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 引 言 

近年來(lái)，低空經(jīng)濟(jì)不斷賦能交通、物流、文旅等產(chǎn)業(yè)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了新動(dòng)能。低空經(jīng)濟(jì)是以低空空域?yàn)橐劳校愿鞣N有人駕駛和無(wú)人駕駛航空器的各類低空飛行活動(dòng)為牽引，輻射帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟(jì)形態(tài)。在這其中，無(wú)人駕駛航空器尤其是無(wú)人機(jī)的應(yīng)用，正成為不容忽視的趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)傳統(tǒng)模式是基于遙控器與無(wú)人機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)視線范圍內(nèi)的人工操作，未來(lái)低空經(jīng)濟(jì)場(chǎng)景下，其趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)超視線范圍的遠(yuǎn)程控制和無(wú)人機(jī)自主操作。這意味著無(wú)人機(jī)在數(shù)百米高度層中進(jìn)行飛行時(shí)需要高帶寬、低時(shí)延，并滿足低空縱深覆蓋的通信服務(wù)。新一代移動(dòng)通信技術(shù)，如5G/5G+通信技術(shù)，因其具有大帶寬、低時(shí)延、抗干擾、廣接入、多波束指向等鮮明特點(diǎn)，正在成為解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵，這些通信技術(shù)的應(yīng)用不僅能促進(jìn)無(wú)人機(jī)技術(shù)成熟和產(chǎn)業(yè)鏈完善，也有助于打通應(yīng)用孤島，為面向低空經(jīng)濟(jì)的數(shù)字化服務(wù)平臺(tái)奠定通信基礎(chǔ)底座。

本文首先描述了低空經(jīng)濟(jì)場(chǎng)景下無(wú)人機(jī)通信的應(yīng)用場(chǎng)景，然后從穩(wěn)定覆蓋、干擾抑制、移動(dòng)性管理、安全管理等方面探討其面臨的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)措施，最后在總結(jié)3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)人機(jī)通信在人工智能應(yīng)用、多無(wú)人機(jī)協(xié)同通信、空天地一體化通信、通感算融合等方面的技術(shù)進(jìn)行展望。

 面向低空經(jīng)濟(jì)的無(wú)人機(jī)通信應(yīng)用場(chǎng)景 

無(wú)人機(jī)與移動(dòng)通信技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)控和管理、航線的規(guī)范、效率的提升，促進(jìn)空域資源的合理利用，從而極大延展無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。新一代蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)5G/5G+為無(wú)人機(jī)賦予的實(shí)時(shí)超高清圖傳、遠(yuǎn)程低時(shí)延控制、永遠(yuǎn)在線等重要能力，將加速推進(jìn)以網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化為特點(diǎn)的低空智能網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。本節(jié)針對(duì)低空經(jīng)濟(jì)中的無(wú)人機(jī)通信應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行初步分析，如圖1所示。

圖1 低空經(jīng)濟(jì)應(yīng)用場(chǎng)景圖

一、指揮控制通信

無(wú)人駕駛航空系統(tǒng)(Uncrewed Aerial System，UAS)是無(wú)人駕駛飛行器(Uncrewed Aerial Vehicle，UAV)和UAV控制器的組合。UAS的通信既包括指揮與控制通信(Command and Control，C2)，也包括UAS組件到服務(wù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的上下行鏈路數(shù)據(jù)，如圖2所示。無(wú)人機(jī)傳統(tǒng)模式是基于遙控器與無(wú)人機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)視線范圍內(nèi)的人工操作。隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用的快速發(fā)展，通過(guò)移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)超視線范圍的遠(yuǎn)程控制已成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用的通用功能。C2鏈路將無(wú)人機(jī)飛行控制命令從地面控制站傳送到無(wú)人機(jī)，也從無(wú)人機(jī)攜帶遙測(cè)數(shù)據(jù)到控制器以促進(jìn)有效操作。除了C2直接通信以外，移動(dòng)通信還支持網(wǎng)絡(luò)輔助C2通信和UTM(Uncrewed Aerial System Traffic Management)導(dǎo)航C2通信，前者可在蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無(wú)人機(jī)之間以及網(wǎng)絡(luò)與無(wú)人機(jī)控制器之間建立單播C2鏈路，后者被UTM用于監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行狀態(tài)、提供飛行路徑更新、跟蹤無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航并在需要時(shí)提供飛行導(dǎo)航命令。通過(guò)無(wú)人機(jī)命令和控制通信可以為空中交通管理提供全面、端到端、低時(shí)延服務(wù)，從而支撐物流、交通等行業(yè)的網(wǎng)聯(lián)化、實(shí)時(shí)化、智能化應(yīng)用。

