無人機群彈性組建5G多躍網路(1)

無人航空載具(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)又稱為無人機、無人飛機、無人飛行器，被認為是可允許飛行器操控人員以遠端控制的方式進行操控，而不需要駕駛員親自坐在駕駛艙內駕駛及操控的飛行器。

無人機的發展最早可以溯源至第一次世界大戰後，美國與德國各自開發訓練用無人靶機，之後開始研發由飛行員直接或間接控制另一架攜帶炸彈的無人飛機，進行危險場域的精密攻擊。這種攜帶炸彈的被遙控的飛機，通常是以退役的飛機進行改裝；第二次世界大戰後，無人機的發展也從攻擊用無人載彈攻擊機擴展為情報偵察用途，無人機在戰場上的廣泛應用可以讓戰場攻擊及偵蒐更具戰略性及靈活性，將人員的傷亡及損失降至最低。

無人機依照功能、外型而有不同的分類。以功能來區分，無人機可以分成兩類：消費型及工業級。消費型無人機主要用於家庭娛樂，以及個人娛樂/短影音/直播主體驗等用途，通常會裝設攝影機，強調使用者的視覺體驗；不過，此類具攝影功能的無人機價格較低，導致安全性及穩定性不足、飛行距離較短，並且續航力也較差。

工業級無人機的主要客群則是政府單位的公共應用及私人企業。工業用途的無人機通常會搭載較高規格的攝影機及特殊功能設備，但也因為硬體規格較高且穩定度要求高，此類無人機的價格較高，針對飛行距離及續航力也會有更高的規格要求。工業級無人機在政府單位的公共應用多元，例如土石流監測、火山爆發與地震地殼變動等地貌環境監測、災區及公共事故現場監測、人煙罕至區域監測、電信服務、軍事相關應用、災難救援、偏遠地區牧場及漁場監控、監獄及海岸暨山區巡防、地理及水文航拍繪製，以及政府節慶表演。

近年來，5G行動網路技術發展，由於其高頻特性及路徑衰耗因素，5G基地台的布建密度需要提升。在某些偏遠地區及地勢險峻區域，布建5G基地台並非易事，採用工業級無人機作為5G基地台因此成為近幾年獲得廣泛討論的研究議題。目前，部分電信業者已經推出無人機相關實際應用，例如中華電信的5G無人機航管系統，對於5G網路涵蓋範圍的擴展具有相當大的幫助。

無人機助5G攻克距離瓶頸

第四代行動通訊(4G)的傳輸頻段為700MHz~2GHz，已開始實現物聯網(IoT)技術與應用。由於寬頻的應用種類增加，加上即時視訊、人工智慧、雲端運算等技術的突破性發展，原先4G行動通訊的頻段及頻寬不敷使用，而更低的頻段已經塞滿各種民間火腿族的收發器、軍用、商用的無線電訊號，因此需要發展下世代行動通訊技術，以因應頻寬使用增加且頻段不敷使用的問題。5G行動通訊的發展應運而生，操作頻段往更高頻率發展，而頻率越高，可用的頻寬越大，傳輸速度也就更快。

根據物理特性，電波訊號在沿著地球表面行進並傳播時，地表電波的損耗將隨著頻率提升而快速增加，而高頻電磁波的物理衰耗特性將導致電波訊號的傳播距離快速減少。基於高頻路徑耗損及傳輸耗損，5G行動通訊系統在運作於更高頻段時，其基地台的電波涵蓋範圍縮小，因此需要減少5G基地台的布建間隔，亦即在相同距離下需要更多的5G基地台才能避免電波訊號出現涵蓋死角。

5G頻段分為兩種：第一種是Sub 6GHz，亦即低於6GHz的頻率。此頻段內的頻率與特性與4G LTE頻段相似，屬於低頻的5G；第二種則是毫米波(mmWave)，為高於24GHz的頻率。毫米波頻段具有更大的頻寬及更快的傳輸速度，由於運作於更高的頻率，受到地形和障礙物的影響更明顯。

事實上，5G的無線存取架構是由LTE Evolution(1G~6GHz)和新無線電存取技術(RAT；6G~100GHz)組成的新無線電存取技術(NR)。5G NR的FR1頻段即為前述的第一種sub 6GHz，簡稱sub-6；5G NR的FR2頻段為6GHz以上，主要運作於毫米波，其主要操作頻率範圍為20GHz~60GHz。ITU-R定義了5G的增強功能並應用在三個領域，即大規模機器通訊(mMTC)、超可靠低延遲通訊(uRLLC)、增強型行動寬頻(eMBB)；mMTC包含了車聯網及智慧物流等應用，uRLLC包含工廠自動化等應用，eMBB技術則包含虛擬實境(VR)應用，因此，相較於4G，5G更進一步強化了智慧家庭、智慧城市、無人機、無人駕駛等應用。

圖1為應用無人航空載具作為5G NR行動網路中繼站的實際應用。無人航空載具原先是單機執行任務，應用單一無人機進行公共事務任務或私人應用；近幾年，在工業級及公共事務應用，有許多情境會應用到多架無人機構成的無人航空載具機群。無人航空載具機群近幾年最有名的一個應用實例是「2022台灣燈會在高雄」，應用1,500台大型無人機進行3D燈舞展演。

將無人航空載具機群應用在行動通訊，如圖1所示，將由一個主無人航空載具(Main UAV)控制與協調多架子無人航空載具(Sub UAVs)，這種行動通訊架構為5G行動網路涵蓋範圍的擴展帶來相當大的彈性及助益。無人航空載具機群的5G NR行動網路布建近幾年最主要的研究課題是：節能節點布建、無人機基地台動態部署、無人機總下行鏈路容量最大化時進行路徑規畫、無人航空載具機群對附近基地台造成之同頻干擾抑制。

無人機群彈性組建5G多躍網路(1)

無人機群彈性組建5G多躍網路(2)