關于建立低空空域無線立體通信網絡的探討*

陳 爽

（河北石云網絡科技有限公司，河北 石家莊 050030）

0 引言

用戶需求是技術演進革新的動力之源，無線通信也不例外。無線通信經過幾十年的發展與沉淀，覆蓋了全球70%的陸地及90%的人口[1]。然而這些信號的覆蓋均以地面覆蓋為主，沒有針對低空區域的專網覆蓋。

理想中能夠滿足空天地一體化需求的網絡結構如圖1 所示[2]。

圖1 空天地一體化網絡體系結構

眾所周知，5G通信技術具備超高帶寬（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、低時延（Ultra-Reliable &Low-Latency Communication，uRLLC）和大連接（massive Machine Type Communication，mMTC）的特性，而且華為公司針對5.5G 又擴展出了上行超寬帶（Uplink Centric Broadband Communication，UCBC）、寬帶實時通信（Real-Time Broadband Communication，RTBC）和通信感知融合（Harmonized Communication and Sensing，HCS）3 個新應用愿景[3]，應用廣闊。近年來，無人機及通用航空產業也發展迅速，對于低空空域立體通信的需求日益強勁。5G通信網絡一方面可以滿足低空無人機實時控制和載荷數據實時回傳的大帶寬需求；另一方面可以實現實時位置、速度、航道、禁飛區等信息的連續感知探測，確保無人機依法依規飛行，防范安全事故。

為了通過5G，以及未來的6G 技術實現上述低空通信的性能，滿足無人機及通用航空產業的需求，要求無線通信在覆蓋模式方面從地面覆蓋為主向立體化、分布式協作模式進行演進。

1 衛星等通信方式的不足

針對低空空域的通信需求，現有衛星通信、陸地移動通信等網絡均存在不足，分別闡述如下。

1.1 衛星通信的不足

距離地球最近的低軌衛星通信系統的衛星距離地面高度在500～1 500 km，其先利用衛星上的通信轉發器接收由地面站發射的信號，再對信號進行放大變頻后轉發給其他地面站，從而完成兩個地面站之間的傳輸。衛星通信有較多的優點，但相對于5G 以及正在深入研究發展的6G，它存在如下的不足：

（1）傳輸時延大。在地球同步衛星通信系統中，通信站到同步衛星的距離按照500 km 計算，電磁波以光速（3×108m/s）傳輸，其路經地球站—衛星—地球站（稱為一個單跳）的傳播時間約需3.3 ms（按照1 500 km 計算，時延則為10 ms），且未包括任何設備處理時延。而5G 要求空口延遲小于1 ms，端到端延遲小于5 ms。可見，在低時延高可靠性方面，衛星通信存在一定的不足。

（2）容量有限。所有通信系統容量都受制于香農定理：C=Blog2(1+S/N)。由此可知：系統容量與采用的頻率帶寬及通信信道的信噪比有關[4]，然而衛星通信所受的噪聲和干擾相對于移動通信要大很多，所以即使在相同帶寬情況下，衛星通信的容量也要小很多。經計算，目前低軌衛星平均頻譜效率大約為2.5 bit/s/Hz，5G 平均頻譜效率為10 bit/s/Hz以上[5]，而且移動通信帶寬資源豐富。衛星軌道位置有限，無法不受限制地部署衛星數量進行擴容。因此，容量方面，衛星通信與移動通信無法比擬，無法滿足萬物互聯的超大帶寬、超大容量需求。

（3）穩定性與可維護性較低。衛星通信存在日凌中斷、星蝕和雨衰現象，相對移動通信，較不穩定。此外，衛星通信遠在天上，不如地面設備的可維護性強。

（4）衛星終端的天線尺寸較大且需內置衛星追蹤裝置，成本高，應用困難。

1.2 陸地移動無線網絡的不足

通過工作實踐總結：一般情況下，建筑物15 層，約45 m（每層樓按照3 m 進行計算），及以上的位置，僅靠室外宏站覆蓋，無線信號會出現使用困難的現象，需要增加室內分布或通過無線優化在一定程度上改善無線信號。當然在不同的情況下，可以采用不同的措施，并且覆蓋效果與用戶的無線環境也有關。

