5G無人機泛低空覆蓋組網關鍵技術研究

摘要：隨著5G行業應用的廣泛拓展，“5G+無人機”的應用也已深入社會治理、經濟發展、服務民生等方方面面。中國電信股份有限公司江蘇分公司嚴格落實國家“十四五”發展戰略中建設“高速泛在、天地一體、云網融合、智能敏捷、綠色低碳、安全可控”的智能化綜合性數字信息基礎設施的要求，充分發揮中國電信云網融合優勢，積極開展5G無人機泛低空覆蓋組網研究，自主打造5G泛低空天地一體化網絡體系，實現5G網聯無人機在“發展低空經濟，提高治理水平，防范重大風險，增強應急能力，服務社會民生”等方面的巨大經濟效益和社會效益。

關鍵詞：5G；無人機；泛低空組網技術

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.03.006

中圖分類號：TN 929.5" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）03-00-04

Research on Key Technologies of 5G UAV's Low Altitude Coverage Networking

FENG Dun， TIAN Ning， LU Qiang， DING Chuang， LIU Shu

（China Telecom Jiangsu Branch， Nanjing 210037， China）

Abstract： With the extensive expansion of the application of 5G industry， the application of \"5G+UAV\" has also gone deep into social governance， economic development， and serving people's livelihood. China Telecom Jiangsu Branch strictly implements the requirements of building an intelligent and comprehensive digital information infrastructure of \"high-speed ubiquitous， heaven and earth integration， cloud network integration， intelligent agility， green and low-carbon， safe and controllable\" in the national development strategy of the 14th Five-Year Plan， gives full play to the advantages of China Telecom's cloud network integration， actively carries out the research on 5G UAV pan-low altitude coverage networking， and independently builds the 5G pan-low altitude sky and earth integration network system， Realize the huge economic and social benefits of 5G Internet-connected UAV in \"developing low-altitude economy， improving governance level， preventing major risks， enhancing emergency response capability， and serving the people's livelihood\".

Key words： 5G; UAV; pan-low altitude networking technology

1" 主要成果

本文主要研究快速利用移動運營商現有的5G站點實現對無人機飛行空域有效覆蓋，取得的成果有：研究并修正了5G空域覆蓋傳播模型和路損，解決了5G波束精準規劃、空地域網絡快速切換、泛低空干擾控制、室外站上行大帶寬四大難題，同時基于中國電信新一代運營架構，實現5G空域資源自主編排，將人工網管操作變成原子能力+規則庫調用，智能敏捷、安全高效、集約開放[1]。

1.1 5G空域覆蓋傳播模型與路損研究與修正

1.1.1 修正空域覆蓋傳播模型

在空域覆蓋中，除了LOS視距傳播，還需考慮地面的反射，即雙射線傳播模型[2]。雙射線模型在接收端將直射路徑和反射路徑相加，得到最后的場強。具體公式為

式中，d單位為km；f單位為MHz；M為修正因子，主要是考慮地面反射信號帶來的影響。根據多次歷史測試數據擬合，在自由空間模型中M初始值設置為6 dB。傳播路徑損耗與傳播距離的關系如圖1所示。

1.1.2 傳播路徑損耗偏置校正

（1）組網頻段。如果頻段與地面大網相同，則需要考慮地面大網的干擾，干擾值約為10～20 dB。

（2）滿足業務需求所需的網絡質量。

（3）傳輸中的各類損耗。

考慮到5G無人機業務需求主要以上傳高清視頻為主，則以上行邊緣速率大于10 Mbps進行擬合，得出RSPR需大于等于-100 dBm。具體不同RSRP與3.5 GHz上行速率關系如圖2所示。

以組網覆蓋率大于等于95%（RSPR大于等于-100 dBm且SINR大于等于0的比例）為例進行上行鏈路預算，得出小區半徑為4.57 km，站間距為6.85 km。具體參數如表1所示。其中，穿透損耗3 dB主要來自無人機機身所帶來的遮擋損耗經驗值；Extra loss是通過仿真軟件對比大量的實測數據與仿真數據而得出的路損預算校正值[2]。

1.2 創新開展5G波束精準規劃

現階段SSB波束的配置主要針對覆蓋地面用戶，無法同時有效覆蓋空域。針對該問題，項目團隊勇于創新，大膽實踐，取得如下成果。

（1）自主實現“三上四下”的SSB波束配置方式。對于華為無線主設備，將原有7波束中的0、2、4、6號4個波束用于覆蓋地面，1、3、5號波束覆蓋空域，整體形成“三上四下”的“梳狀結構”，在保證了地面覆蓋的同時，創新形成空域覆蓋，實現對現網站點“一站兩用”。如圖3所示。

