原文《5G在城郊智慧農場多機協同作業中的組網研究》發表在《無線通信》雜志。作者是河南農業大學信息與管理科學學院李勇，席磊，王雯龍，時雷，車銀超，馬新明，中信科(ke)移動通(tong)信技術股份有限公司李超(chao)。
對(dui)單臺農(nong)機(ji)作(zuo)業技(ji)術(shu)的(de)研究(jiu)逐漸(jian)趨向成(cheng)熟，鮮(xian)有看到對(dui)多臺農(nong)機(ji)聯合作(zuo)業通信技(ji)術(shu)的(de)研究(jiu)報(bao)道(dao)。多臺農(nong)機(ji)作(zuo)業過(guo)程中通過(guo)車(che)載傳感器(qi)不斷(duan)地采集大量不同種類的(de)數(shu)據（圖像、視頻(pin)等(deng)），5G能否滿足這些數(shu)據對(dui)帶寬、時延、速率等(deng)傳輸要求以實現機(ji)群協同作(zuo)業是值(zhi)得研究(jiu)的(de)科學(xue)問題。
本(ben)文經過(guo)細(xi)致(zhi)梳(shu)理國內外研究現(xian)狀(zhuang)與(yu)動(dong)態分(fen)析，提出(chu)無線通信(xin)(xin)技術支(zhi)撐多(duo)(duo)機(ji)(ji)協(xie)同作業(ye)(ye)是(shi)智慧農(nong)場的(de)關鍵技術特征；當前4G、5G在農(nong)場中的(de)覆蓋范圍與(yu)信(xin)(xin)號(hao)強度是(shi)否支(zhi)撐多(duo)(duo)機(ji)(ji)協(xie)同作業(ye)(ye)值得研究。本(ben)文選(xuan)取(qu)河南新鄉國家級某農(nong)業(ye)(ye)科(ke)(ke)技園區作為(wei)實驗基地，通過(guo)設(she)計實驗，測試參考信(xin)(xin)號(hao)接收功率和(he)信(xin)(xin)號(hao)與(yu)干擾加噪聲比指標，采(cai)用車載儀(yi)器與(yu)手(shou)持儀(yi)表對4G、5G信(xin)(xin)號(hao)覆蓋范圍與(yu)強度進行(xing)實際測量，并將(jiang)測量數(shu)據(ju)繪圖進行(xing)可視化(hua)展(zhan)示與(yu)分(fen)析，為(wei)智慧農(nong)場多(duo)(duo)機(ji)(ji)協(xie)同作業(ye)(ye)如何采(cai)用4G、5G混合組網(wang)提供科(ke)(ke)學依據(ju)與(yu)指導。
隨著(zhu)工業(ye)(ye)信息(xi)化與(yu)城鎮化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)持續(xu)推進(jin)，我國從事傳(chuan)統農(nong)業(ye)(ye)生產(chan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)勞(lao)動(dong)力逐漸減少，農(nong)業(ye)(ye)勞(lao)動(dong)力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)老齡化與(yu)短缺問(wen)題逐漸突顯，成為制約農(nong)業(ye)(ye)發(fa)展的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重要因素。未(wei)來誰(shui)來種地(di)，用什么設備種地(di)是我國亟需(xu)解(jie)決的(de)(de)(de)(de)(de)(de)問(wen)題，農(nong)機(ji)作業(ye)(ye)是重復而繁重的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作業(ye)(ye)，作業(ye)(ye)環境相對(dui)封閉(bi)，為無(wu)(wu)人(ren)駕駛農(nong)機(ji)落地(di)提供了天然的(de)(de)(de)(de)(de)(de)條件。隨著(zhu)國家政策對(dui)智(zhi)慧(hui)農(nong)業(ye)(ye)、無(wu)(wu)人(ren)農(nong)場(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)需(xu)求(qiu)傾斜，國內(nei)對(dui)無(wu)(wu)人(ren)駕駛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)需(xu)求(qiu)不斷(duan)增大，各地(di)都在對(dui)無(wu)(wu)人(ren)示范農(nong)場(chang)、智(zhi)慧(hui)農(nong)業(ye)(ye)進(jin)行搭建(jian)，以(yi)嘗(chang)試(shi)和打通無(wu)(wu)人(ren)化農(nong)業(ye)(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)程(cheng)。