Trial on Air-Abdeckungsvorhersagen für autonome Drohnen in einem 5G-Netzwerk

 

– Revolutionärer Einsatz von Drohnen im Bereich Mobilfunk

 

Wir als STF Gruppe sind ganz vorne mit dabei, wenn es darum geht innovative Einsatzszenarien und neue Standards im Bereich 5G Mobilfunk zu erschließen.

Unser Fokus liegt dabei auf dem Design von Hochfrequenz-Anwendungen für verschiedene Industrie- und Campus-Netzwerke in Deutschland. Aktuell führen wir Projekte für Unternehmen im Bereich Automotive, Logistik, Instandhaltung und der chemischen Industrie durch.

Abbildung 1: Mobilfunkdrohne im Einsatz
Abbildung 1: Mobilfunkdrohne im Einsatz

Autonome Drohnen, die mit Mobilfunk-Anbindung fliegen, sind bereits ein wesentlicher Teil von Industrie- und Produktionsanlagen und werden in ganz unterschiedlichen Bereichen eingesetzt (siehe Abbildung 1).

Zur Vernetzung der Drohnen wird eine entsprechende Anforderung an die Luftraum-Funknetzabdeckung von unseren Kunden, als Teil des drahtlosen Netzwerkdesigns betrachtet. Schätzungen zufolge werden kommerzielle Drohnenanwendungen in den kommenden Jahren ein Marktvolumen von 100 Milliarden US-Dollar erreichen.

Der industrielle Einsatz dieser fliegenden Unterstützung war aus mehreren Gründen herausfordernd, die unter dem Absatz Herausforderungen beim Einsatz von Drohnen ausführlich beschrieben werden:

  • Line-of-Sight Einschränkungen (VLOS)
  • Dienstgüte (QoS) von Echtzeit-Datenübertragungen
  • Sicherheitsaspekte
  • Die Notwendigkeit, AR/VR-Echtzeitdienste zu unterstützen

Wie sich schon in der Praxis bestätigt hat, können 5G-Netzwerke die oben genannten Herausforderungen problemlos bewältigen. Die funktionale Seite wurde von wichtigen Anbietern auch für URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communication) erfolgreich getestet. Die Drohne muss jedoch innerhalb einer angemessenen SS-RSRP, PDSCH-SNR-Abdeckung ihre Spur kontinuierlich halten. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns nicht auf die 5G-Technologie als solche, sondern auf Aspekte der Abdeckung von integrierten Phasenarray-Antennensysteme.

Die STF Gruppe testet Ansätze zur Berechnung von 5G-Vorhersagemustern in 3D, die als vordefinierte Flugmuster auf der Grundlage der besten verfügbaren Netzabdeckung verwendet werden können, um einen Verlust oder eine Verschlechterung der Funkverbindung zu vermeiden. Die bestehenden 5G-Antennen sind phasengesteuerte Array-Systeme mit synthetischer Apertur.

Eine realistische Abdeckungsvorhersage für solche Antennensysteme ist keine triviale Aufgabe, da das Antennendiagramm im allgemeinen Fall dynamisch und für PDSCH- und Synchronisationskanäle unterschiedlich ist. Wir bewerten in dieser Arbeit Vorhersagemuster für vertikale Ebene und beschreiben ihre praktische Anwendung. In Zukunft wollen wir kundenspezifische Phasenarray-Antennenmuster anwenden.

Herausforderungen beim Einsatz von Drohnen

Wie in den meisten Drohnenanwendungen gefordert, sollte immer ein qualitativ hochwertiges Videostreaming von der Drohnenkamera möglich sein.

Unter der Annahme, dass der PUSCH-Kanal anderer Benutzerdaten einer erheblichen Nachfrage nach Durchsatz ausgesetzt wird, muss die Drohne vorzugsweise immer innerhalb von PDSCH-SNIR-Werten > 14 dB und SS-RSRP-Werten > -90 dBm betrieben werden. Das stellt die erwartete Leistung, die Flugkontrolle und Latenz bei Betrieb außer Sichtlinie oder Sichthöhe sicher.

