5G/5G-A技術(shù)在低空專網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

摘要：本文以5G/5G-A技術(shù)在低空通信和感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，分析了低空專網(wǎng)建設(shè)存在的問題、解決方案及技術(shù)要求，闡述了5G/5G-A技術(shù)在低空通信中的應(yīng)用優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：低空經(jīng)濟(jì)；5G/5G-A技術(shù)；無人機(jī)應(yīng)用；專網(wǎng)建設(shè)

一、引言

2021年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，提出“發(fā)展交通運(yùn)輸平臺(tái)經(jīng)濟(jì)、樞紐經(jīng)濟(jì)、通道經(jīng)濟(jì)、低空經(jīng)濟(jì)”。這是“低空經(jīng)濟(jì)”概念首次寫入國家規(guī)劃，標(biāo)志著低空經(jīng)濟(jì)成為“十四五”時(shí)期新興經(jīng)濟(jì)形態(tài)。2023年5月，國務(wù)院和中央軍委聯(lián)合發(fā)布《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》，針對(duì)無人航空器相關(guān)活動(dòng)進(jìn)行了規(guī)范，將促進(jìn)低空經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步繁榮。同時(shí)，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)作為低空經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，目前處于蓬勃發(fā)展之中，預(yù)計(jì)2025年我國無人機(jī)市場總規(guī)模將達(dá)到1500億元。綜上所述，低空經(jīng)濟(jì)將越來越重要，故本文針對(duì)低空網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)行介紹。

二、低空概念

根據(jù)官方定義，低空空域是指距正下方地平面垂直距離在1000米以內(nèi)的空域，根據(jù)不同地區(qū)特點(diǎn)和實(shí)際需要可延伸至3000米。低空經(jīng)濟(jì)是指依托于低空空域，以有人駕駛和無人駕駛航空器的低空飛行活動(dòng)為牽引，輻射帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟(jì)形態(tài)，廣泛體現(xiàn)于各類產(chǎn)業(yè)形態(tài)中，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、加強(qiáng)社會(huì)保障、服務(wù)國防事業(yè)等方面發(fā)揮著日益重要的作用。低空專網(wǎng)是指專門為無人機(jī)應(yīng)用而建設(shè)對(duì)空覆蓋的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)低空空域的立體覆蓋，專網(wǎng)與地面公網(wǎng)隔離開，對(duì)地面公網(wǎng)業(yè)務(wù)不產(chǎn)生干擾。

三、5G/5G-A低空專網(wǎng)技術(shù)要求

隨著無人機(jī)市場的興起，無人機(jī)在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)豐富，無人機(jī)與5G/5G-A技術(shù)的結(jié)合正成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，從應(yīng)用場景到通信需求，從終端通信能力到無線技術(shù)創(chuàng)新，5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)基本成熟。

（一）交通物流

利用5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的空中平臺(tái)優(yōu)勢，搭載高清相機(jī)、喊話器，可以實(shí)現(xiàn)交通管理中心的實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)一指揮，遠(yuǎn)程管理警情現(xiàn)場，并進(jìn)行現(xiàn)場勘查及證據(jù)收集。在物流運(yùn)輸領(lǐng)域，建立城市空運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)空中定點(diǎn)配送，使配送距離遠(yuǎn)、配送時(shí)間更短。

（二）農(nóng)業(yè)植保

5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)云平臺(tái)可以根據(jù)播種施肥需求規(guī)劃最佳作業(yè)航線，遠(yuǎn)程控制網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)播種、施肥。通過5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)遙感技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測區(qū)域作物長勢信息、土地肥力。構(gòu)建作物長勢分析智能模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧食作物產(chǎn)量、養(yǎng)分、病蟲害等關(guān)鍵信息的精準(zhǔn)預(yù)測。