（2）率先采用“1+X”波束配置方案。對于中興無線主設備，1為水平波束（波束個數可為1～6個），X為空域覆蓋所使用的垂直波束（波束個數可為0～3個），具體水平和垂直波束個數可以根據實際情況配置，但兩者波束個數和不超過7個。項目團隊通過對比使用不同水平、垂直波束個數時的覆蓋效果，驗證確定了使用“1+1”寬波束的配置方式實現對空域和地面的同時覆蓋[3]。

（3）創新開展5G SSB波束精準規劃，從波束方位角、俯仰角、水平波寬、垂直波寬以及子波束功率五個方面形成波束調整五元組，根據無人機的飛行高度以及5G空域網絡覆蓋范圍進行5G空波束精準規劃。以俯仰角為例，見圖4。

SSB波束傾角α=atan（（飛行高度H-天饋掛高h）/水平距離R）+機械下傾角" " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

需注意的是，“一站兩用”在將部分波束用于空域覆蓋的同時，需適當加強對地覆蓋波束的功率與波寬，確保對地覆蓋質量不下降。

1.3 實現空地域網絡快速切換

（1）創新配置基于業務的5QI，區別無人機終端和大網用戶[4]。

（2）創新配置基于5QI的互操作參數，實現對不同業務的差異化配置策略?；ゲ僮鲄蛋?.4 GHz、2.1 GHz大網站點與3.5 GHz無人機站點間的重選和切換參數以及針對5QI的不同切換參數等，實現5G無人機業務“易上難下”，即無人機業務可快速占用空域覆蓋網絡，但占用后難以向大網發起切換。

通過基于5QI的互操作參數優化，實現5G無人機泛低空覆蓋網絡與地面5G大網間的虛擬隔離，形成5G無人機泛低空虛擬專網[5]。

1.4 泛低空干擾控制

針對泛低空中信號干擾大的問題，項目團隊創新開展降低干擾研究，取得如下成果。

（1）開展3.5 GHz異頻組網，消除同頻干擾。將泛低空5G站點組網頻率改為3.5 GHz，同時該站點與其他大網3.4 GHz站點進行異頻混合組網。該方案具有投資小、工程周期短和見效快等優點。使用3.5 GHz頻段使得泛低空組網頻率純凈，同時配合本文中介紹的波束設計與規劃方案，極大地提升了5G無人機泛低空網絡覆蓋質量[6]。

（2）規劃SSB波束子索引，降低波束間干擾。對于中興無線主設備創新規劃與錯開對空子波束索引，從時域上降低相鄰站點覆蓋方向相對小區的SSB子波束碰撞概率，從而提高了空域覆蓋SINR，降低干擾。

經在江蘇宿遷現場實測驗證，使用上述降低干擾的方法后，5G SINR從-0.2 dB提升至11.6 dB。

1.5 首創5G室外站時隙干擾規避的無線配置方法，實現5G大上行業務真實落地

在室外場景下應用2D3U的5G大上行業務時，存在以下困難。

（1）上下行時隙配比不對齊導致的時隙干擾。TDD制式中存在固有的下行信號干擾上行信號問題，同時不同于室內場景有建筑物的天然遮擋衰減，室外場景下干擾更明顯。

（2）即使避開同頻部署，即7D3U和2D3U的基站采用異頻部署（各自100 MHz帶寬），現網3.5 GHz頻段設備的200 MHz帶寬內并無顯著濾波截斷，干擾依然存在。

為了滿足5G無人機激光測繪、8K直播等大上行業務應用，本文中首創一種室外場景5G上行大帶寬規避干擾的無線配置方法[7]。

該方法提出基于無人機業務區域、站點間的地理位置、切換關系以及實測數據等，篩選出隔離帶基站和用于大上行業務的無人機站點，再閉鎖隔離帶基站扇區的部分下行時隙（主要為2號時隙，3和7號時隙根據干擾情況關閉），調整隔離帶基站扇區的SSB波束配置、功率以及大上行業務無人機站點的上下行時隙配比和頻率，形成基于SSB波束配置和時隙干擾規避的保護帶策略，促使2D3U的5G大上行業務能真實落地。隔離帶小區的時隙關閉如圖5所示。

該創新成果一方面可有效解決干擾，成效顯著，另一方面時隙閉鎖操作簡單。經在外場實際測試，在損失隔離帶站點下行速率15.5%的情況下，可實現2D3U的5G大上行業務無人機站點上行速率達到500 Mbps以上。

1.6 創新實現5G空域資源自主編排

在中國電信集團有限公司新一代運營架構下，中國電信股份有限公司江蘇分公司創新項目團隊自主完成5G基站資源控制能力解耦、重構，并基于Open-API開放接口，形成5G空域覆蓋等通用原子能力并發布。同時基于編排將5G空域覆蓋核心技術流程化、數字化，建立、完善面向業務的編排規則庫，實現從0到1方案的高效落地，從1到N快速應用、復制。

