5G/NR pre BVLOS: architektúry sieťového napojenia a QoS

Prečo 5G/NR pre BVLOS misie UAV

Prevádzka bez vizuálneho kontaktu (BVLOS) kladie na komunikačnú infraštruktúru radikálne odlišné požiadavky ako tradičné VLOS misie. Riadiace kanály (C2 – Command & Control) musia byť súčasne nízkolatenčné, vysoko spoľahlivé a pri zlyhaní rýchlo rekonfigurovateľné, zatiaľ čo senzory a videoprenosy vyžadujú široké pásmo a adaptívnu kvalitu. 5G New Radio (NR) prináša mechanizmy (QoS flow model, sieťové slicingy, URLLC, Multi-access Edge Computing, presnejšie lokalizačné služby), ktoré umožňujú konštruovať architektúry sieťového napojenia špecificky pre BVLOS.

Referenčné architektúry sieťového napojenia UAV

Architektúru môžeme rozdeliť podľa vlastníctva siete, topológie prístupu a úrovne integrácie s UTM (UAS Traffic Management):

Verejná 5G sieť (MNO) – SA/NSA: UAV sa pripája cez gNB k 5GC (Core). SA (Stand-Alone) umožňuje pokročilé 5G QoS a slicing bez závislosti na LTE EPC. Vhodné pre širokoplošné nasadenie a roaming.
Súkromná (Non-Public Network, NPN): Lokálne gNB + 5GC (on-premise alebo edge cloud). Kontrola nad QoS a bezpečnosťou, vhodné pre priemyselné areály, prístavy, letiská.
Hybrid MNO + NPN: UAV dynamicky prepína medzi verejnou a privátnou 5G podľa polohy a SLA. Orchestrácia cez NEF/CAPIF uľahčuje politiku prístupu a telemetrické API pre UTM.
Dual Connectivity a Redundancia: EN-DC (E-UTRA NR Dual Connectivity) kombinuje LTE a NR; PDCP duplikácia znižuje pravdepodobnosť straty paketov pri handoveroch a poklese SINR.
Edge-centrické nasadenie: MEC hostuje autopilotické služby (geofencing, detekcia prekážok, V2X pre letové koridory) blízko RAN, čím skracuje odozvu pre C2 slučku.

Model prenosov: rozdelenie tokov a izolácia

UAV zvyčajne nesie minimálne tri logické triedy tokov, ktoré má zmysel oddeliť do samostatných QoS flows/QFI:

C2/telemetria: malé pakety (20–300 B), intervaly 10–100 ms, vyžaduje stabilnú latenciu <50 ms (end-to-end) a vysokú dostupnosť (>99.99%). Vhodné GBR profily.
Nákladný senzorický tok (video/LiDAR): adaptívny bitrate (1–25+ Mb/s), toleruje vyššie jittery, preferuje eMBB profil s riadenou prioritou.
Metaslužby a UTM: plánovanie, autorizácie, geozóny, udalosti. Non-GBR, dôležitá integrita a autentickosť.

QoS v 5G/NR: od 5QI po QoS Flow

V 5G je QoS definované na úrovni QoS flow v rámci PDU session. Každý flow má QFI a mapuje sa cez SDAP na DRB v RLC/MAC. Kľúčové parametre: GBR/Non-GBR, Packet Delay Budget (PDB), Packet Error Rate (PER), Averaging Window, a priority schedulingu.

Tok	Typ	Príklad 5QI	PDB (ms)	PER	Poznámka
C2/telemetria	GBR	80/82 (URLLC-oriented), 7/9 (kritická režia) podľa profilu	10–50	10⁻⁵ až 10⁻⁴	Preferovať PDCP duplikáciu, prioritné HARQ
Video	Non-GBR / GBR (ak fixný bitrate)	1/2/3 (eMBB triedy)	100–300	10⁻³	ABR, FEC, SVC/AV1-SVC
UTM/riadenie misie	Non-GBR	6/8	50–100	10⁻⁴	Stredná priorita, integrita & audit

Sieťové slicingy a SLA pre BVLOS

Network slicing umožňuje prevádzkovateľovi oddeliť UAV služby od bežného mobilného broadbandu. Typický dizajn:

Slice A – C2 URLLC: prísne PDB, vysoká priorita v scheduleri, rezervované PRB a admission control; preferencia FR1 nízkych pásiem (<1 GHz) alebo mid-band 3.5 GHz s rozšíreným TDD frame pre UL.
Slice B – Payload eMBB: šírky kanálov 40–100 MHz (TDD), dynamická alokácia UL/DL, podpora uplink CA a SUL (Supplementary Uplink) pre robustný vzostupný smer.
Slice C – UTM/OSS/BSS: bezpečné API cez NEF/CAPIF, preferované routovanie do MEC pre lokálne rozhodovanie, s backhaul redundanciou.

