葉泳蘭／長榮大學無人機學程助理教授，2003 年開始無人機相關研究，主要從事無人機性能提升與改進的關鍵技術發展。
更快、更強大的 5G 系統
第五代行動通訊系統（5th generation mobile networks, 5G），指的是 4G 系統的延伸。5G 包含大容量的輸出與輸入（multi-input multioutput, MIMO）的天線技術、加大的頻寬及可拓展波形之外，還包括高覆蓋率及低時延遲時間的網路技術。5G 網路系統將有多快呢？速度預計將會是 4G 的 100 倍，可以在 1 秒鐘內下載整部影片，使用者則能同時使用網路而不會受到影響與限制。
因此，提升目前的行動寬頻服務及支援短時間大量的傳輸服務將是 5G 的未來使命，並且可充分支援物聯網（internet of things, IoT）等技術，預計整體相關產業平均每年可創造 2000 億美元以上的產值。
但是 5G 網路系統也有使用上的問題。由於採用約 73000 MHz 的超高頻寬，雖有高穿透性的優勢，傳輸距離卻不若 4G 網路系統，因此 5G 系統基地台的多寡將會深深影響使用效果。5G 雖然在人口擁擠的都會區具有較高的網速，但在空曠的區域裡，4G 系統依舊是目前唯一的選擇。對此，5G 系統並不會直接取代 4G 系統，而是補足 4G 系統的弱點。
5G 提升無人機的效能
而隨著無人機應用的高度發展，5G 的可靠性、低延遲時間及大頻寬等特性，將使無人機在執行地形探勘及空拍地圖繪製任務時，可大大提升工作效率。此外，5G 也能提供無人機實現各種複雜的應用。舉例來說，若要同時控制大量群飛的無人機及實現無人機的飛航管理（UAS Traffic Management, UTM），都需要透過高速的網路系統，聯繫無人機與控 制系統間的數據與指令傳輸，對飛行空域的有效管理與合理應用是 5G 對現階段對無人機的巨大貢獻。
目前關於無人機的飛航管理系統，長榮大學無人機中心已完成初步的建置工作，該系統對於 5G 的需求不可言喻。但 5G 對無人機的影響僅止於如此嗎？
不只是空拍，結合 5G 後無人機還能做更多事
由於實際的需要，近來無人機的應用已從簡單的空拍推廣到空中巡檢的任務，此需要大量且即時的雲端儲存與運算，因此難以避免龐大的資料傳輸負擔。受限於當前網路發展的技術，執行運算處理以減少往返雲端過程中，包含時間延遲和成本的邊緣運算（edge computing）等，已成為未來 5G 網路架構的關鍵技術發展。而此關鍵技術的發展雖不影響 5G 的基本架構特性，但是對於 5G 無人機上的應用卻相當重要。
所謂的邊緣運算，指的是當無人機持續傳輸高畫質影像，特別是經由第一人稱影像（first person view, FPV）所擷取的畫面，對於發射與接收兩端都有一定程度的負荷，如果 5G 網路基地台無法有效支援，將可能造成運作的困難。藉由裝置整合型的感測器可用以預做初步的資料篩檢，並過濾掉錯誤無用的資訊，如此便能有效減少網路伺服器的負擔。因此，大量正確且有效的資訊共享是未來無人機的重要應用之一。基於以上的技術，在可預見的未來中，不論是無人機與衛星間的通訊連結，或是結合人工智慧等應用，5G 都能讓上述的願景不再只是紙上談兵。
但由於目前無人機系統發展中始終存在介面無法統一的問題，再加上現有 5G 系統架設數量不足，甚至有部分地區連 4G 系統都尚未完善等問題，都是未來 5G 系統將面臨的挑戰。目前可行的解決方法，是先將取得的資料暫存於無人機中，待飛行至有網路的區域後，再利用 5G 網路高速的特點將大量的資料傳出。當然，以上的應用模式還需要搭配高效能的機載電腦（on-board computer, OBC）及儲存單元等才能實現。
4G 無人機做不到的，就交給 5G 吧！
目前由長榮大學無人機中心與消防學系共同發展的工業級多軸無人機系統，目標是用於惡劣天候與具高爆炸危害等環境下執行任務。任務過程必須進行拍攝並即時回傳 4K 畫質的影像，但由於四周環境的限制，使無人機無法進行自主飛行（autopilot），所以必須結合以 FPV 及虛擬實境以執行精準飛行，再配合其他的裝備，才能順利傳輸大量的飛行訊號、資料及影像等。但由於目前的 4G 網路已無法滿足執行上述的任務所需，故此無人機系統在發展上面臨困境，而 5G 的出現將是該技術實現的重要關鍵。
綜合以上，5G 將會是網路系統的未來，特別對於無人機系統的應用，具有高速、高覆蓋率、低時間延遲及大頻寬等特性，無人機的飛行控制及大量資料數據與圖像的 傳輸能力有顯著的提升，在當前重視大數據（big data）的年代尤顯重要。不過以目前 5G 的發展來說，尚有未竟之處，由於 5G 的系統建置費用高昂，約為 4G 價格的三倍，再加上 5G 的傳輸距離只有 4G 的 1∕3，勢必要布建更多的基地台，因此 5G 的使用費用高昂將是可預期的結果。總體來說，短期內 4G 仍會是全球行動網路的要角，但長遠來看，5G 網路系統的優勢必定會成為未來的科技趨勢。
本文轉載自《科學月刊》第607期〈5G 出現後，無人機將怎麼飛？〉。
⇠上一篇：改寫醫療未來的 5G 新世代
