关于建立低空空域无线立体通信网络的探讨*

陈 爽

（河北石云网络科技有限公司，河北 石家庄 050030）

0 引言

用户需求是技术演进革新的动力之源，无线通信也不例外。无线通信经过几十年的发展与沉淀，覆盖了全球70%的陆地及90%的人口[1]。然而这些信号的覆盖均以地面覆盖为主，没有针对低空区域的专网覆盖。

理想中能够满足空天地一体化需求的网络结构如图1 所示[2]。

图1 空天地一体化网络体系结构

众所周知，5G通信技术具备超高带宽（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、低时延（Ultra-Reliable &Low-Latency Communication，uRLLC）和大连接（massive Machine Type Communication，mMTC）的特性，而且华为公司针对5.5G 又扩展出了上行超宽带（Uplink Centric Broadband Communication，UCBC）、宽带实时通信（Real-Time Broadband Communication，RTBC）和通信感知融合（Harmonized Communication and Sensing，HCS）3 个新应用愿景[3]，应用广阔。近年来，无人机及通用航空产业也发展迅速，对于低空空域立体通信的需求日益强劲。5G通信网络一方面可以满足低空无人机实时控制和载荷数据实时回传的大带宽需求；另一方面可以实现实时位置、速度、航道、禁飞区等信息的连续感知探测，确保无人机依法依规飞行，防范安全事故。

为了通过5G，以及未来的6G 技术实现上述低空通信的性能，满足无人机及通用航空产业的需求，要求无线通信在覆盖模式方面从地面覆盖为主向立体化、分布式协作模式进行演进。

1 卫星等通信方式的不足

针对低空空域的通信需求，现有卫星通信、陆地移动通信等网络均存在不足，分别阐述如下。

1.1 卫星通信的不足

距离地球最近的低轨卫星通信系统的卫星距离地面高度在500～1 500 km，其先利用卫星上的通信转发器接收由地面站发射的信号，再对信号进行放大变频后转发给其他地面站，从而完成两个地面站之间的传输。卫星通信有较多的优点，但相对于5G 以及正在深入研究发展的6G，它存在如下的不足：

（1）传输时延大。在地球同步卫星通信系统中，通信站到同步卫星的距离按照500 km 计算，电磁波以光速（3×108m/s）传输，其路经地球站—卫星—地球站（称为一个单跳）的传播时间约需3.3 ms（按照1 500 km 计算，时延则为10 ms），且未包括任何设备处理时延。而5G 要求空口延迟小于1 ms，端到端延迟小于5 ms。可见，在低时延高可靠性方面，卫星通信存在一定的不足。

（2）容量有限。所有通信系统容量都受制于香农定理：C=Blog2(1+S/N)。由此可知：系统容量与采用的频率带宽及通信信道的信噪比有关[4]，然而卫星通信所受的噪声和干扰相对于移动通信要大很多，所以即使在相同带宽情况下，卫星通信的容量也要小很多。经计算，目前低轨卫星平均频谱效率大约为2.5 bit/s/Hz，5G 平均频谱效率为10 bit/s/Hz以上[5]，而且移动通信带宽资源丰富。卫星轨道位置有限，无法不受限制地部署卫星数量进行扩容。因此，容量方面，卫星通信与移动通信无法比拟，无法满足万物互联的超大带宽、超大容量需求。

（3）稳定性与可维护性较低。卫星通信存在日凌中断、星蚀和雨衰现象，相对移动通信，较不稳定。此外，卫星通信远在天上，不如地面设备的可维护性强。

（4）卫星终端的天线尺寸较大且需内置卫星追踪装置，成本高，应用困难。

1.2 陆地移动无线网络的不足

通过工作实践总结：一般情况下，建筑物15 层，约45 m（每层楼按照3 m 进行计算），及以上的位置，仅靠室外宏站覆盖，无线信号会出现使用困难的现象，需要增加室内分布或通过无线优化在一定程度上改善无线信号。当然在不同的情况下，可以采用不同的措施，并且覆盖效果与用户的无线环境也有关。

