基于蜂窩網絡的無人機通信研究

徐珉，胡南

基于蜂窩網絡的無人機通信研究

徐珉，胡南

（中國移動通信集團公司研究院，北京 100053）

為滿足無人機日益增長和多樣化的業務需求，優化移動蜂窩網絡以適應無人機通信的新應用場景，分析了基于移動蜂窩網絡的無人機通信基本應用場景和數據類型，研究了4G網絡支持無人機通信的關鍵技術問題，提出了干擾檢測與抑制、移動性管理和無人機終端識別等解決方案，并展望了網絡切片等5G網絡新技術支持無人機通信的應用前景。

無人機 移動蜂窩網絡 干擾抑制 移動性管理 網絡切片

1 研究背景

UAV（Unmanned Aerial Vehicle，無人機）是一種具有自主動力的非載人飛行器，可通過人工操控或自動駕駛執行多種任務[1]。無人機起源于軍事領域，用于偵察、監視、測繪、空中打擊等軍事用途。近年來，隨著無人機相關的技術進步和成本降低，其開始廣泛應用于民事領域，包括貨運、航拍、交通巡線、災難搜救、環境監測、農林生產、工程建設、通信中繼[2]等。無人機集成飛控、通信、發射回收、電源等功能系統，其中通信系統用于保障無人機與地面站（控制和應用數據終端等）之間的控制指令（飛行速度、高度、姿態、路線等）和應用數據（實時圖像、監測報告、執行狀態等）傳輸的實時性及可靠性，是保證無人機準確有效完成任務的核心系統之一。

隨著無人機應用領域和應用場景的迅速擴展，無人機通信需要滿足日益多樣化的業務需求，ITU（International Telecommunication Union，國際電信聯盟）于2017年1月已針對民用無人機通信服務需求立項（SG16 Q21/16 F.CUAV）[3]。地面站交互的任務相關數據，如物流信息、環境數據、航拍或交通實時圖像等。根據任務需求不同，應用數據在速率、時延和可靠性等方面的要求也有所不同，比如航拍高清圖像要求較高數據速率，而交通實時圖像則同時要求較低時延和一定的數據速率，等等。

相應地，移動蜂窩網絡需要滿足無人機通信數據業務的差異性需求，作為參考，表1為基于4G（LTE）網絡的無人機通信研究相關參數（3GPP RAN2工作組暫定）[6]，表2為4G（LTE）網絡QoS（Quality of Service，服務質量）體系中可能用于C&C數據的QCI（QoS Class Identifier，QoS分級指示）配置?？梢钥闯?，為支持無人機通信的基本需求，4G（LTE）網絡需將無人機控制數據作為時延敏感型業務進行承載，而應用數據的處理與地面UE基本一致。

目前，4G（LTE）網絡支持的無人機通信控制和應用數據均已被納入3GPP RAN2工作組的SI（Study Item，研究項）范圍，而無人機通信的業務特性被列為FFS（For Further Study，待進一步研究）問題[6]。

表1 基于4G（LTE）網絡的無人機通信研究相關參數（3GPP RAN2工作組暫定）

表2 4G（LTE）網絡QoS體系中可能用于C&C數據的QCI配置

3 基于4G網絡的無人機通信關鍵技術問題

由于多數無人機的飛行高度在天線之上，無人機UE的無線通信環境與地面UE存在差異，進而帶來干擾增多、移動性管理復雜化、身份驗證識別難等技術問題。移動蜂窩網絡除了需要滿足無人機通信的數據類型和場景需求之外，還需解決無線通信環境差異帶來的新問題。

比如，當無人機UE飛行高度低于或接近天線高度時，其無線傳播特性類似于地面UE。而當無人機UE在高于天線高度飛行時，由于視線傳播的概率增大，其上行信號會被更多站點接收到，同時本身亦會探測到來自更多站點的下行信號，具體如圖3所示：