中國移動等單位發布的《基于5G 通信技術的無人機立體覆蓋網絡白皮書》[1]中對于低空5G 信號進行了測試，測試結果如表1 所示。可以看出，在參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）相同的情況下，300 m 低空的信號與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）值比地面的差10 dB。此外，如以5%占比的RSRP 為例，地面RSRP -92 dBm 對應的SINR 值是8 dB，但在300 m 高度，RSRP -92 dBm對應的SINR 值是-2 dB，也就說幾乎無法正常使用5G 通信。表1 中，SSB 為同步信號塊（Synchronization Signal Block）。

表1 300 m 低空陸地移動通信網5G 測試數據

經測試，無人機用戶信號質量（即低空信號質量），相對于地面用戶信號質量惡化嚴重，對比情況見圖2。

圖2 無人機用戶相對地面用戶信號質量對比

另外，如圖3 顯示的是基于地面不同高度的最強接收功率的小區關聯模式，相同顏色覆蓋的區域表明該區域內的無人機與基站小區相關聯（無人機可接入同顏色基站小區）。可以看出，小區關聯模式會隨高度的變化發生顯著變化。理想情況下，地面上的小區關聯模式是一個很好界定的連續區域，在該區域內最好的小區通常是最靠近無人機的小區，但隨高度的增大，天線旁瓣開始出現，信號最好的小區可能不再是最靠近無人機的小區，在這種特殊情況下，無人機與小區的關聯模式變得碎片化，導致鄰區關系復雜，難以有序優化。

圖3 不同高度的小區關聯

綜合工作實踐與移動測試數據總結：距離地面越高，無線信號越雜亂，信號質量越差，最終導致無法滿足用戶低空無線網絡覆蓋需求，包括300 m以下的部分區域。

1.3 現有無人機組網能力的不足

在現有條件下，存在使用無人機或懸停在空中的熱氣球來組網的方案，但該方案并不具備長時間（滿足通信要求的時長）停留空中持續通信的能力，只能在較短時間內滿足一定程度的通信要求。因此，建議該方案用于應急、局部短時間補熱或局部補盲的場景。

總之，低空空域的無線通信仍需要通過地面站點的建設來滿足。

1.4 現有無人機通信能力的不足

目前無人機常使用的無線通信方式主要有以下4 種：

（1）無線電通信：無人機系統規劃840.5～845 MHz、1 430～1 444 MHz 和2 408～2 440 MHz 頻段[6]，其通信距離一般在15～30 km之間，廣泛應用于軍警、植保、航測等工業無人機。

（2）Wi-Fi 通信：頻段一般為2.4 GHz 或5 GHz，最遠通信距離為2 km。

（3）陸地移動通信網：在一定高度時，陸地移動通信網使用非常困難。

（4）衛星通信：主要用于軍事或特殊需求場景。

顯而易見，上述方案僅能滿足較低通信能力的要求，并不具備未來低空空域要求的高帶寬、低時延等能力。

2 無線網絡規劃方案

2.1 高度需求及規劃

2016 年國務院下發了《關于促進通用航空業的指導意見》，其中明確定義了3 000 m 以下空域為低空空域。因此，低空空域專網覆蓋垂直高度為300～3 000 m 的區域[7]。此處，空域無線專網高度最小值暫時設置為300 m，具體高度根據各地無線網絡的實際情況進行調整。水平方向的覆蓋可以根據飛行需求逐步規劃建設。

