面向5G-A通感一体的场景化解决方案研究与分析

面向5G-A通感一体的场景化解决方案研究与分析

张志钰  刘鹏伟  巩国栋  李泊霖  郭瑞珍

广东南方电信规划咨询设计院有限公司  广东 深圳 518000

【摘要】2024年3月，低空经济首次写入政府工作报告，5G-Advanced(下文简称5G-A)作为5G的演进和增强，基于通感融合、天地一体化、网络智能化及交互式通信等特性，为低空应用提供全生命周期管理的服务。本文将基于5G-A针对空通感一体的场景化方案做出研究与分析。

【关键词】低空经济，5G-Advanced，通感一体

一、研究背景及意义

（一）低空经济的市场前景

低空经济指一般在垂直高度1000米以下、根据实际需要延伸至不超过3000米的低空空域范围内，以民用有人驾驶和无人驾驶航空器为载体，以载人、载货及其他作业等多场景低空飞行活动为牵引，带动相关领域融合发展的综合性经济业态，涉及低空飞行、航空旅游、支线客运、通航服务、科研教育等业务形态，覆盖通用直升机、eVTOL、无人机等飞行器，低空产业涵盖低空基础设施、低空飞行器制造、低空运营服务及低空飞行保障。

自2021年初“发展低空经济“首次纳入国家级规划以来，我国低空经济进入快速发展阶段，2024年3月，低空经济首次写入政府工作报告，且20余省份已将低空经济纳入政府工作议程。2022年我国低空经济行业市场规模为2.5万亿元，到2035年，中央对国家低空经济的产业规模预期达6万多亿元，空间翻倍。

数字经济是全球经济发展的支柱,也是中国经济发展的重点之一。低空经济以低空网络为依托，以无人驾驶航空器(UAV)产业为核心,构建综合涵盖城市管理、快递物流、地理测绘、农林植保、应急救援等领域的经济体系。在政策、监管、市场以及技术的全方位推动下,低空经济有望成为全球经济新的重要增长点,为千行百业带来创新变革、效率提升和新的商业机会。

低空经济应用场景大致可分成城市和非城市两种。

城市场景包括：低空物流、城市空中交通、无人机城市综合治理等飞行活动。

非城市场景：包括偏远地区的工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行，以及医疗救援、海洋监测、教育训练、科学实验、应急救援、气象探测等。

（二）低空经济的主要挑战

1．缺乏高效的技术监控手段

为了实现低空经济规模化、高质量、安全可控的发展，需要凭借高效、完备、科学的低空飞行监管技术对大密度、高频次、多类型的低空飞行活动进行监控，及时识别与管控不合理和不合法的飞行行为。然而，对于传统的雷达技术而言，其单站监控方式能力有限，难以发现和应对在雷达显示器上时隐时现、忽明忽暗的“低慢小”目标。同时，多站组网费用高昂，难以满足规模化的低空飞行活动监控需求，且受光照条件影响，难以满足远距离、全天候的监控需求。

2．需要满足大上行、低时延业务需求

越来越多的低空无人机业务将普遍要求有视频或图片回传，甚至是高清视频回传，上行速率普遍要求在每秒几十到几百兆速率，而对于下行速率要求通常不高，因此无人机业务具有明显的上下行不对称的特性。而传统对地覆盖的移动网络则主要服务于人，以下行业务为主，移动通信领域以往更多聚焦在提升网络的下行链路容量。因此，如何基于蜂窝移动网络技术来保障未来大量无人机的大上行、低时延业务需求是将要面临的较大挑战。

二、基于5G-Advanced的低空网络系统

（一）5G-Advanced的概念

2021年4月，国际标准化组织3GPP正式确定5G-Advanced(5G-A)为5G下一阶段演进官方名称，从Rel-18开始，这标志着全球5G发展进入新阶段。5G-A在时延、带宽、速率、可靠性等关键指标上的表现介于5G和6G之间，也被称为“5.5G”，5G-A是通信技术从5G走向6G的必要过渡和衔接，发挥着“承前启后”的重要作用。根据网络演进版本，5G-A预计包含R18、R19、R20三个版本，当前R18的大部分工作已经完成，预计将于2024年中完成标准冻结。

R18主要围绕现网能力升级、增强行业适配能力、新方向探索三方面持续演进。具体体现为:现网能力升级方面，R18主要研究上行MIMO增强、非地面网络、网络节能、XR增强技术等:增强行业适配能力方面，RI8主要为降低轻量级UE复杂度、研究低功率UE唤醒信号和接收机提高终端能耗效率等:新方向探索方面，R18推进空口引入人工智能机制和全双工技术。

