面向低空經濟的無人機通信及標準進展分析

田 園 吳 峰 歐陽俊 王 野

鵬城實驗室 深圳 518055

引言

近年來，低空經濟不斷賦能交通、物流、文旅等產業，為國民經濟發展提供了新動能。低空經濟是以低空空域為依托，以各種有人駕駛和無人駕駛航空器的各類低空飛行活動為牽引，輻射帶動相關領域融合發展的綜合性經濟形態[1]。在這其中，無人駕駛航空器尤其是無人機的應用，正成為不容忽視的趨勢。無人機傳統模式是基于遙控器與無人機的通信，實現視線范圍內的人工操作，未來低空經濟場景下，其趨勢是實現超視線范圍的遠程控制和無人機自主操作。這意味著無人機在數百米高度層中進行飛行時需要高帶寬、低時延，并滿足低空縱深覆蓋的通信服務。新一代移動通信技術，如5G/5G+通信技術，因其具有大帶寬、低時延、抗干擾、廣接入、多波束指向等鮮明特點，正在成為解決這個問題的關鍵[2]，這些通信技術的應用不僅能促進無人機技術成熟和產業鏈完善，也有助于打通應用孤島，為面向低空經濟的數字化服務平臺奠定通信基礎底座。

本文首先描述了低空經濟場景下無人機通信的應用場景，然后從穩定覆蓋、干擾抑制、移動性管理、安全管理等方面探討其面臨的挑戰與應對措施，最后在總結3GPP標準進展的基礎上，對無人機通信在人工智能應用、多無人機協同通信、空天地一體化通信、通感算融合等方面的技術進行展望。

1 面向低空經濟的無人機通信應用場景

無人機與移動通信技術的結合，可以實現設備的監控和管理、航線的規范、效率的提升，促進空域資源的合理利用，從而極大延展無人機的應用領域，具有巨大的經濟價值[3]。新一代蜂窩移動通信網絡5G/5G+為無人機賦予的實時超高清圖傳、遠程低時延控制、永遠在線等重要能力，將加速推進以網絡化、數字化、智能化為特點的低空智能網絡建設[4]。本節針對低空經濟中的無人機通信應用場景進行初步分析，如圖1所示。

圖1 低空經濟應用場景圖

1.1 指揮控制通信

無人駕駛航空系統(Uncrewed Aerial System，UAS)是無人駕駛飛行器(Uncrewed Aerial Vehicle，UAV)和UAV控制器的組合。UAS的通信既包括指揮與控制通信(Command and Control，C2)，也包括UAS組件到服務移動通信網絡和網絡服務器的上下行鏈路數據，如圖2所示。無人機傳統模式是基于遙控器與無人機的通信，實現視線范圍內的人工操作。隨著無人機應用的快速發展，通過移動通信實現超視線范圍的遠程控制已成為無人機應用的通用功能。C2鏈路將無人機飛行控制命令從地面控制站傳送到無人機，也從無人機攜帶遙測數據到控制器以促進有效操作。除了C2直接通信以外，移動通信還支持網絡輔助C2通信和UTM(Uncrewed Aerial System Traffic Management)導航C2通信，前者可在蜂窩網絡與無人機之間以及網絡與無人機控制器之間建立單播C2鏈路，后者被UTM用于監控無人機的飛行狀態、提供飛行路徑更新、跟蹤無人機的導航并在需要時提供飛行導航命令。通過無人機命令和控制通信可以為空中交通管理提供全面、端到端、低時延服務，從而支撐物流、交通等行業的網聯化、實時化、智能化應用。

圖2 3GPP生態系統的UAS模型

1.2 數據傳輸通信

利用無人機的數據傳輸通道，為無人機配備高清攝像頭、各類氣體/溫度/濕度傳感器等，可以提供只能從空中提供的新型服務，并在各個垂直行業得到廣泛應用。主要場景有三類：第一類是利用各類傳感器進行基礎設施檢查，如對輸電線路、輸油管道、基站塔臺、風力發電等基礎設施進行巡檢和檢測；第二類是利用無人機協助收集各類信息，如在農業植保領域對農作物、土地肥力進行數據收集和分析，在地理測繪領域對地圖數據抓取和拼接等[5]；第三類是將無人機與全景VR直播相結合，使得現場視頻體驗成為可能，就像觀眾身臨其境一樣。由于場景和需求不同，這些應用對數據傳輸的帶寬和實時性等性能要求又各有不同。