目前項目團隊已設計17類原子能力，涉及29項資源微粒（一級）、185項資源微粒（二級）。可迅速將5G網絡優勢轉化為市場優勢，做到一天內確認需求，三日內高質量交付。

1.7 自主研發“云、邊、端”系列產品，打造“5G+無人機”領域體系化競爭優勢

為了解決制約無人機業務發展的“飛行靠手動，作業靠眼看”，無自動化作業能力和沒有有效、便捷的監管手段等問題，項目團隊在打造5G泛低空天地一體化網絡基礎上，自主研發“天翼星云”5G網聯無人機管理平臺、“天樞”5G機載終端、“天驛”5G網聯自動方艙，實現基于5G網絡的超遠程飛行控制、云上數據處理、戶外無人值守、實時聯網、隨時出勤、AI識別的立體自動化巡防系統，打造中國電信股份有限公司江蘇分公司在“5G+無人機”領域體系化競爭優勢。主要自主研發的核心能力如下。

（1）“天翼星云”無人機綜合管控平臺：“天翼星云”以“5G+AI”為核心，結合人工智能、天翼云、邊緣計算等關鍵技術，兼容不同機型實現無人機可管可控，構建智慧飛行控制與數據樞紐，帶動云、網、端智能協同。平臺界面如圖6所示。

（2）“天驛”5G網聯自動方艙：實現無人機的戶外無人值守、自動充電、自動降落，全程自動化巡邏和作業。

（3）“天樞”系列5G網聯無人機機載通信終端：實現無人機中低空高速入網，支持在5G和4G網絡下的數傳和圖傳，同時具備基礎AI定制化開發功能，實現機載AI數據處理與智能分析的能力。

2" 驗證與推廣

2.1 成果驗證

以在江蘇省宿遷市組建5G泛低空空域覆蓋為例，在90平方千米的核心城區上，采用3.4 GHz +3.5 GHz單載波混合組網，共使用9個3.5 GHz站點，實現了宿遷核心城區的5G泛低空空域覆蓋。

在組網測試期間共進行了七次飛行測試與調優，5G綜合覆蓋率達到96.1%（RSRP大于等于-100 dBm且SINR大于等于0 dB的比例乘以5G時長占比），5G上行速率均值為123.13 Mbps，5G上行速率大于10 Mbps以上比例為98.96%，PING時延為43 ms。

2.2 推廣應用

目前本項目研究團隊擁有發明專利、軟件著作權等20余項，完成產品檢測認證4項。研究成果已在江蘇率先落地，在公安、應急、交通、水利等6個行業領域，打造了10余個示范標桿，其中宿遷公安5G無人機實戰系統榮獲江蘇省公安廳“5G社會治安立體巡防示范標桿”，駱馬湖禁捕巡視系統榮獲江蘇省農業農村廳“漁政執法創新示范項目”。完成項目收入簽約40余個，簽約金額9 680萬元。

針對廣闊的市場空間，項目已形成多樣化的商業模式，完善的運營服務體系，可高效實現全國各個省份云化部署，服務行業快速發展。

3" 結束語

隨著5G行業應用的廣泛拓展，“5G+無人機”的應用也越來越豐富，無人機以其機動性、靈活性、自適應高度和可快速組網等特點，得到了越來越廣泛的應用。本文以利用運營商現網5G站點為出發點，重點研究5G無人機泛低空組網過程中的關鍵環節與技術，自主打造5G泛低空天地一體化網絡體系，實現5G無人機泛低空網絡快速、高效、敏捷組網和應用推廣?！?/p>

參考文獻

[1] 江凱麗．無人機空地非平穩幾何信道模型及統計特性研究[D]．南京：南京航空航天大學，2019.

[2] 花昀．雙射線傳播模型分析[J]．網絡電信，2007（1）：47-49.

[3] 王曉剛．SSB尋優在5G無線網絡規劃和優化中的應用[J]．網絡優化，2020（8）：21-26.

[4] WANG Lin ZHOU Yi-gang， et al. Mass MIMO 3D Spatial Correlation Channel over Relaxation Detection Algorithm [J].Journal of Harbin University of Technology，1998（3）：167-173.

[5] 于海洋，董石磊，張學智．基于5G網聯無人機的智慧巡防應用研究[J]．電子技術應用，2021（5）：11-13，18.

[6] 羅瑤，羅進．基于5G的無人機智能組網的應急通信技術開發及應用[J]．電子測試，2021（7）：96-97.

[7] 潘子宇．TDD場景下小基站蜂窩網絡上下行交叉干擾建模及性能分析[J]．信號處理，2019（11）：1817-1825.