中国移动等单位发布的《基于5G 通信技术的无人机立体覆盖网络白皮书》[1]中对于低空5G 信号进行了测试，测试结果如表1 所示。可以看出，在参考信号接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）相同的情况下，300 m 低空的信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）值比地面的差10 dB。此外，如以5%占比的RSRP 为例，地面RSRP -92 dBm 对应的SINR 值是8 dB，但在300 m 高度，RSRP -92 dBm对应的SINR 值是-2 dB，也就说几乎无法正常使用5G 通信。表1 中，SSB 为同步信号块（Synchronization Signal Block）。

表1 300 m 低空陆地移动通信网5G 测试数据

经测试，无人机用户信号质量（即低空信号质量），相对于地面用户信号质量恶化严重，对比情况见图2。

图2 无人机用户相对地面用户信号质量对比

另外，如图3 显示的是基于地面不同高度的最强接收功率的小区关联模式，相同颜色覆盖的区域表明该区域内的无人机与基站小区相关联（无人机可接入同颜色基站小区）。可以看出，小区关联模式会随高度的变化发生显著变化。理想情况下，地面上的小区关联模式是一个很好界定的连续区域，在该区域内最好的小区通常是最靠近无人机的小区，但随高度的增大，天线旁瓣开始出现，信号最好的小区可能不再是最靠近无人机的小区，在这种特殊情况下，无人机与小区的关联模式变得碎片化，导致邻区关系复杂，难以有序优化。

图3 不同高度的小区关联

综合工作实践与移动测试数据总结：距离地面越高，无线信号越杂乱，信号质量越差，最终导致无法满足用户低空无线网络覆盖需求，包括300 m以下的部分区域。

1.3 现有无人机组网能力的不足

在现有条件下，存在使用无人机或悬停在空中的热气球来组网的方案，但该方案并不具备长时间（满足通信要求的时长）停留空中持续通信的能力，只能在较短时间内满足一定程度的通信要求。因此，建议该方案用于应急、局部短时间补热或局部补盲的场景。

总之，低空空域的无线通信仍需要通过地面站点的建设来满足。

1.4 现有无人机通信能力的不足

目前无人机常使用的无线通信方式主要有以下4 种：

（1）无线电通信：无人机系统规划840.5～845 MHz、1 430～1 444 MHz 和2 408～2 440 MHz 频段[6]，其通信距离一般在15～30 km之间，广泛应用于军警、植保、航测等工业无人机。

（2）Wi-Fi 通信：频段一般为2.4 GHz 或5 GHz，最远通信距离为2 km。

（3）陆地移动通信网：在一定高度时，陆地移动通信网使用非常困难。

（4）卫星通信：主要用于军事或特殊需求场景。

显而易见，上述方案仅能满足较低通信能力的要求，并不具备未来低空空域要求的高带宽、低时延等能力。

2 无线网络规划方案

2.1 高度需求及规划

2016 年国务院下发了《关于促进通用航空业的指导意见》，其中明确定义了3 000 m 以下空域为低空空域。因此，低空空域专网覆盖垂直高度为300～3 000 m 的区域[7]。此处，空域无线专网高度最小值暂时设置为300 m，具体高度根据各地无线网络的实际情况进行调整。水平方向的覆盖可以根据飞行需求逐步规划建设。