图表1:5G-A与5G性能参数比较

IMT-2020(5G)推进组发布《5G-Advanced场景需求与关键技术白皮书》。面向2024年及以后，白皮书提出5G-A总体愿景：万兆泛在体验，千亿智慧联接，超能绿色业态；同时指明5G-A的发展目标：作为基础设施，深化数智社会转型。

5G-A将面向六大主要应用场景：沉浸实时、智能上行、工业互联、通感一体、千亿物联和天地一体，进一步增强网络、终端、云等端到端技术能力，支撑数字、智慧、绿色低碳社会基础设施的构建。

图表2:5G-A六大应用场景

（二）低空网络系统架构

低空网络系统依托蜂窝移动通信网络、物联网、云计算等基础设施,形成通信、感知、计算一体化的智能互联低空数字化服务体系。低空网络以实现“泛在连接、全域感知、智能计算”为目标,为监管部门提供便利的、全面的、智能的低空空域管理解决方案,引导设备制造商与服务提供商对低空无人机设备进行合法化生产与运营管理,为低空行业用户提供智能化、多样化的低空体验,赋能新型低空应用。

低空网络的功能架构主要包含应用层和功能层。应用层直接为涉及应急救援、农林植保、快递物流、城市管理、地理测绘等众多领域的第三方行业用户提供低空服务。功能层基于网络资源、存储资源以及算力资源为应用层提供多样化的通信能力、感知能力和智算能力。

图表2:低空网络功能架构

1．通信能力

通信能力旨在满足低空网联无人机多样化通信功能,包含基础的接入、数据/指令转发、信息上报、身份标识认证等。对于网联无人机的身份认证尤为重要,是无人机有效监管的基石。针对网联无人机,需要提供数据传输和控制指令传输等基础通信能力保障。无人机载荷采集的图像和视频数据、无人机全球定位系统(GPS)及传感器获得的位置信息、姿态信息可以按周期或实时上报给各个低空业务平台和低空管控平台。

无人机,指导其按要求行驶或应对紧急情况。无人机通信方式可能包括5G/4G和其他宽带/窄带无线通信方式。根据业务场景的具体需求,无人机可以配置不同的的通信方式。对于应急通信、航道控制等要求高可靠、低时延场景和对于高清(HD)视频传输、巡检监控等大带宽场景,5G技术在速率、时延、覆盖等方面具有明显优势,可实现网联无人机高效可靠的通信保障。

根据3GPP TS22.125无人机应用的性能需求,对于8K视频直播,要求达到上行100Mbps数据速率,端到端时延200ms;下行600Kbps数据速率，端到端时延20ms。对于4x4K人工智能(AI)监控,要求达到上行120Mbps数据速率，端到端时延20ms;下行50Mbps数据速率,端到端时延20ms。对于通过高清视频的远程无人机控制,要求达到上行25Mbps数据速率，端到端时延100ms;下行300Kbps数据速率，端到端时延20ms。对于无人机的命令和控制通信,针对“Steer to waypoints”控制模式,所需传输的数据的上行速率要求约为0.672Kbps-1.12 Kbps,下行速率要求约为0.8Kbps;针对“Automaticflighton UTM”自动飞行控制模式,所需传输的数据的上行速率要求约为2.4Kbps，下行速率要求约为16Kbps。

2．感知能力

感知能力旨在利用无线信号实现对目标无人机或环境的主动感知功能。通过有效提取无人机等动态目标以及环境等静态目标对无线信号特征的影响,低空网络能够实现对低空飞行目标的测距、测角、测速、定位、追踪等功能。这些信息可辅助实现无人机的入侵检测和碰撞规避，对无人机进行路径追踪,进而实现远程监控等。

对于具备飞行资质的合法无人机,网联无人机将按照监控要求通过通信网络定期上报位置、状态等飞行信息。非网联无人机信息则可从航线申报信息系统获取飞行路线和无人机型号参数。低空网络的感知功能将通过无线感知技术判断每一架可识别无人机位置和轨迹数据,并与前述无人机预知信息进行比对和联合分析,则可有效侦测不具备飞行资质的非法无人机,进而实施有效驱离，以保证低空空域安全。