2.2 無線鏈路預算

自由空間損耗是指電磁波在傳輸路徑中的衰落，其計算公式為[3]：

式中：Lbf為自由空間損耗，單位為dB；D為距離，單位為km；F為頻率，單位為MHz。

條件1：D=3 km，F=700 MHz

計算結果：

條件2：D=3 km，F=4 900 MHz

計算結果：

結合移動通信設備載波發射功率實際情況，按照20 W 計算，考慮一些饋線接頭等損耗，在3 000 m 空域邊緣仍能滿足覆蓋需求。

2.3 無線覆蓋規劃

2.3.1 天線的布放

傳統移動通信網絡（宏站）通常采用由高處向下覆蓋的方式，低空空域則規劃為由地面、樓頂、鐵塔等位置射向天空覆蓋的方式，并要求天線周邊無遮擋，具體如圖4 所示。

圖4 低空空域專網單天線覆蓋結構

2.3.2 網絡覆蓋的變化

傳統移動通信網絡又稱為移動蜂窩通信網絡，這是因為其理想覆蓋范圍為蜂窩狀，且以“面”的覆蓋為主，如圖5 所示。

圖5 蜂窩網絡

考慮低空空域覆蓋需求的特殊性，需要網絡由“面”的覆蓋演進為“立體”的覆蓋，即把“蜂窩”式覆蓋演進為“蓮蓬”式覆蓋，從地面射向低空。蓮蓬網絡的結構如圖6 所示。

圖6 蓮蓬網絡

2.3.3 單小區無線輻射圖

單小區理想立體輻射圖如圖7 所示。該輻射圖可分別由方案1（見圖8）、方案2（見圖10）所示的天線組網方式“拼接”并輻射向低空而近似得到。

圖7 單天線理想立體輻射圖

（1）方案一：3 點式

如圖8 所示，該方案由地面上3 個天線組成“正三角形”，共同輻射向低空，而構成一個近似單小區理想輻射圖。

圖8 3 天線單小區輻射圖

利用3 點式安裝單天線的方法組合出“正三角柱輻射圖”，再由這些“正三角”規劃出整體網絡規劃方案，輻射平面如圖9 所示，圖中數字代表不同小區，顏色代表不同頻點。

圖9 正三角柱輻射平面

該方案僅支持異頻組網，至少需要兩個頻點，同頻組網無法規避模3 干擾問題。

（2）方案二：4 點式

如圖10所示，該方案由地面上4個天線組成“正方形”，共同輻射向低空，從而構成一個近似單小區理想輻射圖。

利用4 點式安裝單天線的方法組合出“正方形柱輻射圖”，再由這些“正方形”規劃出整體網絡規劃方案，輻射平面如圖11 所示，圖中數字代表不同小區，顏色代表不同頻點。

圖11 正方形柱輻射平面

該方案僅支持異頻組網，至少需要兩個頻點，同頻組網無法規避模3 干擾問題。當然頻點應該足夠充裕，并且多多益善。

由于5G 基本采用有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU），因此上述“輻射立體圖”可以通過N個5G AAU 合并的方式解決，且波束寬度符合要求。當然如果仍然采用天線和射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）分離且天線各個參數單獨可調的建設形式，則能更好地滿足網絡需求。

需要注意的是，如圖12 所示，上述立體圖需要格外注意靠近地面側的覆蓋空洞和靠近3 000 m空域側的信號雜亂問題。覆蓋空洞可以通過其他異頻頻點進行補盲，信號雜亂需要嚴格的波束控制。天線輻射波形波束的控制、站址的規劃選取、立體優化思維的建立是提升網絡質量的關鍵因素。

圖12 輻射柱垂直面

2.4 無線容量規劃

目前移動通信要求單小區容量：空閑終端 1 200 用戶，可同時激活400 用戶，考慮用戶感知及業務需求，建議單小區不超過250 用戶。具體容量需要根據行業需求進行規劃，尤其是通感一體化的感知導致的帶寬需求需要同步規劃。該業務模型有待建立。

2.5 無線網絡制式的選取

網絡制式的選取，主要從以下幾個方面考慮：

（1）業務帶寬需求。頻分雙工（Frequency Division Duplexing，FDD）制式下行帶寬大、上行帶寬小，即下行速率遠高于上行。但空域網絡上行業務速率需求要大于下行，因此FDD 制式速率與業務需求存在一定矛盾。時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）制式上下行子幀配比可靈活調整，可設置成與業務需求帶寬比例相一致的情況。

（2）大氣波導干擾。FDD制式不存在大氣波導，而TDD 制式存在大氣波導。大氣波導產生的條件如下：在一定的氣象條件下，在大氣邊界層尤其近地層中傳播的電磁波受大氣折射的影響，其傳播軌跡彎向地面，當曲率超過地球表面曲率時，電磁波會部分地被陷獲在一定厚度的大氣薄層內，就像電磁波在金屬波導管中傳播一樣，這種現象稱為電磁波的大氣波導傳播。大氣波導現象能使TDD 長期演進技術（TDD Long Term Evolution，TD-LTE）的下行無線信號傳播很遠（水平方向），因此傳播距離超過TD-LTE 系統上下行保護時隙（Guard Period，GP）的保護距離，導致這種遠端TD-LTE 下行無線信號干擾到本地TD-LTE 上行無線信號[8]。空域專網由于規劃天線輻射圖幾乎垂直輻射向天空，因此相較于陸地TDD 制式移動通信，更不容易產生大氣波導，且實踐檢驗證明TDD 制式下F 頻段比D頻段更不易產生大氣波導。