1.3 輔助接入通信

無人機由于易部署、具有高機動性和懸停能力、維護和部署成本低，既可以作為終端，也可以作為空中無線電接入節點(Radio Access Node on-Board UAV，UxNB)用于擴展蜂窩網絡的覆蓋范圍或增加容量。它可以在自然災害發生后，地面通信設備受到破壞的情況下快速部署，為受災地區的應急救援和日常通信提供基礎保障。除此以外，在體育賽事、大型活動、音樂演出等熱點事件中，蜂窩網絡面臨著極高的通信容量需求，可能會導致網絡服務惡化、呼叫中斷和互聯網連接降級，使用配備小型蜂窩的按需無人機群可以更好地解決這一挑戰。UxNB會飛到需要無線服務的指定區域，在那里盤旋，同時為地面用戶提供無線連接。

2 面向低空經濟的無人機通信挑戰與應對

由于各類無人機的應用場景和服務對象不同，因此不同場景下對帶寬、速率、時延、覆蓋、定位等方面的通信能力需求存在差異。除了需要滿足通信的數據類型和場景需求之外，低空經濟場景下無人機通信服務還需要解決無線通信環境差異帶來的新問題，應對低空無人機設備異構、高密度、高頻次、高安全要求等特性帶來的監管和服務新挑戰，保證監管者對無人機實現“看得見、叫得到、管得住”的有效管控[6]。本節針對無人機通信的關鍵問題，從穩定覆蓋、干擾抑制、移動性管理、安全管理等方面探討低空經濟下無人機通信的挑戰與應對。

2.1 穩定覆蓋

面向低空經濟的無人機通信，因為天線零位問題存在覆蓋能力差、穩定覆蓋難的問題。定向天線有多個旁瓣，通過零位互相分開，在旁瓣之間的天線零位存在覆蓋盲區。由于地面蜂窩網絡基礎設施天線傾角向下，導致低空無人機處于天線零位區域時無信號覆蓋，若被其他小區的旁瓣覆蓋則可能發生切換，或因信號強度突降導致鏈路故障[7]。可以通過站點協同組網規劃、調整天線布放和參數配置、高效波束掃描和跟蹤等手段解決這些問題。也可以通過空天地一體化組網，利用NTN網絡的補充實現低空無人機通信的持續、穩定覆蓋。

2.2 干擾抑制

相比地面蜂窩網絡，低空無人機通信面臨更大的干擾問題，如圖3所示。當無人機飛行高度高于天線高度時，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，同時亦會探測到來自更多站點的下行信號。無人機在空中收到大量鄰區，鄰區數量超過十幾個，導致平均SINR下降。低空無人機主要由基站天線的旁瓣提供服務，而地面用戶主要由主瓣提供服務，由此導致無人機對地面用戶的干擾和地面用戶對無人機的干擾程度各有不同[8]。

圖3 無人機通信可能的上下行干擾問題

有多種方案可以解決干擾的探測和抑制問題，如RSRP(Reference Signal Reference Power)是用來指示給定小區信號強度的主要測量參數，空中UE看到來自不同小區的多個RSRP值接近等強，因此，可以通過增強現有的測量報告機制更好地實現干擾檢測。基于UE的信息如移動歷史報告、速度估計、時間提前調整值和位置信息也可以被網絡用來輔助干擾檢測。干擾抑制方面，MIMO波束賦形可以最大限度地減少小區間干擾和空地干擾，CoMP技術可以交換檢測到的上行鏈路干擾信息，使得提供服務的基站知道鄰近節點是否正在經歷來自它所提供服務的特定UE的干擾，從而限制該UE的上行鏈路調度。上行干擾則可以通過對空中和地面終端的開環和閉環功率控制，以及考慮無人機和終端位置的新調度、準入和擁塞控制機制來進一步控制。總體而言，一兩架無人機不會對蜂窩網絡造成較大影響，但是如果一個區域內無人機數量增加則會存在干擾增加的風險，因此空中—地面UE共存機制需要根據UE和基站功能以及蜂窩連接無人機的密度來設計。