（三）安防巡檢

5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)在公共安全和巡檢領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，包括但不限于犯罪偵查、反恐行動(dòng)、電力線路檢查、治安監(jiān)控以及環(huán)境監(jiān)測等。在緊急情況下，5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)能夠迅速抵達(dá)現(xiàn)場替代人力進(jìn)行初步響應(yīng)，回傳現(xiàn)場實(shí)時(shí)情況，為指揮人員決策提供依據(jù)。通過采用自動(dòng)缺陷識(shí)別技術(shù)和高清晰度圖像采集技術(shù)，并結(jié)合5G/5G-A網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)鐵塔的精確檢查。

（四）地理測繪

5G網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)應(yīng)用于測繪領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃線路的超視距作業(yè)?；?G邊緣云的數(shù)據(jù)計(jì)算處理能力，可以在極短時(shí)間內(nèi)完成地圖數(shù)據(jù)的捕獲、傳輸、拼接、校正和上傳等步驟，將測繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)景矢量地圖，從而實(shí)現(xiàn)精確的三維建模。

（五）視頻直播

無人機(jī)視頻直播可以突破傳統(tǒng)空間限制，提供更加氣勢磅礴的畫面，展示完全不同的直播視角。通過5G/5G-A網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)傳輸4K直播視頻，直播畫面可以廣泛應(yīng)用于文化旅游、影視航拍等領(lǐng)域。

（六）應(yīng)急救援

以城市5G/5G-A蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋為基礎(chǔ)，可以打造城市網(wǎng)格化立體消防救援應(yīng)用體系。將城市區(qū)域劃分為多個(gè)網(wǎng)格，在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)部署一個(gè)無人機(jī)快速反應(yīng)站，消防總站可以通過5G/5G-A網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場高清圖像，并對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，輔助消防人員在火情初期控制火勢蔓延。

（七）編隊(duì)飛行

無人機(jī)除了單機(jī)應(yīng)用外，多機(jī)編隊(duì)也開始出現(xiàn)。在自主編隊(duì)的無人機(jī)隊(duì)中，多架飛機(jī)根據(jù)飛行任務(wù)和周圍的飛機(jī)狀態(tài)能夠自主調(diào)整飛行任務(wù)。無人機(jī)編隊(duì)飛行對(duì)于大連接、低時(shí)延、大帶寬等網(wǎng)絡(luò)特性都有了明確需求，網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)加密等網(wǎng)絡(luò)安全要求也日益提高。無人機(jī)的通信需求因其應(yīng)用場景的不同而有所差異，包括數(shù)據(jù)鏈路和控制鏈路的時(shí)延、數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋高度和定位能力等。這些需求為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、部署和性能提升提供了重要的參考指導(dǎo)。不同行業(yè)無人機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的需求如表所示：

因此，構(gòu)建低空通信和感知專網(wǎng)的建設(shè)需滿足以下需求：

1.通信穩(wěn)定性：為了保證低空飛行器的安全和穩(wěn)定，通信網(wǎng)絡(luò)需要具備高穩(wěn)定性和可靠性。

2.感知精確性：感知網(wǎng)絡(luò)需要具備高精度的感知能力，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位和導(dǎo)航。

3.抗干擾能力：由于低空環(huán)境復(fù)雜，存在多種干擾源，因此通信和感知網(wǎng)絡(luò)需要具備強(qiáng)大的抗干擾能力。

4.安全性：網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要充分考慮安全性，確保數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的安全性。

四、低空專網(wǎng)建設(shè)難點(diǎn)及解決方案

5G/5G-A技術(shù)具有高速度、大容量、低時(shí)延等特點(diǎn)，可以提供高效的無線通信和更精確的定位服務(wù)，體現(xiàn)在以下方面：

1.提高通信速度和可靠性：5G/5G-A技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的傳輸時(shí)延，能夠滿足低空飛行器對(duì)高速、高可靠性的通信需求。

2.支持大量連接：5G/5G-A技術(shù)具備支持大量設(shè)備同時(shí)連接的能力，可以實(shí)現(xiàn)大量低空飛行器的實(shí)時(shí)通信和感知。