圖3 無人機UE與地面UE的傳播特性差異

由此帶來的技術問題包括但不限于：

（1）無人機UE的上行信號會對更多的地面UE造成上行干擾，同時本身亦會收到更多的下行干擾，需要進行干擾檢測和采取干擾抑制策略；

（2）由于視線傳播和干擾增多，無人機UE所處空域的小區覆蓋不像地面小區覆蓋一樣較為規則，特別是最優小區會頻繁改變（見圖4）[7]，因此在4G（LTE）網絡中，針對地面UE設計的連接態（RRC_CONNECTED）小區切換、空閑態（RRC_IDLE）小區重選等移動性管理規則并不完全適用；

（3）為滿足禁飛管控等應用需求以及針對無人機UE設計干擾抑制和移動性管理策略，需要對已獲飛行授權的無人機UE進行識別（區別于地面UE，特別是甄別無人機攜帶的未經飛行授權的地面UE）。

圖4 無人機UE高度提升造成的最優小區不規則特性示意圖

3.1 干擾檢測與抑制

下行干擾檢測方面，在現有4G（LTE）標準中，基站（eNB）通過向UE發送測量配置信息（包括測量對象和測量報告配置），UE可以探測當前服務小區和相鄰小區的下行參考信號，測量報告可周期性觸發或基于事件觸發（同系統的A1-A5事件）。由于視線傳播，飛行高度較高的無人機UE可能收到來自更多eNB的下行參考信號，相應地會觸發更多基于事件的測量報告。比如，更多的鄰區干擾一方面會導致服務小區RSRQ（Reference Signal Receiving Quality，參考信號接收質量）下降而觸發事件A2，另一方面會提高事件A4（相鄰小區信號質量高于門限）的觸發概率，這會導致更加頻繁的測量報告和切換，從而加速消耗無人機UE電量。因此，需要進行考慮更多強相鄰小區情形的測量報告機制優化。

上行干擾檢測方面，在現有4G（LTE）標準中并未規定具體方案。參照上行ICIC（Inter Cell Interference Coordination，小區間干擾協調）的設計思路，即服務小區可通過X2接口發送HII（High Interference Indicator，強干擾指示）給相鄰小區用于資源分配以規避干擾，可針對無人機UE設計小區間的調度信息交換；另一方面，即使上下行信道存在差異，下行RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號接收功率）仍可在一定程度上反映上行信號強度，3GPP RAN2工作組業已同意對利用RSRP進行上行干擾檢測的方案開展研究[6]；此外，3GPP RAN1工作組還針對設計上行參考信號展開討論[8]。

干擾抑制方面，已有的ICIC、eICIC（enhanced ICIC）、FeICIC（Further enhanced ICIC）等技術仍可適用于無人機UE。需要注意的是，對于無人機UE，一方面，在干擾協調過程中會涉及更多的相鄰小區；另一方面，處于小區中心的無人機UE可能同樣需要干擾協調（地面UE只有在小區邊緣時才需要），相應需要做出針對性的改進。

3.2 移動性管理

由于無人機UE的飛行高度和速度范圍與地面UE存在較大差異，現有的移動性管理規則并不完全適用。對于連接態小區切換，無人機UE飛行高度和速度的增加相應帶來測量次數、測量報告規模、切換次數、切換失準（過早、過遲或切換至錯誤小區）、鏈路失效和鏈路重建的增多，進而影響無人機UE性能，增加無人機UE能耗，加重無線和核心網側的信令負擔等。

為應對上述問題，一方面可針對無人機UE的無線環境特性，改進切換判決條件，如同時基于RSRP和RSRQ，甚至SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信噪比）等，或是優化移動性控制參數，如TTT（Time To Trigger，觸發時間）、CIO（Cell Ind Offset，小區個體偏移）等；另一方面可針對無人機UE優化與切換相關的其他流程和方案，包括前文所述的測量報告機制改進、干擾協調與抑制以及波束賦形等。