發(fa)展以(yi)“機(ji)器(qi)替換人(ren)”進(jin)行農(nong)業(ye)(ye)生產(chan)為主要特征(zheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)現代(dai)化智(zhi)慧(hui)農(nong)業(ye)(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)需(xu)求(qiu)日趨增加[1-2]；智(zhi)慧農(nong)業是未來農(nong)業的發(fa)展方向(xiang)，是現(xian)代農(nong)業的高級形式[3-4]。針對農(nong)作(zuo)(zuo)物種(zhong)(zhong)植區域(yu)，實現“耕、種(zhong)(zhong)、管、收、運(yun)”環節(jie)的(de)無人化作(zuo)(zuo)業需要使用不同種(zhong)(zhong)類的(de)自動(dong)駕駛農(nong)機裝備（拖拉機、收割(ge)機、運(yun)糧(liang)車(che)等），其(qi)核心優勢表現在提高作(zuo)(zuo)業精度與效率(lv)、提升農(nong)戶操(cao)作(zuo)(zuo)體驗、降低農(nong)戶勞動(dong)強度與單位(wei)面積投入成本等。
單臺無人駕駛拖拉機每日作業量達到16hm2，行駛速度也能達到12km/h，高精度作業和全地形適應能力使得自動駕駛相對人工駕駛在每日作業量與行駛速度分別提高約33.3%與50%[5]；在紅外、導航定位、毫米波雷達等感知技術的輔助下，拖拉機即使在夜間無人駕駛的狀態下也能夠保證作業效率；自動駕駛農機憑借最優的路徑規劃減少不必要的行程，有效降低油耗與環境污染的同時，還減少對土壤的壓實[6-7]。
農機自動駕駛是指農機設備通過自身安裝的各種傳感器與通信設備獲取車輛周圍環境信息與自身空間位置，自主按照預設行駛路線并主動避讓障礙物以完成作業的技術[8]。基于地理空間[敏感詞]位置測量的全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）和中國北斗導航衛星系統（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）的定位技術應用在農機自動駕駛中[9]。
直到1992年，[敏感詞]Trimble開發RTK系統并將其商業化應用，為GNSS在農業上的應用掃除了障礙[10]。中國關于農機自動駕駛技術的研究始于2004年羅錫文團隊，經過十余年的研究，突破了速度線控、主從導航、路徑跟蹤、自動避障等10余項關鍵技術，研制出了播種機、旋耕機、收割機、插秧機等無人駕駛農機，在水田場景自動導航方面居于國際領先水平[11-12]；而智能網聯無人駕駛農機技術在國外暫未有新的技術突破。
華南農業大學、上海交通大學、國家農業信息工程技術研究中心、上海聯適導航技術股份有限公司和濰柴雷沃重工股份有限公司等參與了農機導航技術的研究工作[13-17]。雖然各個國家均高度重視自動或無人駕駛農機領域標準化工作，但是，當前國際上還沒有統一的規范或標準對農機自動駕駛程度進行分級，也沒有對自動駕駛農機采用的通信協議標準、故障率、作業效率、土地利用效率、作業精度等進行測試評價或統一設備接口協議與規范。
車載通信（Vehicular Communication,VC）吸引著各國學者與工程師的眼球。車載通信是由各類不同的通信協議組成，目前各國尚無統一的標準，主流的是以[敏感詞]為代表的專用短距離通信（Dedicated Short Range Communication, DSRC）技術標準。早在1992年，[敏感詞]材料試驗協會（ASTM）就已經開始針對車載通信制定DSRC技術草案[18]。DSRC技術標準在本質上是IEEE 802.11a標準在5.9GHz頻譜上的低開銷調整，因此在IEEE 802.11協議族中，DSRC被稱為IEEE 802.11p[19]，屬于無線局域網技術，后續針對DSRC的深入研究較少[20]。然而以中國為代表的基于蜂窩通信技術的LTE-V2X標準已被制定，遺憾的是尚未大規模運用車載通信技術來實施與安全相關的應用，還未進入規模化商業應用階段。與汽車無人駕駛技術相比，農機自動駕駛技術具有行駛速度低、作業精度高（±2.5厘米）、成本低以及耐用性強等特點。
綜上，由國內外研究現狀及發展動態文獻梳理可知，國內外應用于農機群體作業的無線網絡通信技術標準尚未統一，已有研究較少涉及農機群體作業的無線網絡通信技術及數據傳輸方法[21-23]；對單臺農機作業技術的研究逐漸趨向成熟，鮮有看到對多臺農機聯合作業網絡通信技術的研究報道，也沒有看到采用哪些新的通信技術的研究報道。
因此，研究無線網絡的通信技術與數據傳輸方法具有重要的理論意義與應用價值。在現代規模化生產條件下，為了提高作業效率，需要多臺自動駕駛農機裝備協同作業[5] [23]。在國家政策的推動下，農村土地迅速流轉集中；農業生產即將步入信息化、智能化、無人化作業的新時期，中國智慧農業時代已經逐步開啟。
