空地一体5G增强低空网络白皮书2024

202312提出打造低空经济等战略性新兴产业。20243低空活动安全、高效运行。（5G5G多种技术手段扩展应用于低空，更好地满足低空飞行业务数据传输和空域管理需求。5G体低空网络的未来发展进行总结与展望。5G增强低空网络以其“速泛在、智能敏捷、安全可靠”的特点，为移动通信领域拓展了新的应用场景和入新活力。引言 1目录 21发展概况 5政策驱动 5国家政策 5地方政策 6标准演进 6ITU 73GPP 7IEEE 8CCSA 9发展现状 10低空飞行器制造 10低空基础设施建设 10低空网络服务 10低空应用产业 2行业应用场景 11智慧城市场景 低空物流 城市规划 12智慧公安场景 12公共安全 12交通管理 12应急保障场景 12应急救援 12应急通信 12智慧水利场景 13实时巡查与监测 13精准测量与建模 13环保检测与治理 13农林植保场景 13农药喷洒 13病虫害监测 133面临挑战及能力要求 13主要技术挑战 13网络能力要求 15空地一体 16通感融合 16智算一体 164网络设计与创新 17空地一体感知覆盖参考模型 17空地小区半径参考模型 17空地感知覆盖波束参考模型 17网络拓扑模型及关键参数设计 17空地一体通信组网方案 203.5G单载波空地异频方案 213.5G双载波空地异频方案 213.5G双载波空地同频方案 223.5G虚拟分频方案 232.1G双翼辐射方案 24基站规划设计方案 25站址规划 25天线方案 25天线方位角 26配套方案 26空地网络协同优化 26空地三维移动性策略 27空地业务互异协同 275低空服务监管平台 286总结与展望 29缩略语 31参考文献 33发展概况5G拓展应用领域。政策驱动强大政策支持和发展动力。国家政策健康发展。2021年2月，中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》[1]，提出发展交通运输平台经济、枢纽经济、通道经济与低空经济，标志着低空经济概念首次写入国家战略规划。202312[2]低空经济性新兴产业。20242月，中央财经委员会第四次会议强调，鼓励发展与平台经济、空经济建设和重大生产力布局，大力发展临空经济、临港经济[3]。20243月，工信部等四部门联合印发《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030年低空经济制造强国、交通强国建设的必然要求。地方政策2024地都持续出台政策，推动低空经济的发展。广东省政府工作报告[5]提出发展低空经济，创新城市空运、应急救援、物流济产业高地。江苏省政府工作报告[6]提出加快发展新质生产力，持续打造“51010”战略性低空经济防应急等场景进行发展打造。江西省政府工作报告[7]新型显示、新型储能、低空经济四川省政府工作报告[8]提出加快发展低空经济，支持有人机无人机、军用民用、国企民企一起上。20246制造业水平，加快形成新质生产力。标准演进等国内外标准组织的推动下，低空领域的标准化工作取得了许多进展。ITU器的功能架构等。20195月，F.749.10[9]载荷通信服务要求。2019系统的框架和要求，强调了功能、服务和安全要求。20203标准提供了无人机全生命周期管理和操作身份识别的要求，并规定了使用对象标识符（OID）的无人机识别机制。2020620201220216月，F.749.13[14]规定了2021年10月，Y.4421[16]标准为使用IMT-2020网络的无人机和无人机控制器提供了功能架构。20223202373GPP从Release16开始，3GPP着手研究无人机系统的支持和增强。此外，3GPP还研究了无人机系统的远程识别功能[19]与无人机相关的增强功能[20]，并提出了新的用例和潜在服务级别需求。在Release17中，3GPPTS22.125[21]规范详细描述了无人机系统远程识别的服务需求，包括身份识别、位置报告、飞行状态监控等。Release18中，3GPP进一步定义了无人机系统应用层的功能架构、程序和信令流程（UAM）架构的研究[24]。Release19的空中管理服务协议和数据模型应用层支持[26]UAS安全特性[27]3GPPSA1（TR）22.837[28]，定义了5G系统在不同垂直领域/应用场景下的感知服务用例和潜在需求。此后，RAN1启动了通感融合信道模型研究。IEEEIEEE制定了一系列与低空无人机相关的标准，包含网络、应用、接口等多个方面，以促进无人机技术的安全、高效和标准化发展。lEEEP1920.1[29]IEEEP1936.1[30]行平台、飞控系统、地面控制站、有效载荷、控制链和数据链、起降系统等。IEEEP1937.1[31]IEEEP1937.8[32]规范了无人机蜂窝式通信终端的功能要求和接口要求，包含硬件、信令、数据接口、环境特性、性能、可靠性、安全性和配置管理等方面。IEEEP1939.1[33]规范了一个用于实现无人机安全和高效交通管理的低空域空间结构。CCSACCSA20215G技术融合等方面的技术要求与研究。