通信世界网消息(CWW)低空经济是指在与正下方地平面相距1000米以下的低空(根据不同地区特点和实际需要可延伸至3000米),以各种有人驾驶和无人驾驶航空器的各类低空飞行活动为牵引,辐射带动航空器研发、生产、销售以及与低空飞行活动相关的基础设施运营、飞行保障、衍生综合服务等相关领域产业融合发展的综合性经济形态。低空经济以无人机产业为主导,是战略性新兴产业和新质生产力的典型代表,具有高科技主导、高效能运营以及高质量发展等新质生产力的核心特征。
无人机业务需求和应用场景
近年来,全球对无人机服务的需求急剧增加,包括无人机物流、安防巡检、环保监测、娱乐航拍、农林植保、编队飞行、土地勘探、地理测绘、城市巡查等。短途飞行、航空作业、空中载人交通、应急救援等应用规模将进一步扩大,特别是空中载人交通,随着eVTOL(电动垂直起降飞行器)技术的不断成
熟,空中出行有望进入落地应用阶段,成为改变出行方式、提高交通效率的一大变革,在未来形成万亿规模的应用市场。
LTE和5G最初是为地面终端而设计的,未考虑空中终端的通信。地面蜂窝系统若要支持飞行器须引入包括远程控制和数据传输能力在内的系列增强技术。3GPP在R15中引入了LTE系统对无人机的支持;在R17中引入了5G系统对无人机的支持(无人机识别、认证、授权、跟踪的网络架构和信令流程);在R18中引入了5G支持无人机的增强技术,主要包括移动性与干扰报告增强、飞行路径信息上报、BRID(广播远程识别)与DAA(探测避让)、终端增强无人机支持能力上报等。
无人机增强技术及其演进
LTE无人机增强技术
3GPP在2017年4月启动LTE网络支持飞行器的研究工作,11月发布技术报告TR36.777;在2017年12月启动LTE网络支持飞行器的标准化工作,于2018年9月完成标准制定,并对TS36.306和TS36.331等标准进行了更新。
LTE网络支持飞行高度300米以下的低空飞行器。与地面终端相比,处于飞行状态的空中终端更可能存在视距连接,这会导致干扰和移动性问题。为了解决此类问题,3GPPR15引入了以下四项增强技术方案。
一是测量上报增强方案。针对干扰问题,TS 36.331标准为空中UE(用户设备)新增了H1和H2两个事件。当UE的海拔高于基站配置阈值H或低于基站配置阈值H2时,UE会触发基于高度的测量报告。此外,协议还扩展了RRM(无线资源管理)测量框架,使UE测量小区的数量N可配置;当N个小区的事件触发条件同时满足时,UE触发测量报告,适用于此增强功能的事件为A3、A4和A5。这些增强功能有助于基站确定UE飞行状态,且允许检测UE是否被干扰。
二是移动性增强方案。该方案引入了允许UE向基站指示飞行路径的RRC(无线资源控制)信令。UE可以上报规划的飞行路线,基站可以据此进行移动性优化,例如基站能够利用上报的信息来预知UE将切换到某个小区,以及是否需要建立新的基站间的连接。
三是一些国家禁止未经授权的无人机连接到LTE网络,为了使网络获知UE是否具有合适的签约信息,R15引入了从核心网到基站的信令,该信令携带的签约信息决定了是否支持空中终端功能。
四是上行功率控制增强方案。为了减少上行链路干扰,该方案引入了UE特定的路径损耗补偿因子,扩展了UE特定的P₀参数范围。
为了符合无人机用户识别、避免与其他无人机发生碰撞等监管要求,R18针对LTE引入了BRID和DAA功能。通过配置侧行链路资源池来支持BRID和DAA,资源池可以只支持BRID、支持DAA,或两者同时支持。
5G无人机增强技术
在R17标准中引入了5G网络对无人机的支持,主要包括无人机识别、认证、授权、跟踪等机制的网络架构和信令流程,使5G网络成为无人机飞行控制系统的重要组成部分,由此扩大了无人机的飞行范围。
无人机系统依赖无线通信满足多种需求,包括指挥与控制、定位、协同感知、防撞和远程识别等。R17定义的无人机系统生态模型如图1所示。
图1 R17定义的无人机系统生态模型
在无人机系统生态模型中,无人机系统由无人机和无人机控制器组成;无人机通过蜂窝网络与无人机控制器连接;无人机控制器通过5G网络对无人机进行控制;无人机也可由非3GPP规范下的网络使用指令和接口控制;通过3GPP规范下的5G网络连接的无人机控制器可控制一个或多个无人机;无人机系统可与UTM(无人机交通管理系统)交换应用数据。
