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(jīng)濟不斷賦能交通、物流、文旅等產(chǎn)業(yè)，為國民經(jīng)濟發(fā)展提供了新動能。低空經(jīng)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(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟形態(tài)[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(tǒng)模式是基于遙控器與無人機的通信，實現(xiàn)視線范圍內(nèi)的人工操作，未來低空經(jīng)濟場景下，其趨勢是實現(xiàn)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(shù)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(shù)，如5G/5G+通信技術(shù)，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(guān)鍵[2]，這些通信技術(shù)的應用不僅能促進無人機技術(shù)成熟和產(chǎn)業(yè)鏈完善，也有助于打通應用孤島，為面向低空經(jīng)濟的數(shù)字化服務平臺奠定通信基礎(chǔ)底座。

本文首先描述了低空經(jīng)濟場景下無人機通信的應用場景，然后從穩(wěn)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(zhàn)與應對措施，最后在總結(jié)3GPP標準進展的基礎(chǔ)上，對無人機通信在人工智能應用、多無人機協(xié)同通信、空天地一體化通信、通感算融合等方面的技術(shù)進行展望。

1 面向低空經(jīng)濟的無人機通信應用場景

無人機與移動通信技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)控和管理、航線的規(guī)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(lǐng)域，具有巨大的經(jīng)濟價值[3]。新一代蜂窩移動通信網(wǎng)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(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化為特點的低空智能網(wǎng)絡建設(shè)[4]。本節(jié)針對低空經(jīng)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(jīng)濟應用場景圖

1.1 指揮控制通信

無人駕駛航空系統(tǒng)(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(wǎng)絡和網(wǎng)絡服務器的上下行鏈路數(shù)據(jù)，如圖2所示。無人機傳統(tǒng)模式是基于遙控器與無人機的通信，實現(xiàn)視線范圍內(nèi)的人工操作。隨著無人機應用的快速發(fā)展，通過移動通信實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)絡與無人機之間以及網(wǎng)絡與無人機控制器之間建立單播C2鏈路，后者被UTM用于監(jiān)控無人機的飛行狀態(tài)、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(yè)的網(wǎng)聯(lián)化、實時化、智能化應用。

圖2 3GPP生態(tài)系統(tǒng)的UAS模型

1.2 數(shù)據(jù)傳輸通信

利用無人機的數(shù)據(jù)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(yè)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(chǔ)設(shè)施檢查，如對輸電線路、輸油管道、基站塔臺、風力發(fā)電等基礎(chǔ)設(shè)施進行巡檢和檢測；第二類是利用無人機協(xié)助收集各類信息，如在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域?qū)r(nóng)作物、土地肥力進行數(shù)據(jù)收集和分析，在地理測繪領(lǐng)域?qū)Φ貓D數(shù)據(jù)抓取和拼接等[5]；第三類是將無人機與全景VR直播相結(jié)合，使得現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捄蛯崟r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(jié)點(Radio Access Node on-Board UAV，UxNB)用于擴展蜂窩網(wǎng)絡的覆蓋范圍或增加容量。它可以在自然災害發(fā)生后，地面通信設(shè)備受到破壞的情況下快速部署，為受災地區(qū)的應急救援和日常通信提供基礎(chǔ)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(wǎng)絡面臨著極高的通信容量需求，可能會導致網(wǎng)絡服務惡化、呼叫中斷和互聯(lián)網(wǎng)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(zhàn)。UxNB會飛到需要無線服務的指定區(qū)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(jīng)濟的無人機通信挑戰(zhàn)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(shù)據(jù)類型和場景需求之外，低空經(jīng)濟場景下無人機通信服務還需要解決無線通信環(huán)境差異帶來的新問題，應對低空無人機設(shè)備異構(gòu)、高密度、高頻次、高安全要求等特性帶來的監(jiān)管和服務新挑戰(zhàn)，保證監(jiān)管者對無人機實現(xiàn)“看得見、叫得到、管得住”的有效管控[6]。本節(jié)針對無人機通信的關(guān)鍵問題，從穩(wěn)定覆蓋、干擾抑制、移動性管理、安全管理等方面探討低空經(jīng)濟下無人機通信的挑戰(zhàn)與應對。