《民用无人驾驶航空器公网通信服务管理平台总体技术要求》[34]定义了基于公网通信的无人机服务平台系统设计原则、功能需求、接口标准及性能指标，为无人机在各类应用场景中的高效、安全运行提供了标准化指导。（服务[35]针对电信运营商独立或与第三性。《基于系留无人机的应急通信空中基站技术要求》[36]规范了利用系留无人服务的能力，同时也为其他通信系统提供了参考标准。《网络空间安全仿真无人机系统信息安全仿真平台接入技术要求》[37]确立《5G[38]5G5G网络资源。《5G[39]5G特别适合于无人机实施精密操作、实时数据传输等高要求场景。6[40]提供了无人机技术实现对通信基础设施智能巡检所需的无人机设备技术要求以及巡检系统的设计、开发及应用。《面向无人机系统的5G[41]发展现状航局发布数据显示，2023500020251.52030220353.5万亿元[42]。低空飞行器制造eVTOL低空基础设施建设20231244920225012.5%[44]202720100个以上垂直起[45明确（2023-2025年[46]2025年建成具有国际影响力的“低空之城”。低空网络服务低空网络是低空经济实现信息化、数字化和智能化的基础，国内运营商目前5G5G5G测与跟踪[47]。低空应用产业120行等活动，目前该领域的应用已经比较成熟。行业应用无人机主要飞行高度为1203003001000商务出行等飞行需求，目前该领域正在逐步发展。行业应用场景保低空空域的安全与高效运行。低空物流成本的物流配送。城市规划需负载大容量的存储设备，大大提升了城市勘测的效率。公共安全等方面进行全方位巡查。交通管理理提供重要证据。应急救援进行救援物资投送等。应急通信的通信保障体系。实时巡查与监测精准测量与建模划等方面，提高水利工程的科学性和有效性。环保检测与治理程检测水域环境的变化，为环保部门提供执法依据。农药喷洒情况，进行定点、定量施药，提高防治效果。病虫害监测图面临挑战及能力要求为推动低空经济健康、有序地发展，需要进行体系化的服务监管能力升级，空地立体广域覆盖挑战：当前移动通信网络主要服务于地面用户，其网络部署和组网形式以覆盖地面为主，无法有效实现立体空间的广域连续覆盖，通信感知融合挑战：空地一体网络同时实现低空通信与感知服务，需平衡、信号的干扰等问题也面临挑战。空地网络干扰挑战：低空网络如果与地面网络同频部署，地面基站的的干扰以确保网络稳定性。移动性管理挑战：现有无线网络的移动性策略是基于地面网络的二维用户体验。空口资源分配挑战：空地融合调度优化、空地业务互异协同等。低空应用高带宽与低延时通信挑战：传输的低时延。网络优化挑战：构建空地一体低空网络涉及地面小区与低空小区的综的同时，满足不断变化的通信需求并确保网络整体的鲁棒性。服务与监管挑战：无人机使用过程中存在难以识别、监控管理困难、亟需一体化的监管平台即综合管理系统，确保低空空域的可管、可控。网络安全与隐私保护：无人机低空网络面临着网络安全和隐私保护的用，是低空网络需要解决的关键问题。以及智能化飞行支持，满足物流、应急、巡检等低空服务场景需求。5G5G向第六代移动通信技术（6G）5G5G同时也为监管部门提供更为全面、便捷、智能的低空空域管理解决方案。空地一体和地面无缝覆盖，满足覆盖区域内高速、泛在的空地一体接入需求。高速泛在：5G增强较现有5G网络，能够提供带来大约10倍的速率提升，3D立体的泛在接入。高效资源管理：无人机高度动态的移动性要求低空网络具备高效的无线资源环境。智能优化和管理：5G增强引入了内生智能的技术特征，使网络具备自我优种应用场景和服务需求，提升整体通信性能和用户体验。通感融合通感融合是5G增强引入的全新技术之一，通过空地一体基站实现对低高精度和高分辨率：支持高精度和高分辨率的感知能力，以支持精细化的场景感知和数据分析，确保对低空目标准确检测、定位和追踪。多源数据融合：融合来自不同传感器和设备的感知数据，实现更全面的场景感知。这要求网络具备高效的数据处理能力，能够将多源数据进行融合和分析，提供准确的感知结果。智算一体行灵活部署，以支撑更加复杂、多样化和实时性的应用需求。边缘计算能力：无人机控制、实时视频传输处理、自动巡航等功能，要求极络边缘，并做好算网协同，减少数据传输时间，提供快速的决策支持。高性能、弹性计算：低空网络面对各种复杂环境，需开展海量的实时数据分同应用平台和数字化系统进行协同工作，实现无缝集成和互操作。网络设计与创新空地小区半径参考模型1.5空地感知覆盖波束参考模型主瓣+旁瓣实现地面的连续覆盖。网络拓扑模型及关键参数设计在低空网络立体覆盖中，如图1所示，由于阵列天线垂直张角的限制，基站图1不同高度低空网络覆盖示意图考虑对小区间感知资源进行时分、频分或码分。图2低空小区邻站覆盖本站塔顶区域示意图30BCDEFG之间的区域。图3空地一体感知覆盖参考模型示意图假定𝐻𝐵=𝑂𝐴=𝑑,𝐻𝐶=𝑂𝑋=𝑠，则空地一体基站对空垂直张角与基站覆盖最大垂直高度、覆盖盲区的关系可表示为：邻站对本站塔顶覆盖的水平距离比例可表示为：CBHC域对邻站的覆盖需求就越小。4的塔顶盲区由O3、O5、O7三个邻站扇区的主瓣覆盖。以O1朝向左下方向扇区的主瓣覆盖O1和O2O1天线垂直张角α的大小影响了最高高度上本站塔顶覆盖盲区外沿𝑋点的位置。