5G网络具有高可靠、高安全和无缝连接的特性,这也是支持无人机指挥和控制功能的关键因素。2021年12月,3GPP TSG RAN第94次会议通过了NR(空口)系统用于支持无人机进行增强的项目—Work Item立项,并于2023年12月完成,这一成果体现在R18规范中。
R18版本的5G标准沿用了LTE阶段的高度上报事件H1和H2,利用多个小区触发的干扰报告测量事件和飞行路径信息上报等机制,将无人机的飞行高度拓展到海拔10km,具体内容包括以下四项。
一是移动性和干扰报告增强。R18版本5G标准引入新的测量事件,支持事件触发上报高度(事件H1、H2)和测量事件(A3、A4、A5)上报。
二是飞行路径信息上报。R18版本的5G标准增加了对飞行路径信息更新机制的支持,通过终端辅助信息指示初始飞行路径可用性、新增路点或删除过时路点。
三是BRID和DAA。低空网络可以通过5G NR侧行链路模式2落地NR侧链技术,侧行链路资源池可以用于支持BRID和DAA的空中终端传输。
四是终端能力上报。指示终端支持R18版本的无人机增强,支持高度事件触发、多小区测量报告触发。
通感一体化技术
城市空中交通环境复杂,面临建筑物及附属设施众多、局部气象条件多变、电磁环境恶劣和低空鸟群飞行等诸多挑战。为应对这些挑战,无人机需要有更强的态势感知和空中避障技术支撑。而低空无人机在环境复杂的区域被探测时,对感知监测技术提出了新要求。当前低空感知探测主要通过雷达探测、光电探测、声学探测等技术实现,低空经济的规模化发展仍需探索5G-A的潜在技术。5G-A通感一体化是在5G通信系统基础上融合感知探测能力,利用无线信号实现实时的环境感知、目标探测,使运营商网络超越了传统的连接范畴。5G-A移动网络与UTM的集成,可以有效提升无人机操作的安全性和可靠性。
3GPP SA1在2023年完成了TR22.837通感一体化可行性研究和TS22.137通感一体化业务要求的制定。TR22.837研究报告主要包括通感一体化的使用场景,以及对每种场景的功能需求和性能需求的研究。TS22.137明确了5G无线传感服务的功能和性能要求。
3GPP RAN1在2023年12月设立了NR通感一体化信道建模研究项目,研究目标是建立通用的信道建模框架,支持对感知目标的检测和跟踪。通感一体化信道模型由目标信道和背景信道组成,通感一体化信道模型校准包括目标信道和背景信道的单独校准。通感一体化信道考虑了物理对象的位置、雷达截面、极化矩阵等特征参数。物理对象又被分为感知目
标和环境对象。通感一体化信道模型支持两种类型的环境对象:一是具有与感知目标相似的特征,并以与感知目标相同的方式建模;二是尺寸较大,建模方式与感知目标不同。根据感知目标类型不同,感知场景又可分为无人机感知、汽车感知、人类感知和自动导引车感知等,每种感知场景有不同的信道模型评估参数。该研究项目计划已于2025年6月完成,同时完成的还有对TS38.901的修订。
SA2牵头的研究项目“通感融合第二阶段研究”在2025年3月的SA第107次全会上通过立项。该项工作旨在研究基于SA1要求的一些子用例集,以支持通感一体化所需的网络总体架构、功能增强、端到端业务流程等。该项工作计划在2025年底完成,具体包括:支持传感的架构和功能增强;业务授权和撤销机制;基于业务请求和性能要求,发现和选择合适的感知实体;用于结果计算的传感数据及相关信息的收集、传输机制;一次性、定期或基于事件的报告机制,传感结果和上下文信息的上报机制;支持通感一体化服务的配置参数和策略。
总结
我国将低空经济视为战略性新兴产业,中央和地方政府已出台系列政策支持低空经济发展。低空经济以低空网络为依托,以无人驾驶航空器产业为核心,构建涵盖快递物流、地理测绘、农林植保、应急救援、城市管理等领域的综合经济体系。在政策、监管、技术以及市场的全方位推动下,低空经济有望成为全球经济新的重要增长点,为干行百业带来转型升级、效率提升和商业机遇的创新。