與連接態小區切換類似，無人機UE的空閑態小區重選面臨類似問題。比如，在現有4G（LTE）標準中，空閑態的UE在服務小區的RSRP或RSRQ低于門限值時才會觸發鄰區測量[9]。而由于多路視線傳播帶來的空中小區不規則化，空閑態無人機UE的鄰區測量可能過遲觸發，導致其無法保證駐留在信號質量最好的小區。解決方案包括：設置無人機UE專用偏置因子、擴展觸發門限范圍、設計新的觸發條件（如基于RSRQ的變化）、增加非基于事件的測量規則（如周期測量）等[10]，這些方案均存在重選精度與節能之間的折衷，參數值的合理選擇或新規則設計都需要進一步的測試來驗證支撐。

對于路徑點、路線和飛行狀態等信息可預置或可獲取的無人機UE，這些信息也可用于移動性管理策略設計[11]，包括預切換等。

3.3 無人機UE識別

4 基于5G網絡的無人機通信展望

4.1 網絡切片

網絡切片是由一組網絡功能和相關所需資源（包括核心網和接入網）組成的完整邏輯網絡，用于為UE提供特定的網絡能力和網絡特性[12]。通過建立專用的邏輯網絡（作為一種服務），5G網絡切片有望滿足網絡業務的差異化應用和垂直行業的多樣化需求。

5G網絡切片引入了tenant的概念，用于指代一類網絡切片所服務的組織、機構、應用或用戶群體。如圖5所示，5G網絡中的無人機UE可根據自身屬性、應用行業或業務需求組成一類或多類tenant，通過定制化的網絡切片來識別身份、數據需求甚至干擾抑制和移動性管理等策略。

圖5 支持無人機通信的5G網絡切片粒度示意圖

比如，在5G網絡中，UE與基站和核心網之間通過交互NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information，網絡切片選擇輔助信息）來選擇AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能）實體以及網絡切片實體。通過為無人機UE分配（或準許其使用）專用的NSSAI，可以在邏輯上實現無人機UE與地面UE的業務和無線策略的區分；通過細化無人機專用NSSAI中的S-NSSAI（Single NSSAI，用于標識具體的切片），可區分不同應用行業的無人機UE，以及使用不同切片分別保障控制數據和多類應用數據業務，等等。

4.2 QoS保障

在4G（LTE）的承載機制中，QoS的控制功能主要在核心網完成，接入網僅根據核心網下發的QoS參數，對無線側資源進行調度。

為適應業務的多樣化需求，5G網絡引入QoS流的概念，并采用更為靈活的兩級QoS映射：核心網負責IP流到QoS流的映射，接入網負責QoS流到DRB（Data Radio Bearer，數據無線承載）的映射[13]。通過兩級映射，5G的QoS機制可以在同一切片下實現更細粒度（QoS流）的QoS保障及更靈活的業務承載方式（QoS流與DRB間映射關系的動態配置）等。另一方面，5G核心網和接入網均引入了reflective QoS機制，允許UE根據下行映射（IP流到QoS流的映射和QoS流到DRB的映射）快速配置對應的上行映射。這些新特性一方面可以保證無人機通信不同數據類型得到相應的最佳承載，另一方面也縮短了無線鏈路自適應調整的時間，保障無人機通信業務的連續性和有效性。5QI機制（5G QoS Indicator，類似于4G的CQI機制）也定義了更多可用的QoS配置[12]，如5QI=69可提供60 ms和10-6誤包率用于無人機通信控制數據傳輸等。

此外，5G網絡的其他新特性和新技術可以進一步支持無人機通信。比如，引入inactive態后，處于inactive態的無人機可達到idle態類似的節電效果，且又可由無線網側更快尋呼到；基于beam的移動性管理可保障無人機在通信時使用優選的beam，降低其產生和受到的干擾，等等。