2.1 穩(wěn)定覆蓋

面向低空經(jīng)濟的無人機通信，因為天線零位問題存在覆蓋能力差、穩(wěn)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(qū)。由于地面蜂窩網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施天線傾角向下，導致低空無人機處于天線零位區(qū)域時無信號覆蓋，若被其他小區(qū)的旁瓣覆蓋則可能發(fā)生切換，或因信號強度突降導致鏈路故障[7]?？梢酝ㄟ^站點協(xié)同組網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)整天線布放和參數(shù)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(wǎng)，利用NTN網(wǎng)絡的補充實現(xiàn)低空無人機通信的持續(xù)、穩(wěn)定覆蓋。

2.2 干擾抑制

相比地面蜂窩網(wǎng)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(qū)，鄰區(qū)數(shù)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(qū)信號強度的主要測量參數(shù)，空中UE看到來自不同小區(qū)的多個RSRP值接近等強，因此，可以通過增強現(xiàn)有的測量報告機制更好地實現(xiàn)干擾檢測?；赨E的信息如移動歷史報告、速度估計、時間提前調(diào)整值和位置信息也可以被網(wǎng)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(qū)間干擾和空地干擾，CoMP技術(shù)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(jié)點是否正在經(jīng)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(diào)度。上行干擾則可以通過對空中和地面終端的開環(huán)和閉環(huán)功率控制，以及考慮無人機和終端位置的新調(diào)度、準入和擁塞控制機制來進一步控制?？傮w而言，一兩架無人機不會對蜂窩網(wǎng)絡造成較大影響，但是如果一個區(qū)域內(nèi)無人機數(shù)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(jù)UE和基站功能以及蜂窩連接無人機的密度來設(shè)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(qū)域?qū)е滦^(qū)出現(xiàn)頻繁切換，切換失敗和掉線次數(shù)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(nóng)村地區(qū)相比，更密集的城市地區(qū)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(tài)、飛行路徑計劃等信息，提高空中UE的移交程序和相關(guān)參數(shù)；通過定義新事件、增強觸發(fā)條件、控制度量報告數(shù)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(shù)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(jīng)濟管理中實現(xiàn)“看的見”要素的基本要求。移動蜂窩網(wǎng)絡應該提供一種驗證UAV位置的方法，網(wǎng)絡還應該能夠提供UE身份和其他與飛行相關(guān)的信息[10]?？罩泄?jié)點容易受到攻擊，例如未經(jīng)授權(quán)的訪問和控制，竊聽無人機和地面控制站之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，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(jīng)濟的無人機通信標準進展及技術(shù)展望

3GPP從2017年至今一直針對無人機通信技術(shù)開展標準化工作，如圖4所示。然而，實現(xiàn)面向低空經(jīng)濟的無人機通信仍面臨著一系列挑戰(zhàn)需要進一步探索和研究。本節(jié)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(xié)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(jīng)濟的無人機通信創(chuàng)新和發(fā)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?；诖搜芯宽椖?，R15完成技術(shù)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(yōu)化無人機服務時的網(wǎng)絡性能。從R16到R17，3GPP先后輸出了TS 22.125和TR 22.829，前者規(guī)定了通過3GPP網(wǎng)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(guān)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(wǎng)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(tǒng)對UAV應用、UAV運營和管理的潛在支持需求[17]。

3.2 技術(shù)展望

3.2.1 人工智能的應用

人工智能在服務低空經(jīng)濟無人機通信中的應用預計主要集中在數(shù)據(jù)處理和決策機制兩個方面。首先在數(shù)據(jù)處理方面，無人機的傳感器和攝像頭獲取到的數(shù)據(jù)包含豐富的環(huán)境信息，如低空經(jīng)濟區(qū)域高精度三維地面地形數(shù)據(jù)、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(xiàn)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?qū)?shù)據(jù)進行預處理和壓縮，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捫枨?。其次，在決策機制方面，通過結(jié)合強化學習和規(guī)劃算法，無人機可以實現(xiàn)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(huán)境中做出準確、靈活的決策，提高通信系統(tǒng)的效率和魯棒性。通過人工智能的數(shù)據(jù)處理和決策機制，無人機能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境的智能感知和自主決策，提高通信系統(tǒng)的性能和智能化水平。