為了實現多臺農機協同作業，農機作業過程中通過車載傳感器不斷地采集大量不同種類的數據（視頻、圖像等），并且需要對車輛調度、媒體訪問、多址接入技術、數據幀傳遞、服務質量（Quality of Service，QoS）等需求進行管理[24-26]，這些數據對優先級、時延、帶寬、QoS等要求均不同；如何達到這些數據的特定傳輸要求，以實現機群協同作業是值得研究的問題。4G、5G、無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）近年來發展迅速并且得到較為廣泛的部署。多臺自動駕駛農機裝備是否可以通過4G、5G、WLAN進行相互識別與信息交互尚不清楚。本文針對小麥、玉米輪作多機協同作業對通信技術的實際需求，以解決通信技術瓶頸性問題為目標，研究如何采用4G、5G、WLAN混合組網，為多機協同作業提供理論依據與技術支撐，對提升我國農機裝備通信技術研發水平和智慧農業的發展具有重大價值和現實意義。
本研究(jiu)農(nong)(nong)機(ji)群體作業的無(wu)線網絡通信(xin)(xin)(xin)(xin)技術(shu)及(ji)數據傳輸方法(fa)，首先需(xu)要(yao)明確農(nong)(nong)場環(huan)境無(wu)線通信(xin)(xin)(xin)(xin)已有硬(ying)件條件是否滿足農(nong)(nong)機(ji)作業要(yao)求。針對農(nong)(nong)場位(wei)(wei)置(zhi)、占(zhan)地(di)面積(ji)、農(nong)(nong)作物植株高度(du)(du)、密集(ji)程度(du)(du)、綠化(hua)樹木分布(bu)、樹木高度(du)(du)、農(nong)(nong)場附近4G、5G基(ji)(ji)站位(wei)(wei)置(zhi)、高度(du)(du)設計無(wu)線測(ce)試實驗(yan)，模型農(nong)(nong)機(ji)移(yi)動(dong)速度(du)(du)，測(ce)試參考(kao)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)接收(shou)功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）、平均信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)與干擾(rao)加噪(zao)聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR），原陽試驗(yan)基(ji)(ji)地(di)通信(xin)(xin)(xin)(xin)環(huan)境測(ce)試條件如(ru)下：
（1）測(ce)試時(shi)間：2022年3月19號，9:30~11:50，天氣(qi)多云，輕(qing)微風；
（2）測試終端：華為p40（11.0.0.990SP11）、自主研(yan)發(fa)的(de)酷測軟件（DT_Cool Test 3.0）；
（3）測試配(pei)速：步行測試平均(jun)配(pei)速8km/h，乘車測試平均(jun)車速30km/h；
測試(shi)結(jie)果(guo)如圖1～4所示(shi)：
圖3. 5G 參考(kao)信號接收(shou)功(gong)率
圖4. 5G 信(xin)號與(yu)干擾加噪聲(sheng)比
RSRP與(yu)SINR是無線信(xin)號(hao)覆(fu)(fu)蓋的(de)兩個(ge)最基本指標；RSRP是4G網絡中可以(yi)代表無線信(xin)號(hao)強度的(de)關(guan)鍵參數以(yi)及物理層(ceng)測量(liang)需求之一，是在某個(ge)符號(hao)內承載(zai)參考信(xin)號(hao)的(de)所有(you)資(zi)源粒子(zi)上接(jie)(jie)收(shou)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)功(gong)率的(de)平(ping)均值；SINR是指接(jie)(jie)收(shou)到(dao)的(de)有(you)用信(xin)號(hao)的(de)強度與(yu)接(jie)(jie)收(shou)到(dao)的(de)干(gan)(gan)擾信(xin)號(hao)（噪聲和干(gan)(gan)擾）的(de)強度的(de)比值，亦稱為“信(xin)噪比”。通過圖(tu)1～4可知，農(nong)(nong)場4G信(xin)號(hao)整(zheng)體覆(fu)(fu)蓋率約(yue)95.82%，4G平(ping)均RSRP -85dbm左(zuo)右(you)，平(ping)均SINR 7db左(zuo)右(you)。現場測試5G基站(zhan)距離農(nong)(nong)場約(yue)5千(qian)米（Km），農(nong)(nong)場5G整(zheng)體覆(fu)(fu)蓋率約(yue)35.77%，5G平(ping)均RSRP -104dbm左(zuo)右(you)，平(ping)均SINR -0.94db左(zuo)右(you)。
圖1～4測試(shi)數據(ju)(ju)表明很有(you)必要研究并(bing)設(she)計適配(pei)農場的(de)多(duo)模態網絡(luo)(luo)與通(tong)信(xin)模型。針對(dui)農場無線信(xin)號覆蓋環境(jing)，采(cai)用4G、5G混合的(de)多(duo)模態網絡(luo)(luo)結構(gou)，農機(ji)傳感器采(cai)集到的(de)數據(ju)(ju)通(tong)過4G、5G傳輸到基(ji)站(zhan)側(ce)，在基(ji)站(zhan)側(ce)進行匯聚，匯聚后的(de)數據(ju)(ju)經過運營商公網傳輸到云(yun)端(duan)進行處理，經過云(yun)端(duan)分析(xi)之后沿原路(lu)反饋給農機(ji)設(she)備，農機(ji)設(she)備根據(ju)(ju)指令(ling)執(zhi)行對(dui)應操作。