2.2 无线链路预算

自由空间损耗是指电磁波在传输路径中的衰落，其计算公式为[3]：

式中：Lbf为自由空间损耗，单位为dB；D为距离，单位为km；F为频率，单位为MHz。

条件1：D=3 km，F=700 MHz

计算结果：

条件2：D=3 km，F=4 900 MHz

计算结果：

结合移动通信设备载波发射功率实际情况，按照20 W 计算，考虑一些馈线接头等损耗，在3 000 m 空域边缘仍能满足覆盖需求。

2.3 无线覆盖规划

2.3.1 天线的布放

传统移动通信网络（宏站）通常采用由高处向下覆盖的方式，低空空域则规划为由地面、楼顶、铁塔等位置射向天空覆盖的方式，并要求天线周边无遮挡，具体如图4 所示。

图4 低空空域专网单天线覆盖结构

2.3.2 网络覆盖的变化

传统移动通信网络又称为移动蜂窝通信网络，这是因为其理想覆盖范围为蜂窝状，且以“面”的覆盖为主，如图5 所示。

图5 蜂窝网络

考虑低空空域覆盖需求的特殊性，需要网络由“面”的覆盖演进为“立体”的覆盖，即把“蜂窝”式覆盖演进为“莲蓬”式覆盖，从地面射向低空。莲蓬网络的结构如图6 所示。

图6 莲蓬网络

2.3.3 单小区无线辐射图

单小区理想立体辐射图如图7 所示。该辐射图可分别由方案1（见图8）、方案2（见图10）所示的天线组网方式“拼接”并辐射向低空而近似得到。

图7 单天线理想立体辐射图

（1）方案一：3 点式

如图8 所示，该方案由地面上3 个天线组成“正三角形”，共同辐射向低空，而构成一个近似单小区理想辐射图。

图8 3 天线单小区辐射图

利用3 点式安装单天线的方法组合出“正三角柱辐射图”，再由这些“正三角”规划出整体网络规划方案，辐射平面如图9 所示，图中数字代表不同小区，颜色代表不同频点。

图9 正三角柱辐射平面

该方案仅支持异频组网，至少需要两个频点，同频组网无法规避模3 干扰问题。

（2）方案二：4 点式

如图10所示，该方案由地面上4个天线组成“正方形”，共同辐射向低空，从而构成一个近似单小区理想辐射图。

利用4 点式安装单天线的方法组合出“正方形柱辐射图”，再由这些“正方形”规划出整体网络规划方案，辐射平面如图11 所示，图中数字代表不同小区，颜色代表不同频点。

图11 正方形柱辐射平面

该方案仅支持异频组网，至少需要两个频点，同频组网无法规避模3 干扰问题。当然频点应该足够充裕，并且多多益善。

由于5G 基本采用有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU），因此上述“辐射立体图”可以通过N个5G AAU 合并的方式解决，且波束宽度符合要求。当然如果仍然采用天线和射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）分离且天线各个参数单独可调的建设形式，则能更好地满足网络需求。

需要注意的是，如图12 所示，上述立体图需要格外注意靠近地面侧的覆盖空洞和靠近3 000 m空域侧的信号杂乱问题。覆盖空洞可以通过其他异频频点进行补盲，信号杂乱需要严格的波束控制。天线辐射波形波束的控制、站址的规划选取、立体优化思维的建立是提升网络质量的关键因素。

图12 辐射柱垂直面

2.4 无线容量规划

目前移动通信要求单小区容量：空闲终端 1 200 用户，可同时激活400 用户，考虑用户感知及业务需求，建议单小区不超过250 用户。具体容量需要根据行业需求进行规划，尤其是通感一体化的感知导致的带宽需求需要同步规划。该业务模型有待建立。

2.5 无线网络制式的选取

网络制式的选取，主要从以下几个方面考虑：

（1）业务带宽需求。频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）制式下行带宽大、上行带宽小，即下行速率远高于上行。但空域网络上行业务速率需求要大于下行，因此FDD 制式速率与业务需求存在一定矛盾。时分双工（Time Division Duplexing，TDD）制式上下行子帧配比可灵活调整，可设置成与业务需求带宽比例相一致的情况。

（2）大气波导干扰。FDD制式不存在大气波导，而TDD 制式存在大气波导。大气波导产生的条件如下：在一定的气象条件下，在大气边界层尤其近地层中传播的电磁波受大气折射的影响，其传播轨迹弯向地面，当曲率超过地球表面曲率时，电磁波会部分地被陷获在一定厚度的大气薄层内，就像电磁波在金属波导管中传播一样，这种现象称为电磁波的大气波导传播。大气波导现象能使TDD 长期演进技术（TDD Long Term Evolution，TD-LTE）的下行无线信号传播很远（水平方向），因此传播距离超过TD-LTE 系统上下行保护时隙（Guard Period，GP）的保护距离，导致这种远端TD-LTE 下行无线信号干扰到本地TD-LTE 上行无线信号[8]。空域专网由于规划天线辐射图几乎垂直辐射向天空，因此相较于陆地TDD 制式移动通信，更不容易产生大气波导，且实践检验证明TDD 制式下F 频段比D频段更不易产生大气波导。

（3）感知需求。感知需要同时且连续地发送和接收数据，这样才能满足高质量的感知需求。TDD 制式无法做到同时收发，FDD 可以实现上行和下行同时收发[9]，但如上文所述，上行带宽较低，理想的双工方式有待提升。