RAN aspekty: pokrytie, výška, mobilita a rušenie

UAV vo výškach 50–300 m často vidí viac eNodeB/gNB, čo zvyšuje interferenciu a komplikuje výber bunky. Odporúčania:

Parametrizácia mobility: špecifické A3/A5 eventy pre výškové profily, filtračné konštanty RSRP/RSRQ/SINR, hysterézy a Time-to-Trigger odlišné od pozemných terminálov.
Beam-management: pre NR v TDD mid-band je dôležité robustné SSB beam sweeping; pre rýchle stúpania/poklesy aktivujte beam failure recovery.
Uplink posilnenie: SUL/UL-CA, power control s vyšším P0 a adaptáciou MCS pre dlhé LOS linky.
Handover stratégia: PDCP duplikácia a make-before-break, Xn-based HO s nízkou prerušenosťou (<50 ms cieľ).

Jadro siete a edge: kde končí latencia

Dominantnú zložku latencie pre C2 tvorí transport do core a spracovanie v aplikačnej vrstve. Preto:

MEC umiestnenie C2 servera: skracuje RTT o desiatky milisekúnd. Vhodné je udržiavať štátne/regionálne inštancie pre misie s väčším dosahom.
UPF na edge: lokálny breakout pre C2/UTM tok, zatiaľ čo payload môže ísť do centrálneho cloudu.
Segmentácia PDU session: samostatné PDU sessions pre C2 a video; zvážiť UL-CL (Uplink Classifier) pre selektívny breakout.

Bezpečnosť a identita: od SIM po integritu letových dát

5G prináša 5G-AKA/EAP-AKA′, SUCI/SUPI a NAS/RRC integritu/šifrovanie. Pre UAV nasadenie:

eSIM/eUICC s politickým profilom pre UAV a bezpečný životný cyklus (remote profile provisioning, blokácia pri odcudzení).
Oddelenie kľúčov pre C2 a video v aplikačnej vrstve (DTLS/SRTP/TLS 1.3), auditovateľné logy pre UTM.
Zero-trust integračný model medzi MNO/NPN a UTM: device posture, atestačné tokeny, autorizované geofencing policies.

QoS pre video: latencia, FEC a adaptívne kódovanie

Pre prieskumné a inšpekčné misie je kritická užitočná latencia (glass-to-glass). Odporúčané opatrenia:

Codecs a škálovanie: H.265/HEVC alebo AV1 s SVC (temporal/spatial layers) pre plynulé znižovanie bitrate bez dropov.
FEC/ARQ: ľahká FEC (RaptorQ/LDPC) na aplikačnej vrstve; pre krátke straty preferovať jitter buffer <100 ms a vyhnúť sa retransmisiám pri C2 zdieľaní rádia.
ABR riadenie: telemetrická spätná väzba (SINR, BLER, PHR) do enkodéra; pri prudkom poklese UL PRB okamžitý prechod na nižší profil.

Integrácia s UTM a prevádzkové API

UTM systémy potrebujú prístup k polohovým, stavovým a autorizáciu meniacim údajom v reálnom čase. V 5G ekosystéme:

NEF/CAPIF: bezpečný prístup k sieťovým capability (polohové služby, QoS reporting, event exposure – napr. prerušenie PDU session, zmena bunky).
Polohové služby NR: PRS (Positioning Reference Signals), RTK/PPP kombinované s 5G časovaním na zlepšenie integrity polohy pre geofencing.
Policy Control (PCF): dynamická zmena QFI priorít pri prelete do zhoršených rádiových podmienok alebo vyhradených koridorov.

Regulačné aspekty a spektrum

Pre BVLOS sa preferuje FR1 v nízkych a stredných pásmach (700–900 MHz, 1.8–2.1 GHz, 3.4–3.8 GHz). mmWave (FR2) poskytuje extrémnu kapacitu, no obmedzený dosah a citlivosť na zastrešenie– vhodné skôr pre lokálne NPN nad priemyselnými areálmi. Z pohľadu predpisov je potrebná identifikácia bezpilotného prostriedku, zabezpečené kanály C2 a dodržiavanie výkonových a výškových limitov podľa národného leteckého úradu.