根据3GPP TR22.837性能需求,对于无人机入侵检测，要求达到5-10m定位精度,感知时延小于1000ms,不超过5%的漏检率和虚警率。对于无人机防撞,要求达到1m水平定位精度,感知时延小于500ms。对于无人机飞行路径跟踪，要求达到1-10m的距离分辨率和1-10m/s的速度分辨率。感知功能的实现是基于网络物理资源。在通感一体化系统中,感知功能与通信功能共享物理资源,可根据业务场景需求进行时域、频域、空域的资源动态管理和多维度复用。低空网络需要具备灵活的资源配置能力,考虑不同应用场景的业务指标进行通信和感知资源分配，实现感知和通信资源的协同优化,从而提高频谱资源的利用效率,在保证通信性能的同时最大程度提升感知性能。

3．智算能力

智算能力旨在为低空网络提供可靠的智能计算功能,实现基于图像、声音及相关数据的智能处理，以支持低空系统中业务预测、故障诊断和飞行决策等功能。针对无人机获得的传感器数据、视频数据进行智能计算和分析，提供无人机状态异常检测、非法入侵监测等多样化低空业务保障能力。通过对无人机等目标的特征提取与分析，实现目标种类的识别。通过对无人机的位置跟踪以及其历史运动轨迹的分析，预测其未来的轨迹及可能驻留的小区。

低空网络集成了无人机及用户的基础数据、无人机采集上报的数据、第三方服务数据等信息,要求网络具备全面、高效、智能的数据处理和计算能力。智算功能的实现是基于算力资源,这很大程度上决定低空网络服务的性能和效率。算力资源的分布和协同也将对低空网络系统的时延产生决定性影响。因此,需要灵活调度计算资源、存储资源以及网络资源,实现云、边、端协同的低空信息网络。

（三）5G-Advanced低空解决方案

由于低空空域高度可达地而以上1000m，而现有无线通信网络(4G/5G网络)的有效覆盖高度大致为150m左右，所以通信基础设施需要进一步突破和完善，最终解决方案可能是专用通信链路/网络、5G-A通感一体化网络、未来的低轨卫星网络。目前而言，最快速、便的网络模式便是5G-A网络。即建设覆盖全域的多方位多模态的通信、导航和监测等信息基础设施，将低空空域和飞行器信息数字化。搭配SIAS系统的智能处理能力，对低空所有飞行器的精细化监测、识别、定位和报送，以及为空中人员提供网络通信。

图表2:低空网络功能架构

1．通感融合

在通信模块中赋能感知功能，利用通信系统的频谱资源、空口技术、硬件资源处理单元等接收感知信号并进行处理，基于核心网的深度分析、智能化运算及能力开放，实现多维多粒度的环境和目标感知功能并提升系统频谱效率、硬件效率和信息处理效率。

未来通感演进方向：5G-A通感融合网络架构向着通感智算一体化方向进行演进，引入通感智算一体化的核心网、通感智算多功能无线接入网和具有通感智算能力的多功能移动终端，通感智算一体化的核心网可对外开放感知服务。

2．天地一体化

下一代网络趋势：未来6G主要表现为天地一体化，天地一体化信息网络包括卫星互联网、地面互联网和移动通信网互联互通，建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。

5G-A将推进天地一体化融合网络：支持地面基站、不同轨道高度的卫星以及中高空飞行器等各类网络节点间的融合，构建包含统一空口协议和组网协议的服务化网络架构，实现全球无缝地理覆盖。

3．网络智能化

5G-A使能网络智能化：如可服务网络、安全、管理等领域，将云网大数据资源通过人工智能算法转化为云网的智能规划、业务分析、故障诊断、动态优化能力。引入NWDAF（网络数据分析功能）标准网元：NWDAF是人工智能+大数据的引擎，具备能力标准化、汇聚网络数据、实时性更高、支持闭环可控等特点。MDAS（管理数据分析服务）是3GPP SA5正在研究的服务能力，它与人工智能和机器学习技术相结合，为网络服务管理和编排带来了智能化和自动化。

4．交互式通信

5G-A赋能交互式通信：是指在实时通信的基础上搭载新的数据的传输通道，为用户提供除音视频之外的更丰富的实时交互服务。5G-A建立与IMS音视频通话同步的数据通道，同步叠加AR及听觉、视觉、触觉、动觉、环境等信息，实现全沉浸式体验。5G爆款应用有望加快出现：随着网络技术、视听技术、内容生态的持续发展，AR/VR/MR/裸眼3D等新业务有望加快推出，并成为5G杀手级应用。