当基站O1的垂直张角越大，𝑋越靠近O1；垂直张角越小，𝑋越靠近O2。而该位置𝑋也影响三个邻站对O1塔顶盲区的覆盖要求。以邻站O3对基站O1塔顶覆盖为例，O3向右方向扇区的天线法线方向指向（即O3O1方向），当O1的张角越小，则O3𝑋偏离O3天线法线方向的角度越大。由于O3𝑋方向上波束增益随着偏离O3法线角度越大而降低得越多，多站组网时需要考虑O3基站的主瓣波束能否覆盖O1与𝑋之间的区域，以弥补O1塔顶的覆盖盲区。具体的，假定O1O2=𝑑，O1X=s，O3𝑋偏离O3天线法线方向O3O1的角度可表示为：覆盖高度、邻站的波束增益以及站间距。图4空地一体网络多站组网覆盖参考模型示意图计等诸多因素。地一体无线组网方案，包括：3.5G单载波空地异频方案、3.5G方案、3.5G双载波空地同频方案、3.5G2.1G5G现网部署空地一体5G增强低空网络需求。3.5G单载波空地异频方案3.5G53.5G1:NSSB3.5G3.5G异频组网。图53.5G单载波空地异频方案示意图SSB盖需求灵活配置。在地面网络仅部署单载波的条件下，3.5G单载波空地异频方案不增加额外网络投资。另外由于空地网络异频隔离，因此空地相互干扰影响小。3005G1080P/2K/4K视频回传、巡检、测绘和执法管理等功能。3.5G双载波空地异频方案3.5G63.5G1:N3.5GSSBSSB4.2.13.5G双载波空地异频组网。图63.5G双载波空地异频方案示意图在地面网络仅为单载波的条件下，3.5G双载波空地异频方案需少量增加第3.5G双载波空地同频方案3.5G73.5G1：N3.5GSSB波束立体分层，形成空地一体基站第二载波空地同时覆盖，SSB4.2.13.5G双载波空地同频组网。图73.5G双载波空地同频方案示意图在地面网络均为双载波的条件下，3.5G二载波是空地共享，地面网络容量降低，网络拥塞风险略有增加。3.5G虚拟分频方案3.5GSSB波束采用相同频率。由于邻区对地基站出现上旁瓣信号泄露，不可避免地会引入空域同频干扰问题。5G系统业务信道的空地同频干扰可以通过小区间无线资源调度协调来减小。但是，SSBSSB空地同频干扰问题SSB信干噪比（SINR）显著降低，还SSB波束同频还易触发不必要的切换，使得对空和对地小区间的切换变得频SSB的空、时、频资源交错技术，可以有效解决同SSBSSBSSB可在频8同频干扰问题，提升低空网络覆盖质量。SSB频点，而业务信道则共享同一个载波资源。在波束空间SSB波束进行空间分层配置。其中，对空波束SSB为SSB同频干扰问题，提升低空图83.5G虚拟分频技术方案示意图了目前业界共同面临的空地一体低空组网核心技术难题。2.1G双翼辐射方案2.1G2.1G1:N2.1G替换为双翼辐射天线，实现空地一体组网。2.1G协同组网。2.1G双翼辐射采用92.1G双翼辐射天线包括传统板状天线和智能天线两种：将雷达低空探测波束技术与蜂窝移动通信波束技术融为一体，在保证906公里以上。通过多层插花技术实现密集天线阵列部署，弱化对空对地信号之间的20dB50°务的不同特征，提高资源利用率。图92.1G双翼辐射天线示意图3002.1G信号低空连续覆盖。站址规划R/4（R理性与稳定性。针对固定航道/航线等线性区域覆盖，基站布局应设置为线性组网。根据基站单扇区覆盖能力，考虑接入指标、切换带等问题的基础上，沿航道/航线选择5G基站，形成线性网络布局。针对园区等区域网络覆盖，基站分布应满足蜂窝结构，基站规模根据覆盖面积、单站覆盖能力选择。5米以上，确保在第一菲涅尔区无阻挡；在密集市区，基站天线挂高宜控制在40米至60米之间，天线挂高应基本保持一致，避免形成越区覆盖。天线方案目前5G网络中，射频设备可分为有源天线单元（AAU）一体化天线与“射频拉远单元（RRU）+天线”两类。针对不同的射频设备类型，有两种天线选择方案，在实际部署时，可根据现网5G射频设备实际使用类型，进行方案选择。方案1：AAU一体化天线AAU5G5G覆盖。AAU5G期短、系统容量大等特点。方案2：RRU+天线2.1G8TRRRU4TRRRURRURRU信源功分的形式与8端口空地一体化天线连接，同时覆盖地面和低空。相对于3.5G，2.1GNR低空网络容量相对较小。RRU+AAU天线进行覆盖的郊区和农村区域。天线方位角5G（区域，同时尽可能保证网络中所有站点对应扇区的方位角一致。配套方案要求，降本增效要求以及后期运营维护需求。对于空地一体网络，需要考虑低空和地面网络之间的协同优化，高效利用资源，提升用户体验。空地三维移动性策略换。在低空小区配置为专网时，禁止普通地面用户迁移到低空专网小区。配置不同的无线频率选择优先级（RFSP）5G服务质量标识（5QI）3.5G3.4GHz2.1G3.5G低空站之间针对不同用户配置不同的重选和切换参数，具体方式如10所示。保障低空业务可快速占用低空网络，但占用后难以向地面公网发起切5G5G低空终端业务体验。