Merania a KPI pre návrh SLA

End-to-End RTT (C2): cieľ <50 ms (MEC), <100 ms (regionálny core).
Dostupnosť/Availability: ≥99.99% pre C2 slice; vyhodnocovať na 30-dňovom okne.
Handover Interruption Time: medián <30 ms, 95. percentil <80 ms.
UL Throughput (video): 5–20 Mb/s s 99% kvantilom >= minimálneho profilu.
Jitter (C2): <10 ms 95. percentil.

Resilience: fail-safe a multi-connectivity

BVLOS vyžaduje mechanizmy zotavenia pri degradácii siete:

Multi-PDU sessions: oddelené koncové body pre C2 a video, nezávislé riadenie failoveru.
PDCP duplikácia a SCG split bearer: paralelný prenos cez dve bunky alebo technológie (LTE/NR).
Záložné médium: licencované úzke pásmo (napr. L-band), ISM telemetria s nízkym bitratom alebo satelitný link pre núdzové RTH (Return-to-Home).
Policy-based Degradation: automatické vypnutie videa a prechod na minimálne C2 pri BLER >10% a SINR <0 dB.

Implementačný postup: od POC po produkciu

Požiadavky misie: definovať latenciu, dostupnosť, bitrate, letové koridory, výšky, doby letu.
Rádio plánovanie: mapovať pokrytie vo výškach, modelovať interferenciu, dimenzovať PRB pre UL-ťažké profily.
QoS a slicing návrh: určiť QFI, GBR/Non-GBR, mapping na 5QI, admission control a policery.
MEC a aplikačná architektúra: kde pobehne C2, kde dekóder/ENC, ako budú cacheované mapy/koridory.
Bezpečnosť a identita: eSIM životný cyklus, certifikáty, rotácia kľúčov, audit.
Testy a overenie: HIL/SIL kampane s emuláciou RAN (fading, mobility), letové testy s KPI telemetriou.
Prevádzka a monitoring: telemetria QoS (QCI/5QI counters, BLER, PHR, RSRP/RSRQ), automatizované zásahy PCF.

Príklad mapovania tokov na 5G entity

PDU Session 1 (C2): IPv4/IPv6, GBR QoS flow (QFI 5), 5QI ~80, PDB 20 ms, PER 10⁻⁵, SDAP→DRB1 (RLC AM), PDCP duplikácia ON, UL-CL→MEC.
PDU Session 2 (Video): Non-GBR (QFI 9), 5QI 2, PDB 150 ms, RLC UM, ABR/AV1-SVC, route do centrálneho cloudu.
PDU Session 3 (UTM): Non-GBR (QFI 3), 5QI 6, PDB 50 ms, RLC AM, NEF exponované eventy (zmena bunky, výstrahy QoS).

Optimalizácia uplinku pre BVLOS

UAV je netypicky uplink-dominantný. Kľúčové techniky:

Konfigurácia TDD pomerov s vyšším UL podielom v časových slotoch, koordinácia medzi sektormi pre zníženie UL interferencie.
UL-MIMO a beamforming s vhodným codebookom pre výškové trajektórie; uvažovať o 2×2 MIMO v UL kde to čipsety podporujú.
Uplink CA + SUL na nízkych pásmach pre citlivé C2, mid-band pre video.

Energetika a palubná integrácia modemu

5G modem je významný spotrebiteľ energie. Odporúča sa:

DVFS a RRC Inactivity timer tuning pre nevideo misie (ale pozor na paging latenciu).
Prediktívne „burstovanie“ videa pri stabilných scénach (key-frame interval, look-ahead) a uspanie RF v mikro-oknách.
Tepelný manažment a umiestnenie antén s ohľadom na tieňovanie vrtuľami a karbónovou konštrukciou.

Budúci vývoj: Release 17–18+ pre UAV

Pokročilé positioning služby, rozšírené sidelink režimy pre vzduch-vzduch koordináciu, vylepšené URLLC a satelitná integrácia (NTN) rozširujú možnosti BVLOS, najmä pre dlhé trasy mimo hustej infraštruktúry. Očakáva sa lepšia interoperabilita UTM rozhraní cez štandardizované eventy a politiky QoS.

5G/NR poskytuje presne tie stavebné bloky, ktoré BVLOS operácie potrebujú: deterministickejšiu latenciu, šité-na-mieru QoS, izoláciu cez slicing a výpočtové zdroje na hrane. Kľúčom k úspechu je rozumné rozdelenie tokov, prísna prioritizácia C2, robustný uplink, edge umiestnenie kritických služieb a rezilienčná multi-connectivity. Správne navrhnutá architektúra dokáže premeniť verejnú aj privátnu 5G infraštruktúru na spoľahlivú základňu pre bezpečný a efektívny BVLOS let.