5 結束語

移動蜂窩網絡具有覆蓋范圍廣、系統容量大、支持業務類型全面、抗干擾性強等優點，在支持無人機通信方面具有廣泛的應用前景。因此，本文結合4G/5G移動蜂窩網絡技術現狀和標準化進程，針對基于蜂窩網絡的無人機通信開展研究，通過分析無人機通信數據類型、應用場景和關鍵技術問題，論述了基于4G網絡的無人機通信解決方案和基于5G網絡的無人機通信技術前景。為進一步發揮移動蜂窩網絡的覆蓋和性能優勢，使能多樣化的無人機應用，未來可繼續研究針對無人機通信的3D波束成形[14]與空域分層覆蓋、飛行路徑規劃[15]、基于基站或小區的電子圍欄等。

[1] Afonso L, Souto N, Sebastiao P, et al. Cellular for the skies: Exploiting mobile network infrastructure for low altitude air-to-ground communications[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2016,31(8): 4-11.

[2] Sharma V, Bennis M, Kumar R. UAV-assisted heterogeneous networks for capacity enhancement[J].IEEE Communications Letters, 2016,20(6): 1207-1210.

[3] ITU. ITU-T work programme: Requirements for communication service of civilian unmanned aerial vehicle[EB/OL]. [2017-01-25]. https://www.itu.int/md/T17-SG16-170116-TD-WP1-0050.

[4] 3GPP RP-171409. Report of 3GPP TSG RAN meeting#75[S]. 2017.

[5] DJI technology. DJI Products: Drones[EB/OL]. [2017-03-31]. http://www.dji.com/products/drones.

[6] 3GPP. Report of TSG-RAN WG2 Meeting #98[S]. 2017.

[7] Ericsson. 3GPP RAN2#98 proposal: R2-1705427 Potential enhancements for HO[S]. 2017.

[8] 3GPP. Report of TSG-RAN WG1 Meeting #89[S]. 2017.

[9] 3GPP TS 36.304 V14.2.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE)procedures in idle mode[S]. 2017.

[10] CMCC. 3GPP RAN2#98 proposal: R2-1705781 Intrafrequency Measurement Triggering of the Aerial UEs for Cell Reselection[R]. 2017.

[11] Huawei, HiSilicon. 3GPP RAN2#98 proposal: R2-1704997 Mobility enhancement for Drones[R]. 2017.

[12] 3GPP TS 23.501 V1.0.0. System Architecture for the 5G System; Stage 2[S]. 2017.

[13] 3GPP TR 38.804 V14.0.0. Study on New Radio Access Technology; Radio Interface Protocol Aspects (Release 14)[S]. 2017.

[14] 袁征,薛連莉,武毅. 中繼通信無人機天線自動跟蹤平臺設計[J]. 現代雷達, 2017,39(1): 60-64.

[15] 李子杰,劉湘偉,廖文龍,等. 掩護突防中雷達干擾無人機壓制干擾航路優選[J]. 現代雷達, 2015,37(2): 79-82.★

Research on UAV Communications Based on Mobile Cellular Networks

XU Min, HU Nan
(China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

To satisfy the ever-increasing and versatile service requirements of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), mobile cellular networks were optimized to adapt to the new application scenarios of UAV communications. Basic application scenarios and data types of UAV communications based on mobile cellular networks were analyzed.Key technical problems of 4G networks to support UAV communications were addressed. Solutions to interference detection and suppression, mobility management and UAV terminal identifi cation were proposed. In addition, new techniques in the 5G network such as network slicing were discussed to support the UAV communications.

UAV mobile cellular network interference suppression mobility management network slicing

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.22.006

TN929.5

A

1006-1010(2017)22-0023-06

徐珉,胡南. 基于蜂窩網絡的無人機通信研究[J]. 移動通信, 2017,41(22): 23-28.

2017-06-25

袁婷 yuanting@mbcom.cn

徐珉：工程師，工學博士畢業于北京郵電大學，現任職于中國移動通信集團公司研究院，無線網絡與協議工程師，主要從事4G/5G移動通信網絡技術研究、高層協議設計和標準化工作。

胡南：高級工程師，工學博士畢業于北京郵電大學，現任職于中國移動通信集團公司研究院，副主任研究員，主要從事4G/5G移動通信網絡技術研究、高層協議設計和標準化工作。