5G低空網絡部署研究

孫 一，吳 威，潘文蘋，趙 靜

（河南省信息咨詢設計研究有限公司，河南 鄭州 450000）

1 5G低空網絡覆蓋需求分析

2013年，全球民用無人機市場規模約20億美元，之后的5年在消費級無人機的帶動下，行業基本保持著每年35%以上的同比增速穩步成長。自2018年起，伴隨工業級無人機應用的興起，民用無人機市場進入爆發式增長期，在2020年前后增速達到頂峰。預計到2025年，全球民用無人機市場規模將達到1 475億美元，年均復合增長率達43%。

預計到2025年，我國民用無人機市場產值將達到1 800億人民幣，約占全球無人機市場份額的17.5%。工業級無人機行業應用服務將占據市場的絕對份額，市場規模達1 500億元人民幣，其中農林植保、安防巡檢、測繪以及物流將成為我國無人機行業應用的主要場景[1]。

隨著民用無人機的快速發展，行業應用對無人機數據鏈提出了越來越高的要求。5大低空無人機通信鏈路技術對比分析如表1所示。對比現有的5大低空無人機通信鏈路技術可以看出，基于移動網絡的通信鏈路技術具有明顯的優勢。尤其是5G網絡采用的Massive MIMO技術，具有大帶寬、低時延、高可靠以及大連接的特點，將成為無人機數據傳輸鏈路新的解決方案[2]。

表1 5大低空無人機通信鏈路技術對比分析

2 5G低空網絡多方案鏈路預算分析

從行業實際應用要求的角度出發，評估5G低空網絡對空組網的通用性能因素，計劃在某地建設5G低空應用測試空域。其中，測試空域主要用于滿足5G行業應用無人機、通航飛機以及直升機的測試場景模擬，計劃覆蓋高度100～1 000 m（間隔100 m），邊緣速率應達到20 Mb/s。這樣可以模擬任何一種無人機和通航飛機行業應用的實際場景，也為估算5G對空覆蓋的傳輸模型提供了條件。測試空域主要提供模擬巡線和物流應用場景，計劃長度50 km，高度3 000 m。由于主要用于物流無人機，因此對邊緣速率要求不高，1 Mb/s的邊緣速率已經可以完全滿足要求。該測試空域除測試外，也計劃用于實際的無人機物流運輸。

5G低空網絡規劃的流程包括網絡規劃需求分析、網絡鏈路預算、規模估算、站址選擇、覆蓋容量仿真以及無線參數規劃等步驟。其中，鏈路預算能夠獲得網絡覆蓋范圍，評估無線通信系統的覆蓋能力，是網絡建設初期的重要任務。鏈路預算的結果直接影響網絡建設成本和運營性能，對無線網絡規劃具有重要的指導作用[3]。

5G低空網絡多方案鏈路預算通過對比Uma-NLOS以及Aster射線跟蹤模型，選取不同頻率和收發能力的設備進行鏈路覆蓋能力分析，從而得到最適合5G低空覆蓋的空間模型。以64T64R為例的Uma-NLOS和Aster射線跟蹤模型如表2所示。

表2 Uma-NLOS和Aster射線跟蹤模型（以64T64R為例）

圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6分別為100 m、500 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m高度5G低空速率仿真結果，面區域95%覆蓋率對應的邊緣速率如表3所示，線區域3 000 m高度上行速率仿真統計結果如表4所示。從輸出結果可以看出，5G低空覆蓋效果。

圖1 100 m高度仿真結果

圖2 500 m高度仿真結果

圖3 1 000 m高度仿真結果

圖4 1 000 m高度仿真結果

圖5 2 000 m高度仿真結果

圖6 3 000 m高度仿真結果

表3 面區域95%覆蓋率對應的邊緣速率

表4 線區域3 000 m高度上行速率仿真統計結果

從仿真結果可以看出，無人機飛行高度在100～1 000 m，上行速率大于20 Mb/s的覆蓋率滿足95%。無人機飛行高度3 000 m，上行速率大于6 Mb/s的覆蓋率超過93%。

3 5G低空覆蓋快速部署方案

根據5G低空網絡多方案鏈路預算分析結果，結合某地現網4G基站分布情況，最終提出5G低空覆蓋選用3.5 GHz頻段64T64R 5G NR設備進行網絡覆蓋部署。考慮到3.5 GHz頻段后續的eMBB網絡建設帶來的鄰區干擾，額外預留2～3 dB的余量。實際覆蓋半徑按照5～6 km估算，站間距按照7.5～10 km估算。對于線狀覆蓋區域，可以考慮AAU背向對打；對于面狀覆蓋區域，建議按照1站3扇區進行站址規劃。研究結果應用于某地5G低空網建設，建設站點如圖7所示，其中圓形圖標為現網4G站點，三角形圖標為選中5G低空覆蓋站點。

圖7 某地5G低空覆蓋建設站點示意圖

4 結 論

本文對比現有5大低空無人機通信鏈路技術，確定選用5G技術可以滿足無人機低空需求；對比Uma-NLOS和Aster射線跟蹤模型，選取不同頻率和不同收發能力設備進行鏈路覆蓋能力計算，最終提出選用3.5 GHz頻段64T64R 5G NR設備用于5G低空網絡覆蓋。該研究結果應用于某地5G低空網建設獲取了5G低空網絡無線空中傳輸模型，積累了5G低空網絡建設經驗，促進了5G技術更好地應用于無人機行業。