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

關鍵詞：低空經(jīng)濟；5G/5G-A技術；無人機應用；專網(wǎng)建設

一、引言

2021年2月，中共中央、國務院印發(fā)《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，提出“發(fā)展交通運輸平臺經(jīng)濟、樞紐經(jīng)濟、通道經(jīng)濟、低空經(jīng)濟”。這是“低空經(jīng)濟”概念首次寫入國家規(guī)劃，標志著低空經(jīng)濟成為“十四五”時期新興經(jīng)濟形態(tài)。2023年5月，國務院和中央軍委聯(lián)合發(fā)布《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》，針對無人航空器相關活動進行了規(guī)范，將促進低空經(jīng)濟的進一步繁榮。同時，無人機產(chǎn)業(yè)作為低空經(jīng)濟的主導產(chǎn)業(yè)，目前處于蓬勃發(fā)展之中，預計2025年我國無人機市場總規(guī)模將達到1500億元。綜上所述，低空經(jīng)濟將越來越重要，故本文針對低空網(wǎng)絡建設進行介紹。

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)特點和實際需要可延伸至3000米。低空經(jīng)濟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為牽引，輻射帶動相關領域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟形態(tài)，廣泛體現(xiàn)于各類產(chǎn)業(yè)形態(tài)中，在促進經(jīng)濟發(fā)展、加強社會保障、服務國防事業(yè)等方面發(fā)揮著日益重要的作用。低空專網(wǎng)是指專門為無人機應用而建設對空覆蓋的移動通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)整個低空空域的立體覆蓋，專網(wǎng)與地面公網(wǎng)隔離開，對地面公網(wǎng)業(yè)務不產(chǎn)生干擾。

三、5G/5G-A低空專網(wǎng)技術要求

隨著無人機市場的興起，無人機在各行業(yè)領域的應用愈發(fā)豐富，無人機與5G/5G-A技術的結合正成為研究和應用的熱點，從應用場景到通信需求，從終端通信能力到無線技術創(chuàng)新，5G網(wǎng)聯(lián)無人機應用的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)基本成熟。

（一）交通物流

利用5G網(wǎng)聯(lián)無人機的空中平臺優(yōu)勢，搭載高清相機、喊話器，可以實現(xiàn)交通管理中心的實時監(jiān)控和統(tǒng)一指揮，遠程管理警情現(xiàn)場，并進行現(xiàn)場勘查及證據(jù)收集。在物流運輸領域，建立城市空運網(wǎng)絡，實現(xiàn)空中定點配送，使配送距離遠、配送時間更短。

（二）農(nóng)業(yè)植保

5G網(wǎng)聯(lián)無人機云平臺可以根據(jù)播種施肥需求規(guī)劃最佳作業(yè)航線，遠程控制網(wǎng)聯(lián)無人機進行精準播種、施肥。通過5G網(wǎng)聯(lián)無人機遙感技術和大數(shù)據(jù)技術，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測區(qū)域作物長勢信息、土地肥力。構建作物長勢分析智能模型，實現(xiàn)對糧食作物產(chǎn)量、養(yǎng)分、病蟲害等關鍵信息的精準預測。

（三）安防巡檢

5G網(wǎng)聯(lián)無人機在公共安全和巡檢領域有著廣泛的應用，包括但不限于犯罪偵查、反恐行動、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)無人機能夠迅速抵達現(xiàn)場替代人力進行初步響應，回傳現(xiàn)場實時情況，為指揮人員決策提供依據(jù)。通過采用自動缺陷識別技術和高清晰度圖像采集技術，并結合5G/5G-A網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)無人機對鐵塔的精確檢查。

（四）地理測繪

5G網(wǎng)聯(lián)無人機應用于測繪領域，可以實現(xiàn)規(guī)劃線路的超視距作業(yè)?；?G邊緣云的數(shù)據(jù)計算處理能力，可以在極短時間內(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)轉化為實景矢量地圖，從而實現(xiàn)精確的三維建模。

（五）視頻直播

無人機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，可以實時傳輸4K直播視頻，直播畫面可以廣泛應用于文化旅游、影視航拍等領域。

（六）應急救援

以城市5G/5G-A蜂窩移動通信網(wǎng)絡連續(xù)覆蓋為基礎，可以打造城市網(wǎng)格化立體消防救援應用體系。將城市區(qū)域劃分為多個網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格內(nèi)部署一個無人機快速反應站，消防總站可以通過5G/5G-A網(wǎng)絡實時獲取現(xiàn)場高清圖像，并對無人機進行遠程控制，輔助消防人員在火情初期控制火勢蔓延。

（七）編隊飛行

無人機除了單機應用外，多機編隊也開始出現(xiàn)。在自主編隊的無人機隊中，多架飛機根據(jù)飛行任務和周圍的飛機狀態(tài)能夠自主調(diào)整飛行任務。無人機編隊飛行對于大連接、低時延、大帶寬等網(wǎng)絡特性都有了明確需求，網(wǎng)絡切片、邊緣計算、數(shù)據(jù)加密等網(wǎng)絡安全要求也日益提高。無人機的通信需求因其應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)絡的規(guī)劃、部署和性能提升提供了重要的參考指導。不同行業(yè)無人機對網(wǎng)絡指標的需求如表所示：