103.5G行预调度资源，从而保障位置信息及时上报。低空服务监管平台所示。图11低空服务监管平台架构图天翼星巡主要打造以下五大核心应用：飞行活动一站式审批：程提高效率。5G信网、感知网和算力网。空域网格化管理：通过北斗网格码分割技术，实现空域分层分级网格AI域和航路方案。飞行任务保障：平台结合四维时空碰撞算法，具备安全预警、应急处急响应。智能飞行调度：根据实时飞行数据、气象条件、空域限制、突发事件AI习，不断优化调度算法，提升飞行效率和安全性。总结与展望础能力，为低空经济的腾飞提供坚实底座。1济与低空网络的发展概况。本白皮书在第2章分析了低空经济中的智慧城市、智慧公安、应急保障、智3的主要技术挑战与网络能力具体要求。为解决空地一体低空网络中存在的切实问题与挑战，本白皮书在第4章提出5G5用。AI5G增强技术进一5G增强低空网络各缩略语英文缩写英文全称中文含义3DThreeDimensions三维3GPPThirdGenerationPartnershipProject第三代合作伙伴计划5G5th-Generation第五代移动通信技术5QI5GQualityOfServiceIdentifier5G服务质量标识6G6th-Generation第六代移动通信技术AAUActiveAntennaUnit有源天线单元AIArtificialIntelligence人工智能CCSAChinaCommunicationsStandardsAssociation中国通信标准化协会CUAVCivilUnmannedAerialVehicle民用无人机eVTOLElectricVerticalTake-OffAndLanding电动垂直起降飞行器EIRPEffectiveIsotropicRadiatedPower有效各向同性辐射功率GSCNGlobalSynchronizationChannelNumber全球同步信道号IEEEInstituteofElectricalandElectronicsEngineers电气与电子工程师协会ITUInternationalTelecommunicationUnion国际电信联盟IMTInternationalMobileTelecommunications国际移动通信系统MECMobileEdgeComputing移动边缘计算NEFNetworkExposureFunction网络开放功能NRNewRadio新空口OIDObjectIdentifier对象标识符PCIPhysicalCellIdentifier物理小区标识QoSQualityofService服务质量RFSPRadioFrequencySelectionPriority无线频率选择优先级RRURemoteRadioUnit射频拉远单元SINRSignaltoInterferencePlusNoiseRatio信号与干扰加噪声比SSBSynchronizationSignal/PBCHBlock同步信号块TCOTotalCostofOwnership总拥有成本TRTechnicalReport技术报告TRTransmitterandReceiver发射和接收UAMUrbanAirMobility城市空中交通UASUnmannedAircraftSystem无人机系统UAS-NFUnmannedAircraftSystem-NetworkFunction无人机系统网络功能参考文献.国家综合立体交通网规划纲要[EB/OL].务院,2021.新华社.中央财办有关负责同志详解2023新华社,2023.新华社.习近平主持召开中央财经委员会第四次会议[N/OL].新华社,2024.工业和信息化部网站.施方案（2024-2030年）》的通知[EB/OL].政部、中国民航局,2024.南方日报2024年广东省政府工作报告[EB/OL].广东省人民政府,2024.新华日报.2024年政府工作报告[EB/OL].江苏省人民政府，2024.江西日报2024年江西省政府工作报告[EB/OL].江西省人民政府,2024.四川省政府网.关于促进低空经济发展的指导意见[EB/OL].四川省人民政府办公厅,2024.ITU.RecommendationITU-T(05/2019):Requirementsforcommunicationservicesofcivilianunmannedaerialvehicles[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2019.ITU.RecommendationITU-T(11/2019):Requirementsforcivilianunmannedaerialvehiclesenabledmobileedgecomputing[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2019.ITU.RecommendationITU-TX.677(03/2020):Identificationmechanismforunmannedaerialvehiclesusingobjectidentifiers[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2020.ITU.RecommendationITU-T(08/2020):