Die kommerziellen Drohnenanbieter schlagen vor, vor dem Flug interne 3D-Koordinaten zu definieren, innerhalb welcher sich die Drohne automatisch aufhalten soll/darf. Präzise gemachte 3D-Abdeckungsvorhersagen können direkt zur Definition solcher Koordinaten verwendet werden.

Unser Versuch soll:

  • Das Potenzial von iBwave für spezifische 3D-Vorhersagen in der Luft bewerten
  • Das Verhalten der SS-RSRP-Abdeckung bei Verwendung einer Phasenarray-Aktivantenne beschreiben
  • 3D-Karten für Drohnenanwendungen präsentieren
  • Die technische Bereitschaft für künftige Projekte auf diesem Gebiet sicherstellen

Das auf Abbildung 2 gezeigte Modell ist so ausgeführt, dass es typische Industriegebiete und entsprechende Schattenobjekte widerspiegelt. Die Referenzantenne des 5G-Sektors ist auf einem 31 Meter hohen Mast installiert.

Nach Annahme ist die 5G-Signalquelle ein integriertes Phasenarray-System nach Ericsson AIR-Lösung. Die Clustergröße beträgt etwa 1 km, wie auf Abbildung 3 gezeigt. Die Abdeckung auf der Erde ist im Bild 3 dargestellt. Indoor- und Outdoor-Abdeckung können dabei kombiniert werden. Die meisten bestehenden 5G-Antennen sind darauf optimiert, eine Abdeckung auf dem Boden bereitzustellen. Die SS-RSRP-Vorhersage für die vertikale Ebene auf einer Höhe von bis zu 110 m ist in Abbildung 4 dargestellt. Die hohe Richtwirkung des Antennendiagramms wird eindeutig bestätigt. Es gibt rote Zonen, in denen der Signalpegel unter -110 dBm fällt, daher sollten diese Bereiche von der Drohne gemieden werden, um die Drohnenkontrolle aufrecht zu erhalten.

Vorläufige Ergebnisse

Es gibt 10–30 dB Variationen innerhalb der vertikalen Querschnitte der 5G-Signalverteilung. In der Praxis bedeutet dies, dass Bereiche ohne Netzwerk vorhanden sind, die stark mit Bereichen mit angemessener Abdeckung in 3D-Dimensionen gemischt sind. Dieser Effekt ist zu erwarten, da der Drohnenbereich hier außerhalb der typischen Antennenhauptkeule platziert ist. Kundenspezifische Antennendiagramme können auf Wunsch erstellt werden, und die Abdeckung für SS-RSRP sowie für PDSCH SNIR kann auf ähnliche Weise modelliert werden.

Die aktuelle Bewertung hat daher die Möglichkeit, 3D-Vorhersagen in den “Air for Drone”-bezogenen Anwendungen zu machen. Abdeckungsvorhersagen können später zum Vorprogrammieren von Drohnenstrecken verwendet werden. Die 3D-Wolke der besseren SS-RSRP-Werte ist sichtbar dynamisch und ungleichmäßig in ihrer Höhe verteilt, wenn sich die Berechnungsebene bewegt. Die Koordinaten des gewünschten Bereichs können im WGS84-System genau abgerufen und sowohl für die Drohneneinstellungen weiterverwendet werden wie auch für das sogenannte “in Air RF”-Design und die optimale Antennenplatzierung als solche.

Die STF Gruppe hat das entsprechende technische Know-how kommende Projekte dieser Art zu verwirklichen, ist jedoch nicht ausschließlich darauf beschränkt. Das Smart Building Engineering Team ist offen für potenzielle Kooperationen und weiterführende Arbeiten auf diesem Gebiet.

Abbildung 2: Visualisierung der Industriegebiete und Schattenobjekte
Abbildung 2: Visualisierung der Industriegebiete und Schattenobjekte
Abbildung 3: Phasenarray-System
Abbildung 3: Phasenarray-System
Abbildung 4: SS-RSRP-Vorhersage
Abbildung 4: SS-RSRP-Vorhersage

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