因此，構建低空通信和感知專網(wǎng)的建設需滿足以下需求：

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)絡需要具備高穩(wěn)定性和可靠性。

2.感知精確性：感知網(wǎng)絡需要具備高精度的感知能力，以實現(xiàn)準確的定位和導航。

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

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

四、低空專網(wǎng)建設難點及解決方案

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

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

2.支持大量連接：5G/5G-A技術具備支持大量設備同時連接的能力，可以實現(xiàn)大量低空飛行器的實時通信和感知。

3.優(yōu)化網(wǎng)絡覆蓋：5G/5G-A技術可以優(yōu)化網(wǎng)絡覆蓋范圍，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?；?G/5G-A技術的低空專網(wǎng)可以有效滿足各類無人機應用場景對通信能力的要求。

基于5G/5G-A技術低空專網(wǎng)為大規(guī)模、高密度、高頻次和高復雜性的飛行提供了基礎設施，能夠應對復雜的飛行環(huán)境和通信要求。但是也存在一些建設難點，具體如下所示：

（一）信號覆蓋問題

信號覆蓋問題可以歸納為兩類問題：一類是信號覆蓋水平低，表現(xiàn)為信號弱或完全沒有信號；另一類則是信號覆蓋雖然存在，但受到的干擾過強，導致信噪比（SINR）降低，影響數(shù)據(jù)傳輸。對于第一類問題，通常是因為基站建設不足或者頻率覆蓋距離不夠引起，比如無人機的飛行路徑上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）頻段進行補充覆蓋，并調(diào)整天線的傾斜角度，以實現(xiàn)在低空區(qū)域的垂直覆蓋。

針對第二類由于強干擾導致的信號問題，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重的情況下。例如通過調(diào)整基站發(fā)射功率、時頻資源分配等，減少干擾。二是過定向天線技術，使基站的信號更加集中指向特定的用戶方向。這樣可以降低非目標方向上的信號干擾，提高信號質(zhì)量和SINR。Massive MIMO天線技術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，無人機在視頻回傳方面的應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）和編碼方式上進行了提升（從256QAM到1024QAM），確保容量大幅提升，而且當負載較高情況下（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)務需求。無人機在通信業(yè)務中通常表現(xiàn)出上下行速率的不對稱性。無人機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)絡在支持無人機上行鏈路容量方面可能會面臨挑戰(zhàn)。此外，無人機上行鏈路可能產(chǎn)生的干擾問題也需要被考慮。為了增強上行鏈路容量，可以采用Massive MIMO、上行載波聚合、上行鏈路補充上行載波、雙連接等技術。

（三）傳輸時延問題

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

1.通過在網(wǎng)絡邊緣部署計算資源，無人機的指揮與控制數(shù)據(jù)可以在靠近終端的MEC服務器上處理，從而減少傳輸路徑中的延遲。MEC能夠本地化處理無人機視頻流的數(shù)據(jù)分析和實時反饋，避免經(jīng)過核心網(wǎng)進行傳輸，顯著降低時延。

2.網(wǎng)絡切片技術能夠為無人機的指揮與控制、視頻回傳等不同業(yè)務需求提供專用的網(wǎng)絡資源。通過為低時延、高可靠的無人機應用定制專屬的網(wǎng)絡切片，可以確保指揮控制信號的快速傳輸，并減少視頻流的傳輸延遲，優(yōu)化通信質(zhì)量。

3.URLLC技術為低時延和高可靠性設計，特別適用于無人機的指揮與控制數(shù)據(jù)傳輸。采用URLLC，可以保障極低的傳輸時延（lt;1ms）和高達99.999%的可靠性，確保無人機在復雜環(huán)境中的實時控制能力不受影響。

4.通過智能動態(tài)資源調(diào)度和頻譜管理，5G/5G-A網(wǎng)絡可以根據(jù)無人機的實時需求為其分配更多帶寬和優(yōu)先級資源，減少數(shù)據(jù)傳輸時的排隊時延。智能調(diào)度算法可以識別無人機數(shù)據(jù)的時延敏感性，給予傳輸優(yōu)先級。

（四）可靠性問題

為了確保無人機的飛行安全，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其可靠性：

1.設備內(nèi)部采用主備單板設計。

2.網(wǎng)絡設備節(jié)點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)來實現(xiàn)網(wǎng)絡的冗余。

五、結束語

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

但隨著無人機技術的飛速發(fā)展和低空經(jīng)濟的不斷壯大，也必須認識到在實際應用中面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。首先，盡管5G/5G-A技術在低空通信和感知網(wǎng)絡建設中具有巨大潛力，但考慮隨著無人機應用場景的不斷拓展和多樣化，對低空通信和感知網(wǎng)絡的需求也將更加多樣化和個性化。因此，需要進一步制定靈活、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)建設中還存在安全和隱私保護挑戰(zhàn)。無人機作為一種新興航空器，其安全和隱私保護問題備受關注。在低空通信和感知網(wǎng)絡建設中，如何保障數(shù)據(jù)的安全傳輸和隱私保護，將是一個亟待解決的問題。

展望未來，隨著5G/5G-A技術的不斷成熟和普及，低空通信和感知網(wǎng)絡將會得到更加廣泛的應用。未來期待更多基于5G/5G-A技術的創(chuàng)新應用，例如智能交通、城市管理、環(huán)境監(jiān)測等領域的應用將會得到進一步拓展。同時，隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，也將迎來更加智能化、高效化的低空經(jīng)濟時代。因此，需要加強技術研究和標準制定，推動低空通信和感知網(wǎng)絡的發(fā)展，為實現(xiàn)低空經(jīng)濟蓬勃發(fā)展和智慧城市建設做出更多的貢獻。

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

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