2.3 移動性管理

無人機在移動過程中因頻繁進出零位區域導致小區出現頻繁切換，切換失敗和掉線次數比地面高出2～5倍。無人機移動性問題在不同部署場景下影響不同，和農村地區相比，更密集的城市地區由于信號波動和干擾，移動性問題(如切換失敗、RLF、切換中斷、呼出時間等)更加突出。切換過程增強可以提高移動性性能，如：基于位置信息、UE的空中狀態、飛行路徑計劃等信息，提高空中UE的移交程序和相關參數；通過定義新事件、增強觸發條件、控制度量報告數量等增強度量報告機制[9]。此外，干擾管理中列出的DL和UL干擾緩解技術也可以改善空中UE的移動性能。

2.4 安全管理

對無人機進行準確的識別跟蹤是低空經濟管理中實現“看的見”要素的基本要求。移動蜂窩網絡應該提供一種驗證UAV位置的方法，網絡還應該能夠提供UE身份和其他與飛行相關的信息[10]。空中節點容易受到攻擊，例如未經授權的訪問和控制，竊聽無人機和地面控制站之間傳輸的數據，干擾GPS信號或無人機通信鏈路，以及位置和身份欺騙攻擊。因此，提供安全可靠的無線鏈路以及不同級別的完整性和隱私保護機制是必須予以支持的。

3 面向低空經濟的無人機通信標準進展及技術展望

3GPP從2017年至今一直針對無人機通信技術開展標準化工作，如圖4所示。然而，實現面向低空經濟的無人機通信仍面臨著一系列挑戰需要進一步探索和研究。本節我們先對無人機通信的標準進展進行回顧，然后從人工智能應用、多無人機協同通信、空天地一體化通信以及通感算融合應用等方面展開討論，為面向低空經濟的無人機通信創新和發展提供參考。

圖4 3GPP UAV標準化過程

3.1 標準進展

3GPP對低空無人機通信支持的正式研究最早可追溯到2017年3GPP RAN#75會議上，“增強飛行器支持研究”項目(SI)獲得批準。基于此研究項目，R15完成技術報告TR 36.777[9]，報告確定了LTE在干擾檢測、上下行干擾抑制、移動性管理等方面的功能增強，以優化無人機服務時的網絡性能。從R16到R17，3GPP先后輸出了TS 22.125和TR 22.829，前者規定了通過3GPP網絡提供無人機服務的要求，后者描述了支持無人機應用的若干用例，明確了潛在的服務水平要求和關鍵指標定義[11]。進一步地，3GPP針對無人機通信在識別跟蹤、應用管理和安全管理三個方面做了更深入的研究，相繼輸出了TR 22.825[12]、TR23.754[13]、TR23.755[14]和TR 33.854[15]等研究報告。

目前R18和R19的標準化工作正在進行中，除了在識別跟蹤、應用管理和安全管理進一步深入和增強以外，R18新增了NR支持無人機的工作項(WI)，計劃在測量報告(RAN2)功能增強、指定信令以支持基于訂閱的空中終端識別、指定NR PC5中對UAV識別廣播(BRID)的支持、研究UE信令以指示無人機波束賦形能力等方面展開研究[16]；R19針對通信網絡支持無人機運營和管理的能力空白，計劃輸出TR 22.843給出改進5G系統對UAV應用、UAV運營和管理的潛在支持需求[17]。

3.2 技術展望

3.2.1 人工智能的應用

人工智能在服務低空經濟無人機通信中的應用預計主要集中在數據處理和決策機制兩個方面。首先在數據處理方面，無人機的傳感器和攝像頭獲取到的數據包含豐富的環境信息，如低空經濟區域高精度三維地面地形數據、實時圖片、實時視頻等，而人工智能算法能夠從中提取有用的特征和模式。例如，通過圖像識別和目標檢測，無人機可以實現對地面目標的自動識別和跟蹤，從而提供更精確的信息。此外，人工智能還能夠對數據進行預處理和壓縮，減少數據傳輸的帶寬需求。其次，在決策機制方面，通過結合強化學習和規劃算法，無人機可以實現智能感知和自主決策能力，如控制飛行軌跡、避障和資源分配等[18]。人工智能的決策機制使得無人機能夠在復雜的環境中做出準確、靈活的決策，提高通信系統的效率和魯棒性。通過人工智能的數據處理和決策機制，無人機能夠實現對環境的智能感知和自主決策，提高通信系統的性能和智能化水平。