小麥、玉米輪作多機協同作業在速度方面，輪式農機行駛及作業過程中平均運行速度低于30km/h，在旋耕、犁地等作業過程中速度低于20km/h，一般輪式農機屬于中低速運行；在時延方面，輪式農機在中低速行駛場景下對時延要求不太嚴格，日常公網通信環境下，業務要求大數據包時延在17ms之內，小數據包時延在15ms之內，可以滿足輪式農機作業需求；噴撒農藥、授粉育種用途的無人機飛行速度高于30km/h，屬于中高速飛行環境；針對噴撒農藥、授粉育種用途的無人機對時延的要求更嚴格，日常公網通信環境下，業務要求大數據包時延在17ms之內，小數據包時延在15ms之內，因此現有公網通信技術難以滿足無人機作業要求，根據無人機作業路徑，一方面，需要對現有公網5G基站的天線角度進行調整，增加無人機作業路徑所在區域的信號強度；另一方面，增加5G基站部署數量，擴大5G信號覆蓋范圍。
農(nong)(nong)場(chang)4G信號(hao)整體覆蓋率約95.82%，4G平均參(can)考信號(hao)接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）-85dbm左(zuo)右(you)，平均信號(hao)與(yu)干擾(rao)加(jia)噪(zao)聲比(bi)（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）7db左(zuo)右(you)。因(yin)此(ci)，針(zhen)對實(shi)時性(xing)要求(qiu)較低(di)的中(zhong)低(di)速輪(lun)式(shi)農(nong)(nong)機可以(yi)采用(yong)4G通(tong)(tong)信模式(shi)；由(you)于WLAN中(zhong)的WIFI-6具(ju)有(you)成本低(di)、大(da)帶(dai)寬(kuan)、速率快、非授(shou)權頻段、自(zi)組織以(yi)及與(yu)其(qi)他網(wang)絡共(gong)存(cun)等優點，針(zhen)對田間地頭固定式(shi)圖像、視頻傳(chuan)感(gan)器(qi)可以(yi)采用(yong)WIFI-6進(jin)行網(wang)站部署(shu)，實(shi)現多(duo)傳(chuan)感(gan)器(qi)采集到的圖像、視頻傳(chuan)輸到中(zhong)心節點，中(zhong)心節點通(tong)(tong)過(guo)運(yun)營(ying)商寬(kuan)帶(dai)傳(chuan)輸到云(yun)端。
通過實驗設計現場測試5G單個基站距離農場約5Km位置，農場5G整體覆蓋率約35.77%，5G平均RSRP為-104dbm左右，平均SINR為-0.94db左右。針對農場4G、5G無線信號覆蓋情況，應采用4G、5G及WLAN中的WIFI-6混合的多模態網絡結構。
農機(ji)車載(zai)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器采集(ji)到(dao)的數據(ju)通(tong)過(guo)4G傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)到(dao)網(wang)絡邊(bian)(bian)緣側；無人機(ji)通(tong)過(guo)5G覆蓋區域傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)到(dao)網(wang)絡邊(bian)(bian)緣側；田間地頭固定式圖像(xiang)、視頻(pin)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器通(tong)過(guo)WIFI-6傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)到(dao)網(wang)絡邊(bian)(bian)緣側，在網(wang)絡邊(bian)(bian)緣側進(jin)行(xing)數據(ju)匯(hui)聚(ju)，匯(hui)聚(ju)后的數據(ju)經(jing)過(guo)運營商公網(wang)傳(chuan)(chuan)(chuan)輸(shu)到(dao)云端進(jin)行(xing)處理(li)，經(jing)過(guo)云端分析之后沿原路反饋給農機(ji)設備(bei)，農機(ji)設備(bei)根據(ju)指令執行(xing)對應(ying)操作，實現多(duo)機(ji)協同作業與多(duo)種傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器所(suo)需的通(tong)信支撐。
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