3.優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋：5G/5G-A技術(shù)可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，確保低空飛行器在各種環(huán)境下都能獲得穩(wěn)定的通信和感知服務(wù)?；?G/5G-A技術(shù)的低空專網(wǎng)可以有效滿足各類無人機(jī)應(yīng)用場景對(duì)通信能力的要求。

基于5G/5G-A技術(shù)低空專網(wǎng)為大規(guī)模、高密度、高頻次和高復(fù)雜性的飛行提供了基礎(chǔ)設(shè)施，能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的飛行環(huán)境和通信要求。但是也存在一些建設(shè)難點(diǎn)，具體如下所示：

（一）信號(hào)覆蓋問題

信號(hào)覆蓋問題可以歸納為兩類問題：一類是信號(hào)覆蓋水平低，表現(xiàn)為信號(hào)弱或完全沒有信號(hào)；另一類則是信號(hào)覆蓋雖然存在，但受到的干擾過強(qiáng)，導(dǎo)致信噪比（SINR）降低，影響數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于第一類問題，通常是因?yàn)榛窘ㄔO(shè)不足或者頻率覆蓋距離不夠引起，比如無人機(jī)的飛行路徑上2.6G/3.5G基站較少，可能需要通過增加基站來提升覆蓋，而對(duì)于飛行高度超出2.6G/3.5G覆蓋范圍的情況，考慮使用4.9G或毫米波（mmWave）頻段進(jìn)行補(bǔ)充覆蓋，并調(diào)整天線的傾斜角度，以實(shí)現(xiàn)在低空區(qū)域的垂直覆蓋。

針對(duì)第二類由于強(qiáng)干擾導(dǎo)致的信號(hào)問題，可以采取以下策略來減少干擾：一是通過協(xié)調(diào)鄰近基站的頻譜使用情況來降低小區(qū)邊緣的干擾，尤其是在小區(qū)邊緣用戶受干擾最為嚴(yán)重的情況下。例如通過調(diào)整基站發(fā)射功率、時(shí)頻資源分配等，減少干擾。二是過定向天線技術(shù)，使基站的信號(hào)更加集中指向特定的用戶方向。這樣可以降低非目標(biāo)方向上的信號(hào)干擾，提高信號(hào)質(zhì)量和SINR。Massive MIMO天線技術(shù)可以通過波束賦形有效地減少鄰近用戶之間的干擾。

（二）上下行容量問題

目前，無人機(jī)在視頻回傳方面的應(yīng)用并不需要很高的下行鏈路速率，因此容量問題尚未顯現(xiàn)。但考慮到未來無人機(jī)數(shù)量的增長以及地面用戶數(shù)據(jù)需求的上升，小區(qū)的下行鏈路容量可能會(huì)受到挑戰(zhàn)。相較于4G，5G/5G-A在帶寬（如從20M提升到100M）和編碼方式上進(jìn)行了提升（從256QAM到1024QAM），確保容量大幅提升，而且當(dāng)負(fù)載較高情況下（2C與2B共一張無線網(wǎng)），可以采用切片方式保障2B下行業(yè)務(wù)需求。無人機(jī)在通信業(yè)務(wù)中通常表現(xiàn)出上下行速率的不對(duì)稱性。無人機(jī)的上行鏈路速率需求可能從幾兆每秒到上百兆每秒不等，并且隨著高清視頻回傳需求的提高，蜂窩網(wǎng)絡(luò)在支持無人機(jī)上行鏈路容量方面可能會(huì)面臨挑戰(zhàn)。此外，無人機(jī)上行鏈路可能產(chǎn)生的干擾問題也需要被考慮。為了增強(qiáng)上行鏈路容量，可以采用Massive MIMO、上行載波聚合、上行鏈路補(bǔ)充上行載波、雙連接等技術(shù)。

（三）傳輸時(shí)延問題

無人機(jī)的指揮與控制（Camp;C）數(shù)據(jù)傳輸需要快速的響應(yīng)時(shí)間，高清視頻回傳同樣需要低時(shí)延。為了減少無人機(jī)傳輸?shù)臅r(shí)延，可以采用如下方法：

