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，中信科移動通信技術股份有限公司李超。
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通信技術的研究報道。多臺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（圖像、視頻等），5G能否滿足這些數據對帶寬、時延、速率等傳輸要求以實現機群協同作業是值得研究的科學問題。
本文經過細致梳理國內外研究現狀與動態分析，提出無線通信技術支撐多機協同作業是智慧農場的關鍵技術特征；當前4G、5G在農場中的覆蓋范圍與信號強度是否支撐多機協同作業值得研究。本文選取河南新鄉國家級某農業科技園區作為實驗基地，通過設計實驗，測試參考信號接收功率和信號與干擾加噪聲比指標，采用車載儀器與手持儀表對4G、5G信號覆蓋范圍與強度進行實際測量，并將測量數據繪圖進行可視化展示與分析，為智慧農場多機協同作業如何采用4G、5G混合組網提供科學依據與指導。
隨著工業信息化與城鎮化的持續推進，我國從事傳統農業生產的勞動力逐漸減少，農業勞動力的老齡化與短缺問題逐漸突顯，成為制約農業發展的重要因素。未來誰來種地，用什么設備種地是我國亟需解決的問題，農機作業是重復而繁重的作業，作業環境相對封閉，為無人駕駛農機落地提供了天然的條件。隨著國家政策對智慧農業、無人農場的需求傾斜，國內對無人駕駛的需求不斷增大，各地都在對無人示范農場、智慧農業進行搭建，以嘗試和打通無人化農業的進程。發展以“機器替換人”進行農業生產為主要特征的現代化智慧農業的需求日趨增加[1-2]；智慧農業是未來農業的發展方向，是現代農業的高級形式[3-4]。針對農作物種植區域，實現“耕、種、管、收、運”環節的無人化作業需要使用不同種類的自動駕駛農機裝備（拖拉機、收割機、運糧車等），其核心優勢表現在提高作業精度與效率、提升農戶操作體驗、降低農戶勞動強度與單位面積投入成本等。
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，美國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，主流的是以美國為代表的專用短距離通信（Dedicated Short Range Communication, DSRC）技術標準。早在1992年，美國材料試驗協會（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。
本研究農機群體作業的無線網絡通信技術及數據傳輸方法，首先需要明確農場環境無線通信已有硬件條件是否滿足農機作業要求。針對農場位置、占地面積、農作物植株高度、密集程度、綠化樹木分布、樹木高度、農場附近4G、5G基站位置、高度設計無線測試實驗，模型農機移動速度，測試參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）、平均信號與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR），原陽試驗基地通信環境測試條件如下：
（1）測試時間：2022年3月19號，9:30~11:50，天氣多云，輕微風；
（2）測試終端：華為p40（11.0.0.990SP11）、自主研發的酷測軟件（DT_Cool Test 3.0）；
（3）測試配速：步行測試平均配速8km/h，乘車測試平均車速30km/h；
RSRP與SINR是無線信號覆蓋的兩個最基本指標；RSRP是4G網絡中可以代表無線信號強度的關鍵參數以及物理層測量需求之一，是在某個符號內承載參考信號的所有資源粒子上接收到的信號功率的平均值；SINR是指接收到的有用信號的強度與接收到的干擾信號（噪聲和干擾）的強度的比值，亦稱為“信噪比”。通過圖1～4可知，農場4G信號整體覆蓋率約95.82%，4G平均RSRP -85dbm左右，平均SINR 7db左右。現場測試5G基站距離農場約5千米（Km），農場5G整體覆蓋率約35.77%，5G平均RSRP -104dbm左右，平均SINR -0.94db左右。
圖1～4測試數據表明很有必要研究并設計適配農場的多模態網絡與通信模型。針對農場無線信號覆蓋環境，采用4G、5G混合的多模態網絡結構，農機傳感器采集到的數據通過4G、5G傳輸到基站側，在基站側進行匯聚，匯聚后的數據經過運營商公網傳輸到云端進行處理，經過云端分析之后沿原路反饋給農機設備，農機設備根據指令執行對應操作。
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。
農場4G信號整體覆蓋率約95.82%，4G平均參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）-85dbm左右，平均信號與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）7db左右。因此，針對實時性要求較低的中低速輪式農機可以采用4G通信模式；由于WLAN中的WIFI-6具有成本低、大帶寬、速率快、非授權頻段、自組織以及與其他網絡共存等優點，針對田間地頭固定式圖像、視頻傳感器可以采用WIFI-6進行網站部署，實現多傳感器采集到的圖像、視頻傳輸到中心節點，中心節點通過運營商寬帶傳輸到云端。
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。
農機車載傳感器采集到的數據通過4G傳輸到網絡邊緣側；無人機通過5G覆蓋區域傳輸到網絡邊緣側；田間地頭固定式圖像、視頻傳感器通過WIFI-6傳輸到網絡邊緣側，在網絡邊緣側進行數據匯聚，匯聚后的數據經過運營商公網傳輸到云端進行處理，經過云端分析之后沿原路反饋給農機設備，農機設備根據指令執行對應操作，實現多機協同作業與多種傳感器所需的通信支撐。
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