（四）5G-Advanced低空服务能力

主要目标：为实现对无人机的有效管理，需要监管者能在任何时间任何地点与任何无人机保持低时延的双向通信，以保证监管者对无人机能看得见、叫得到、管得住。

整体技术架构：中间层为通感算一体化，可为无人机等提供飞行监管、全生命周期管理等服务能力。向下对接制造商、应用能力提供商等，向上与监管方、运营方交互，并赋能行业用户以多种应用、数据管理信息等能力。

1．全生命周期身份管理服务

主要服务：统一身份认证能力。可以有效提高无人机的安全性、可管理性和可追溯性，是构建无人机全生命周期高速信 息通道的关键。身份信息统一认证流程包含了注册、 分发、 认证和权限管理四个环节，分布在无人机的研发制造、 认 证适航、流通运行和监管服务的全生命周期，支持随时随地获取无人机的身份、所属权、运营人等诸多信息。

2．智能辅助决策服务

主要服务：协调多个无人机的任务分配、路径规划和数据的传输，实现无人机的整体监控、任务调度和资源管理。在无人机通信中，网络资源包括无线频谱、带宽、信道等。通过动态路由选择，可以根据当前网络资源的利用情况和无人机的通信需求，实时调整通信路径，选择最优的路由方式，使得各个无人机之间的通信负载均衡，充分利用网络资源。

3．安全管理及定位追踪能力

主要服务：1）鉴权授权：UAV在启用UAS服务连接之前，3GPP系统可依托于成熟的安全管理机制实现对UAV的接入或通信的授权，即USS在3GPP系统的支持下，通过UUAA过程进行认证和授权。2）位置追踪：基于5网络能力可实现对单个UAV或指定区域内无人机设备位置信息的实时获取。

（五）5G-Advanced技术优势

1）与传统雷达探测的范围相比，通过5G+多基站协同探测方式可以缩小感知盲区，实现整个区域全覆盖。5G-A频段和一般雷达相比，频率较低，更容易绕过障碍物，从而实现在建筑物较多的情况下更好的覆盖。通感一体化基站的探测距离可超过1.5千米，探测精度达到亚米级，这意味着在基站覆盖范围内，感知到的目标物位置和实际位置误差小于1米；

2）成本低、部署快。由于基站覆盖率较高，不需要重复建设，只需增加一个面向空域的通信基站即可，通感一体技术成本和部署速度具备明显优势。如中国工程院邬院士表示：“在不改变5G基站天线仰⻆的前提下，低空探测空间高度近600米，这将避免低空专网的重复建设，有助于城市对‘低慢小’⻜行物的识别和管理。”；

3）节省频谱资源。使用的都是已授权的通信频段，无需另外划分频段；

4）基站通感一体的无线信号发射功率极低，不会对居民健康造成影响，干扰小。

三、结论

低空经济快速发展，但面临有效的技术监控手段、大上行、低时延等问题，传统的5G网络无法满足，5G-A是5G能力的升级，并增加同行感知融合、上行超宽带、宽带实时交互等功能。5G-A通感一体化技术是推动低空经济发展的关键因素。它不仅增强了通信网络的感知能力，还为低空飞行器提供了精确的定位、跟踪和管理服务。这项技术通过整合通信和感知功能，实现了对低空环境的实时监控，极大提高了低空飞行的安全性和效率。随着5G网络的不断演进，5G-A通感一体化技术将更加成熟,助力低空经济快速发展。

参考文献：

【1】中泰证券《5G-A通感一体赋能低空经济报告》，2024；

【2】粤港澳大湾区数字经济研究院《低空经济发展白皮书(2.0)一全数字化方案》,2023;

【3】中国电信《通感一体低空网络白皮书》，2024；

【4】IMT-2020(5G)《5G-Advanced网络技术演进白皮书2.0（2022）》，2022；

【5】3GPP. Uncrewed Aerial System (UAS) support in 3GPp(Release 19):TS 22.125V19.1.0-2023 [S/0L].V  bonne: 3GPp Support Office, 2023.

【6】3GPP. Study on Integrated Sensing andCommunication(Release 19):TR 22.837V19.2.0-2023 [S/0L].Valbonne: 3GPp Support Office, 2023.

【7】赛迪顾问《中国低空经济发展研究报告（2024）》；

【8】中国移动(成都)产业研究院、中国移动通信研究院《移动低空网络信息服务能力白皮书》，2023年；

【9】中国联通《5G-A通感算融合技术白皮书》，2022年。