1.通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署計(jì)算資源，無人機(jī)的指揮與控制數(shù)據(jù)可以在靠近終端的MEC服務(wù)器上處理，從而減少傳輸路徑中的延遲。MEC能夠本地化處理無人機(jī)視頻流的數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)反饋，避免經(jīng)過核心網(wǎng)進(jìn)行傳輸，顯著降低時(shí)延。

2.網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠?yàn)闊o人機(jī)的指揮與控制、視頻回傳等不同業(yè)務(wù)需求提供專用的網(wǎng)絡(luò)資源。通過為低時(shí)延、高可靠的無人機(jī)應(yīng)用定制專屬的網(wǎng)絡(luò)切片，可以確保指揮控制信號(hào)的快速傳輸，并減少視頻流的傳輸延遲，優(yōu)化通信質(zhì)量。

3.URLLC技術(shù)為低時(shí)延和高可靠性設(shè)計(jì)，特別適用于無人機(jī)的指揮與控制數(shù)據(jù)傳輸。采用URLLC，可以保障極低的傳輸時(shí)延（lt;1ms）和高達(dá)99.999%的可靠性，確保無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中的實(shí)時(shí)控制能力不受影響。

4.通過智能動(dòng)態(tài)資源調(diào)度和頻譜管理，5G/5G-A網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)無人機(jī)的實(shí)時(shí)需求為其分配更多帶寬和優(yōu)先級(jí)資源，減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的排隊(duì)時(shí)延。智能調(diào)度算法可以識(shí)別無人機(jī)數(shù)據(jù)的時(shí)延敏感性，給予傳輸優(yōu)先級(jí)。

（四）可靠性問題

為了確保無人機(jī)的飛行安全，指揮與控制（Camp;C）數(shù)據(jù)傳輸必須具備高度的可靠性，可以通過以下方式增強(qiáng)其可靠性：

1.設(shè)備內(nèi)部采用主備單板設(shè)計(jì)。

2.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的接口具備主備連接能力。

3.采用雙網(wǎng)冗余配置，通過在不同頻率上部署A網(wǎng)和B網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余。

五、結(jié)束語

5G/5G-A技術(shù)具有的高速度、大容量、低時(shí)延等特點(diǎn)，可以解決低空通信和感知網(wǎng)絡(luò)面臨的問題。此外，5G/5G-A技術(shù)的抗干擾能力和安全性也為其在低空通信和感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的應(yīng)用提供了有力保障，5G/5G-A技術(shù)完全能夠滿足低空通信和感知網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求。

但隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和低空經(jīng)濟(jì)的不斷壯大，也必須認(rèn)識(shí)到在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。首先，盡管5G/5G-A技術(shù)在低空通信和感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中具有巨大潛力，但考慮隨著無人機(jī)應(yīng)用場景的不斷拓展和多樣化，對(duì)低空通信和感知網(wǎng)絡(luò)的需求也將更加多樣化和個(gè)性化。因此，需要進(jìn)一步制定靈活、可定制的通信方案，以滿足不同行業(yè)、場景下的通信需求。另外，低空專網(wǎng)建設(shè)中還存在安全和隱私保護(hù)挑戰(zhàn)。無人機(jī)作為一種新興航空器，其安全和隱私保護(hù)問題備受關(guān)注。在低空通信和感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，如何保障數(shù)據(jù)的安全傳輸和隱私保護(hù)，將是一個(gè)亟待解決的問題。

展望未來，隨著5G/5G-A技術(shù)的不斷成熟和普及，低空通信和感知網(wǎng)絡(luò)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。未來期待更多基于5G/5G-A技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，例如智能交通、城市管理、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)得到進(jìn)一步拓展。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場景的不斷拓展，也將迎來更加智能化、高效化的低空經(jīng)濟(jì)時(shí)代。因此，需要加強(qiáng)技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定，推動(dòng)低空通信和感知網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)低空經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展和智慧城市建設(shè)做出更多的貢獻(xiàn)。

作者單位：戴鵬 蔡勇 吳爭光 陳清 焦陽 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司深圳市分公司

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