（3）感知需求。感知需要同時且連續地發送和接收數據，這樣才能滿足高質量的感知需求。TDD 制式無法做到同時收發，FDD 可以實現上行和下行同時收發[9]，但如上文所述，上行帶寬較低，理想的雙工方式有待提升。

綜合考慮起步階段的業務需求，建議目前使用TDD 制式。

2.6 無線頻率規劃

無線信道容易受到外界干擾，比如頻率越高的系統受降雨的影響更大（雨衰大）。為了充分保證空域通信的及時性、穩定性，建議選取干擾小、覆蓋好的頻段。例如，最近有報道表示，中國移動或在2025 年徹底退出全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）網絡。那么移動退出的900 MHz 頻段、廣電的700 MHz 頻段或TDD 的F 頻段則可以考慮用來完成空域專網的主體覆蓋，4.9 GHz 用來補盲。后續，隨著空域容量的增加再逐步增加更多頻段。對于陸地通信網容量的需求，可以利用剩余頻段并加大頻率復用度的方式進行解決。另外，6 GHz 的逐步增加也必將豐富陸地移動通信的頻譜資源。

3 無線網絡優化方案

首先，建立立體優化的思維，將傳統的平面網絡優化轉向立體空間的優化。

優化主體方案如下：

（1）切換優化。陸地移動通信系統與空域專網通信系統建立雙向切換鄰區，同時開啟基于距離的切換，也就是高度達到一定程度時再進行切換。由高到低的切換會增加切換難度，為避免乒乓切換，同時開啟基于鏈路質量的遷移和切換。另外，優化相關參數控制切換快速完成，且鄰區精簡，僅互加無線相鄰鄰區。

（2）空域專網開啟高速遷入、低速遷出的特性，減少陸地移動通信系統中較高樓層用戶等對空域專網的入侵，也減小空域專網用戶占用陸地移動通信系統信號帶來的影響。

（3）同柱狀輻射圖涉及的AAU 和天線合并為同一小區，避免他們之間的切換和干擾，提升信號質量。

（4）高速的低空飛行會導致多普勒效應，需要開啟多普勒頻偏補償等特性。

（5）開啟預調度等功能，減小時延。

（6）通過32T32R 與64T64R AAU 的信號測試對比可以知道，在開闊區域兩者的測試效果差異不大，主要原因是在開闊區域無法形成有效的多數據流[3]，而空域環境更加缺少產生多數據流的條件。因此，可以通過在地面不同位置分別布放天線來制造多數據流條件。另外，蓮蓬式組網、各站點的聯合調度、超大規模天線與智能反射面（Intelligent Reflecting Surface，IRS）的應用也可以很好地解決這個問題，這些都給無線網絡優化提出了新的要求與挑戰。

（7）5G 日常優化關注指標如表2 所示。

表2 日常優化無線指標

4 無線立體網絡及飛行管理

低空空域網絡涉及飛行器的管理平臺和通信網絡的管理平臺的聯動問題。

首先，通信網絡管理平臺除提供傳統網絡管理平臺功能，還要給出通信網絡的垂直高度與水平寬度，這樣飛行器就可以在通信網內開展相關業務。低空空域的網絡建設會隨著空域網絡的需求和建設逐步加大。當網絡出現異常時，例如告警，可通信區域也會隨時給出新的動態調整或預警，這些信息都會及時地同步到飛行器管理平臺，便于安排相關業務。

其次，飛行器管理平臺則采取類似Flightradar 24 網站（平臺）的方式，參照通信網絡的可用區域進行管理。該平臺通過廣播式自動相關監視系統（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）能夠自動記錄飛機的精確位置、速度、高度等數據，并以1 090 MHz、0.5 s 一次的頻率對外發送。周圍幾百千米內的任意一臺ADS-B 接收設備在接收后，都可以解析為可視化的圖像[10]。由此可知，低空飛行器可以參照類似具有ADS-B 功能的Flightradar24 網站（平臺）的方式進行管理，避免黑飛、亂飛。

5 結語

隨著低空領域的逐步開放和5G、6G 行業應用的發展與成熟，低空5G、6G 專網通信必將擁有強勁的需求；但是現有陸地移動通信網、衛星通信網等，無法滿足應用需求。因此，可以通過這次探討的低空無線立體通信方案提前布局低空空域的無線網絡建設，彌補該空間的網絡空白，滿足廣大用戶或行業的需求，進而跨出穩健的第一步，這具有一定的戰略意義。正所謂“要致富，先修路”，提前把這條“路”修好尤為重要。