Frameworkforcommunicationapplicationofcivilianunmannedaerialvehicles[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2020.ITU.RecommendationITU-T(12/2020):Requirementsandfunctionalarchitectureofbasestationinspectionservicesusingunmannedaerialvehicles[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2021ITU.RecommendationITU-T(06/2021):Frameworkandrequirementsforcivilianunmannedaerialvehicleflightcontrolusingartificialintelligence[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2021.ITU.RecommendationITU-T(06/2021):Requirementsofcoordinationforcivilianunmannedaerialvehicles[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2021.ITU.RecommendationITU-T(10/2021):Functionalarchitectureforunmannedaerialvehiclesandunmannedaerialvehiclecontrollersusing2020networks[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2021.ITU.RecommendationITU-T(03/2022):Requirementsforinspectionandexaminationservicesusingcivilianunmannedaerialvehicles[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2021.ITU.RecommendationITU-T(07/2023):Requirementsforlogisticsexpressdeliverybasedoncivilianunmannedaerialvehicles[S/OL].Geneva:InternationalTelecommunicationUnion,2021.[19]3GPP.RemoteIdentificationofUnmannedAerialSystems(Release16):TR22.825V16.0.0(2018-09)[S/OL].Valbonne:3GPPsupportoffice,2018.[20]3GPP.EnhancementforUnmannedAerialVehicles(Release17):TR22.829V17.1.0(2019-09)[S/OL].Valbonne:3GPPsupportoffice,2019.[21]3GPP.UncrewedAerialSystem(UAS)supportin3GPP(Release17):3GPPTS22.125V17.6.0(2022-03)[S/OL].Valbonne:3GPPsupportoffice,2022.[22]3GPP.ApplicationlayersupportforUncrewedAerialSystem(UAS);Functionalarchitectureandinformationflows;(Release18):TS23.255V18.2.0(2023-06)[S/OL].3GPPsupportoffice,2023.[23]3GPP.SupportofUncrewedAerialSystems(UAS)connectivity,identificationandtracking;(Release18):TS23.256V18.1.0(2023-06)[S/OL].Valbonne:3GPPsupportoffice,2023.[24]3GPP.Studyoffurtherarchitectureenhancementsforuncrewedaerialsystemsandurbanairmobility(Release18):TR23.700-58V18.1.0(2023-03)[S/OL].3GPPsupportoffice,2023.[25]3GPP.UncrewedAerialSystemsNetworkFunction(UAS-NF);AerialManagementServices;(Release18):TS29.256V18.2.0(2023-09)[S/OL].3GPPsupportoffice,2023.[2