3.2.2 多無人機協同通信

多無人機協同通信在低空經濟中將扮演關鍵角色。以快遞行業為例，快遞公司可以迅速釋放大量無人機并行遞送多個包裹。在這一過程中，控制中心根據配送信息規劃所需的無人機數量和運輸路線，對集群無人機進行控制和監控。無人機通過通信服務支持無人機群之間的消息傳輸，或者在短距離區域內廣播身份數據以避免碰撞和沖突。這種高效的通信機制使得無人機能夠智能地協同工作，為無人機團隊建立“互幫互助”的關系[19]，提高運輸效率和安全性。多無人機機群通信不僅在快遞行業有應用，還可以擴展到其他低空經濟領域。在城市交通管理中，可以監測和管理交通流量，提供實時的交通信息和熱點、突發路況的詳細報告。農業領域也可以通過無人機的監測和通信能力，實現農田的精準澆灌、施肥等操作。這些場景都需要在空域形成機群，通過智能信道管理、路由規劃、網絡自組織等技術實現多無人機協同通信，交換任務規劃、控制指令、環境傳感等信息，以共同完成工作任務，如圖5所示。多無人機協同通信將進一步推動低空經濟的發展，為人們帶來更加智能和高效的服務體驗。

圖5 服務低空經濟的多無人機協同通信示意圖

3.2.3 空天地一體化通信

空天地一體化是未來通信網絡向6G演進發展的必然趨勢和重要方向，將由地面蜂窩網絡、高軌/低軌衛星網絡、高空平臺通信網絡等多種網絡異構融合組成，具有上述多種網絡各自的優勢，相互補充，極大地提高了網絡服務的覆蓋范圍和服務質量[20]。如圖6所示，對低空經濟無人機而言，在未來空天地一體化通信網絡中，其通信能力將得到大幅拓展和增強：1)覆蓋增強，未來空天地一體化網絡中，在平流層(20～50km)以下，將都會被衛星網絡、高空平臺通信網絡覆蓋，低空無人機作為用戶終端，將實現真正的“永不失聯”；2)業務增強，低軌寬帶衛星網絡和高空平臺通信網絡將給飛行中的無人機提供寬帶無線傳輸，以滿足無人機在開展某些業務的大帶寬需求，例如超高清視頻監控等；3)服務質量增強，空天地一體化網絡實現三維立體空間內大帶寬、低時延、大連接的統一協調分配，可以根據不同應用場景中無人機對通信網絡的需求，將大帶寬需求、低時延需求分配接入到不同平臺的通信子網中，或者進行空天地協同傳輸，同類業務也可以通過QoS實現優先級排列，從而進行網絡資源的統一協調和靈活分配，提高無人機接入網絡的容量和網絡資源的分配效率，增強對大量分布在三維空間中無人機的服務質量[21]。

圖6 服務低空經濟的空天地一體化網絡示意圖

3.2.4 通感算融合

通感算融合技術是一項未來移動通信關鍵使能技術[22]，它實現了多維感知、協作通信和智能計算的深度融合[23]。通過利用地面通信基站的無線信號，不僅可以提供通信功能，還可以類似雷達一樣感知無人機[24]。地面基站具備強大的實時計算能力，能夠獲取無人機的位置、速度、姿態等信息，實現對其運動狀態的實時監測。這種通感算融合有助于完善低空空管體系的建設，確保授權無人機的正常活動，并及時發現、監視未獲授權的無人機活動，為低空經濟的發展提供保障。相較于可見光等感知手段，無線信號感知具有穿透障礙物、覆蓋范圍廣、適應惡劣天氣等優勢。通過無線信號感知，無人機能夠獲取實時、全面的環境信息，包括地形、建筑物、氣象等。這種優勢使得無人機能夠在多種復雜場景下實現更準確的感知，提高任務執行的效率和安全性。通感算融合技術還有望簡化無人機的硬件配置并延長工作時間，通過集成多種傳感器數據，并進行智能計算和決策，可以減少傳感器數量和負載，降低能耗，從而增加無人機的機動性和續航時間。這使得無人機能夠更長時間地執行任務，覆蓋更廣闊的區域。服務低空經濟的通感算融合示意圖如圖7所示。

圖7 服務低空經濟的通感算融合示意圖

4 結束語

當前，低空空域管理政策相繼出臺，無人機行業應用廣泛開展試點驗證，低空經濟已經由啟動狀態轉入加速發展狀態。與此同時，移動通信技術正朝著AI與通信融合、感知與通信融合、空天與地面融合的趨勢發展，可以預見，移動通信+無人機的結合將進一步推動無人機應用向數字化、智能化、服務化方向提升，助力低空經濟快速騰飛。