圖2 3GPP生態(tài)系統(tǒng)的UAS模型

二、數(shù)據(jù)傳輸通信

利用無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸通道，為無(wú)人機(jī)配備高清攝像頭、各類氣體/溫度/濕度傳感器等，可以提供只能從空中提供的新型服務(wù)，并在各個(gè)垂直行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。主要場(chǎng)景有三類：第一類是利用各類傳感器進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施檢查，如對(duì)輸電線路、輸油管道、基站塔臺(tái)、風(fēng)力發(fā)電等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行巡檢和檢測(cè)；第二類是利用無(wú)人機(jī)協(xié)助收集各類信息，如在農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域?qū)r(nóng)作物、土地肥力進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析，在地理測(cè)繪領(lǐng)域?qū)Φ貓D數(shù)據(jù)抓取和拼接等；第三類是將無(wú)人機(jī)與全景VR直播相結(jié)合，使得現(xiàn)場(chǎng)視頻體驗(yàn)成為可能，就像觀眾身臨其境一樣。由于場(chǎng)景和需求不同，這些應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捄蛯?shí)時(shí)性等性能要求又各有不同。

三、輔助接入通信

無(wú)人機(jī)由于易部署、具有高機(jī)動(dòng)性和懸停能力、維護(hù)和部署成本低，既可以作為終端，也可以作為空中無(wú)線電接入節(jié)點(diǎn)(Radio Access Node on-Board UAV，UxNB)用于擴(kuò)展蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍或增加容量。它可以在自然災(zāi)害發(fā)生后，地面通信設(shè)備受到破壞的情況下快速部署，為受災(zāi)地區(qū)的應(yīng)急救援和日常通信提供基礎(chǔ)保障。除此以外，在體育賽事、大型活動(dòng)、音樂(lè)演出等熱點(diǎn)事件中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)面臨著極高的通信容量需求，可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)惡化、呼叫中斷和互聯(lián)網(wǎng)連接降級(jí)，使用配備小型蜂窩的按需無(wú)人機(jī)群可以更好地解決這一挑戰(zhàn)。UxNB會(huì)飛到需要無(wú)線服務(wù)的指定區(qū)域，在那里盤旋，同時(shí)為地面用戶提供無(wú)線連接。

 面向低空經(jīng)濟(jì)的無(wú)人機(jī)通信挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì) 

由于各類無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景和服務(wù)對(duì)象不同，因此不同場(chǎng)景下對(duì)帶寬、速率、時(shí)延、覆蓋、定位等方面的通信能力需求存在差異。除了需要滿足通信的數(shù)據(jù)類型和場(chǎng)景需求之外，低空經(jīng)濟(jì)場(chǎng)景下無(wú)人機(jī)通信服務(wù)還需要解決無(wú)線通信環(huán)境差異帶來(lái)的新問(wèn)題，應(yīng)對(duì)低空無(wú)人機(jī)設(shè)備異構(gòu)、高密度、高頻次、高安全要求等特性帶來(lái)的監(jiān)管和服務(wù)新挑戰(zhàn)，保證監(jiān)管者對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)“看得見(jiàn)、叫得到、管得住”的有效管控。本節(jié)針對(duì)無(wú)人機(jī)通信的關(guān)鍵問(wèn)題，從穩(wěn)定覆蓋、干擾抑制、移動(dòng)性管理、安全管理等方面探討低空經(jīng)濟(jì)下無(wú)人機(jī)通信的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)。