缩视频的最大速率是kbpp，不会连续使用)。

尽管通信链路典型地用于有效载荷数据的应用程序，并且通常需要高吞吐量。根据通信有效负载类型的应用程序（例如，在农业，公共安全，等等），并且因此许多类型的类型。有效载荷链路断开，虽然会造成不便，但问题不是很严重，但控制和非有效载荷通信链路中断的后果是非常严重的。用不同类型的信息，诸如远程控制命令，非有效载荷数据遥测，导航辅助支撑，空中交通管制（ATC）语音中继线，ATS数据中继，目标跟踪数据，机载气象雷达控制，和非有效载荷的通信下行数据中，下行链路非视频有效载荷数据和等等。蜂窝移动行业也利用无人机很感兴趣，以扩大产能，以现有的基础设施未覆盖设备提供了一个低成本的无线连接。还可以有其他细胞的应用，例如，用户设备或中继。

本文将着重讨论无人机在通过地面基础设施和卫星系统进行通信方面的更广泛应用，如图1所示。完全不同的链路(视距和超视距)代表不同的信道条件和工作频率，以及不同的延迟和通信距离，这增加了实现控制和非有效载荷通信链路的高度可靠性的挑战。除了现有的蜂窝频带（MHz至6GHz的），5G边界也考虑使用毫米波带（GHz）的频谱。毫米波频段自由空间和对流层衰减较大，限制了链路距离。因此，如果毫米波链路是唯一的视线链路，一旦超出视线毫米波的范围，就需要超视线的能力。当然，在任何地面站覆盖范围之外的偏远地区，也需要超视距的链接.虽然卫星，超视距通信显而易见的选择，但卫星轨道的选择（例如，低地球轨道（LEO）或地球同步轨道（GEO））显著影响延迟，链路预算参数，多普勒和转移/多个切换。为了使复用频率最大化，卫星运营商也计划使用较窄的波束，但它们将增加越区切换的数量，从而增加了对连接可靠性的重视。由于超视距链路的距离要长得多，对于目前计划中的超视距频带(5GHz以上)，很可能采用定向天线和自适应聚焦波束，即机械或电子可控天线波束，实现无人机和卫星之间的连接。5G毫米波连接存在类似的问题，但需求更小的天线增益。自适应天线、开关等问题使系统硬件和软件更加复杂，增加了通信系统的体积、重量和功率（swap）。

图1无人机通信实体，包括地面、空中和空间部分

5G蜂窝系统可能部署毫米波技术，带来了大量的带宽通信的应用。大可用带宽可以快速实现命令，您还可以发送本地地图数据等。毫米波链路也可以被实现通信费用和有效载荷在相同的物理信道一起传输。

除了与无人机通信外，还必须传输导航和监视信号。这对安全很重要，在某些环境中可能会带来挑战，例如在障碍物或偏远地区附近的极低高度飞行。因此，对于涉及无人机的5G用例，还必须考虑高度可靠的导航和监视方法。

二.未来的控制和非有效载荷通信

在美国，对于中型和大型无人机，控制和非有效载荷通信已经通过了无线电技术委员会航空（RTCA）开发的标准。此标准专门为L波段（MHz的），并分配给空气C波段的一部分（5..GHz）。本标准仅适用于空中-地面链路（视线），RTCA标准正在制定在地平线上。年，UAV控制和非有效载荷通信带宽要求和非有效载荷通信34MHz地面域控制，而对于基于卫星的和非视距控制有效载荷的通信链路的带宽需求是56MHz。RTCA标准5G不包含在任何应用程序，以及用于接下来的三个主要的通信协议栈。然而，这个标准是共同参与无人机的大规模应用任何5G型。

在美国，无人机系统控制和非有效载荷通信部署计划分为两个阶段。第一阶段支持地面网络（基于专用切换功能），但不针对任何行业标准切换能力，在第二阶段解决。分配给控制和非有效载荷通信的第一级的频带是l频带和c频带。对于第二阶段定义的未来控制和非有效载荷通信，即超视距控制和非有效载荷通信，将考虑使用L、C、Ku或Ka波段卫星通信，以及网络和C波段地面通信。

小型无人机相关标准的制定相对较慢。RTCA和蜂窝移动社区(3GPP)都在研究这个用例，工作仍在进行中。美国航天局还发起了一个无人系统交通管理(UTM)项目，与FAA(FAA)合作，为低空小型无人机制定空中交通规则和技术。在今后两三年内将进行一些概念核查实地试验。物理层和媒体访问控制技术至少在一开始将使用商业技术，如蜂窝(LTE)和无线局域网(WiFi)；但在许多无人机操作环境中，这些技术并不是最佳的，对于某些控制和非有效载荷通信链路来说，这种设计过于保守，容易受到干扰和欺骗。因此，这一领域的工作仍在进行中，也是5G无人机研究的一个课题。

UAV地面C2/控制和非有效载荷的通信链路的潜在候选者是超低等待时间和可靠的通信（URLLC）服务。我们的目标是实现不超过0.5毫秒通过进化，并在空中接口革命性的变化平均延迟，超出的10-5的可靠性。称为5G（5G-NR）一种这样的新的无线空中接口。最近开发的车辆。5G-车辆（V2V）专用短程通信（DSRC）的通信也可以应用于或用于产生于单无人机空气-所述连杆和所述组集落空UAV的-空空中接口和网络技术的链接。

其他控制和非有效载荷通信选项包括几个所谓的“远程”（lora）通信方案。这些方案至少部分面向物联网应用，因此它们倾向于使用简化的协议来支持相对较低的数据速率（kbps）。在使用这些技术的链路可用于控制和非有效载荷通信之前，可能需要提高可靠性。

三.卫星链路控制和非有效载荷通信

在世界的许多地方，建立无人机地面站的连接非常困难，甚至是不可能的。在这一点上，有必要建立超视距通信。使用卫星连接或作为辅助手段来实现所需的特性或改善覆盖范围和商业应用和战术任务的可靠性。

表1提供了三级卫星系统轨道的一些详细比较。值得注意的是，随着轨道高度的增加，延迟也会增加：使用geo轨道时，延迟可以达到0.5秒。这种延迟会影响无人机的自主功能。因此，由于同步和中地球轨道的传播延迟较长，可能不适合5g，因此在5g中，低地球轨道（leo）星座引起了更多的