3.2.2 多無人機協(xié)同通信

多無人機協(xié)同通信在低空經(jīng)濟中將扮演關(guān)鍵角色。以快遞行業(yè)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(jù)配送信息規(guī)劃所需的無人機數(shù)量和運輸路線，對集群無人機進行控制和監(jiān)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(qū)域內(nèi)廣播身份數(shù)據(jù)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(xié)同工作，為無人機團隊建立“互幫互助”的關(guān)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(yè)有應用，還可以擴展到其他低空經(jīng)濟領(lǐng)域。在城市交通管理中，可以監(jiān)測和管理交通流量，提供實時的交通信息和熱點、突發(fā)路況的詳細報告。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也可以通過無人機的監(jiān)測和通信能力，實現(xiàn)農(nóng)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(guī)劃、網(wǎng)絡自組織等技術(shù)實現(xiàn)多無人機協(xié)同通信，交換任務規(guī)劃、控制指令、環(huán)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(xié)同通信將進一步推動低空經(jīng)濟的發(fā)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(jīng)濟的多無人機協(xié)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(wǎng)絡向6G演進發(fā)展的必然趨勢和重要方向，將由地面蜂窩網(wǎng)絡、高軌/低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡、高空平臺通信網(wǎng)絡等多種網(wǎng)絡異構(gòu)融合組成，具有上述多種網(wǎng)絡各自的優(yōu)勢，相互補充，極大地提高了網(wǎng)絡服務的覆蓋范圍和服務質(zhì)量[20]。如圖6所示，對低空經(jīng)濟無人機而言，在未來空天地一體化通信網(wǎng)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(wǎng)絡中，在平流層(20～50km)以下，將都會被衛(wèi)星網(wǎng)絡、高空平臺通信網(wǎng)絡覆蓋，低空無人機作為用戶終端，將實現(xiàn)真正的“永不失聯(lián)”；2)業(yè)務增強，低軌寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡和高空平臺通信網(wǎng)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(yè)務的大帶寬需求，例如超高清視頻監(jiān)控等；3)服務質(zhì)量增強，空天地一體化網(wǎng)絡實現(xiàn)三維立體空間內(nèi)大帶寬、低時延、大連接的統(tǒng)一協(xié)調(diào)分配，可以根據(jù)不同應用場景中無人機對通信網(wǎng)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(wǎng)中，或者進行空天地協(xié)同傳輸，同類業(yè)務也可以通過QoS實現(xiàn)優(yōu)先級排列，從而進行網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和靈活分配，提高無人機接入網(wǎng)絡的容量和網(wǎng)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(zhì)量[21]。

圖6 服務低空經(jīng)濟的空天地一體化網(wǎng)絡示意圖

3.2.4 通感算融合

通感算融合技術(shù)是一項未來移動通信關(guān)鍵使能技術(shù)[22]，它實現(xiàn)了多維感知、協(xié)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(tài)等信息，實現(xiàn)對其運動狀態(tài)的實時監(jiān)測。這種通感算融合有助于完善低空空管體系的建設(shè)，確保授權(quán)無人機的正常活動，并及時發(fā)現(xiàn)、監(jiān)視未獲授權(quán)的無人機活動，為低空經(jīng)濟的發(fā)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(yōu)勢。通過無線信號感知，無人機能夠獲取實時、全面的環(huán)境信息，包括地形、建筑物、氣象等。這種優(yōu)勢使得無人機能夠在多種復雜場景下實現(xiàn)更準確的感知，提高任務執(zhí)行的效率和安全性。通感算融合技術(shù)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(shù)據(jù)，并進行智能計算和決策，可以減少傳感器數(shù)量和負載，降低能耗，從而增加無人機的機動性和續(xù)航時間。這使得無人機能夠更長時間地執(zhí)行任務，覆蓋更廣闊的區(qū)域。服務低空經(jīng)濟的通感算融合示意圖如圖7所示。

圖7 服務低空經(jīng)濟的通感算融合示意圖

4 結(jié)束語

當前，低空空域管理政策相繼出臺，無人機行業(yè)應用廣泛開展試點驗證，低空經(jīng)濟已經(jīng)由啟動狀態(tài)轉(zhuǎn)入加速發(fā)展狀態(tài)。與此同時，移動通信技術(shù)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(fā)展，可以預見，移動通信+無人機的結(jié)合將進一步推動無人機應用向數(shù)字化、智能化、服務化方向提升，助力低空經(jīng)濟快速騰飛。