综合考虑起步阶段的业务需求，建议目前使用TDD 制式。

2.6 无线频率规划

无线信道容易受到外界干扰，比如频率越高的系统受降雨的影响更大（雨衰大）。为了充分保证空域通信的及时性、稳定性，建议选取干扰小、覆盖好的频段。例如，最近有报道表示，中国移动或在2025 年彻底退出全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）网络。那么移动退出的900 MHz 频段、广电的700 MHz 频段或TDD 的F 频段则可以考虑用来完成空域专网的主体覆盖，4.9 GHz 用来补盲。后续，随着空域容量的增加再逐步增加更多频段。对于陆地通信网容量的需求，可以利用剩余频段并加大频率复用度的方式进行解决。另外，6 GHz 的逐步增加也必将丰富陆地移动通信的频谱资源。

3 无线网络优化方案

首先，建立立体优化的思维，将传统的平面网络优化转向立体空间的优化。

优化主体方案如下：

（1）切换优化。陆地移动通信系统与空域专网通信系统建立双向切换邻区，同时开启基于距离的切换，也就是高度达到一定程度时再进行切换。由高到低的切换会增加切换难度，为避免乒乓切换，同时开启基于链路质量的迁移和切换。另外，优化相关参数控制切换快速完成，且邻区精简，仅互加无线相邻邻区。

（2）空域专网开启高速迁入、低速迁出的特性，减少陆地移动通信系统中较高楼层用户等对空域专网的入侵，也减小空域专网用户占用陆地移动通信系统信号带来的影响。

（3）同柱状辐射图涉及的AAU 和天线合并为同一小区，避免他们之间的切换和干扰，提升信号质量。

（4）高速的低空飞行会导致多普勒效应，需要开启多普勒频偏补偿等特性。

（5）开启预调度等功能，减小时延。

（6）通过32T32R 与64T64R AAU 的信号测试对比可以知道，在开阔区域两者的测试效果差异不大，主要原因是在开阔区域无法形成有效的多数据流[3]，而空域环境更加缺少产生多数据流的条件。因此，可以通过在地面不同位置分别布放天线来制造多数据流条件。另外，莲蓬式组网、各站点的联合调度、超大规模天线与智能反射面（Intelligent Reflecting Surface，IRS）的应用也可以很好地解决这个问题，这些都给无线网络优化提出了新的要求与挑战。

（7）5G 日常优化关注指标如表2 所示。

表2 日常优化无线指标

4 无线立体网络及飞行管理

低空空域网络涉及飞行器的管理平台和通信网络的管理平台的联动问题。

首先，通信网络管理平台除提供传统网络管理平台功能，还要给出通信网络的垂直高度与水平宽度，这样飞行器就可以在通信网内开展相关业务。低空空域的网络建设会随着空域网络的需求和建设逐步加大。当网络出现异常时，例如告警，可通信区域也会随时给出新的动态调整或预警，这些信息都会及时地同步到飞行器管理平台，便于安排相关业务。

其次，飞行器管理平台则采取类似Flightradar 24 网站（平台）的方式，参照通信网络的可用区域进行管理。该平台通过广播式自动相关监视系统（Automatic Dependent Surveillance Broadcast，ADS-B）能够自动记录飞机的精确位置、速度、高度等数据，并以1 090 MHz、0.5 s 一次的频率对外发送。周围几百千米内的任意一台ADS-B 接收设备在接收后，都可以解析为可视化的图像[10]。由此可知，低空飞行器可以参照类似具有ADS-B 功能的Flightradar24 网站（平台）的方式进行管理，避免黑飞、乱飞。

5 结语

随着低空领域的逐步开放和5G、6G 行业应用的发展与成熟，低空5G、6G 专网通信必将拥有强劲的需求；但是现有陆地移动通信网、卫星通信网等，无法满足应用需求。因此，可以通过这次探讨的低空无线立体通信方案提前布局低空空域的无线网络建设，弥补该空间的网络空白，满足广大用户或行业的需求，进而跨出稳健的第一步，这具有一定的战略意义。正所谓“要致富，先修路”，提前把这条“路”修好尤为重要。