5G泛低空网络部署与服务运营白皮书.pdf

5 G 泛 低 空 网 络部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书V1 .02 0 1 9 年 6 月5 G 泛 低 空 网 络 部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书 V1 .01目 录1 . 引 言 .22 . 需 求 及 挑 战 .22 .1 .市 场 发 展 需 求 .22 .2 .网 络 挑 战 分 析 .43 . 5 G 泛 低 空 网 络 部 署 解 决 方 案 . 63 .1 总 体 体 系 .63 .2 网 络 侧 部 署 解 决 方 案 .63 .4 泛 低 空 网 络 标 准 进 展 .1 14 . 5 G 泛 低 空 网 络 服 务 能 力 .1 24 .1 基 于 MEC 的 泛 低 空 网 络 服 务 .1 24 .2 基 于 网 络 切 片 的 泛 低 空 网 络 服 务 .1 44 .3 安 全 服 务 能 力 .1 55 . 泛 低 空 网 络 服 务 运 营 模 式 分 析 .1 75 .1 泛 低 空 网 络 服 务 典 型 模 式 分 类 .1 75 .2 泛 低 空 网 络 服 务 典 型 运 营 模 式 .1 86 . 总 结 .1 9主 要 贡 献 单 位 .2 05 G 泛 低 空 网 络 部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书 V1 .021 . 引 言随 着 民 用 无 人 机 技 术 的 迅 猛 发 展 并 成 熟 ， 无 人 机 应 用 逐 渐 从 视 距 应 用 扩 展 到超 视 距 ， 从 消 费 领 域 扩 展 到 巡 检 、 农 业 、 物 流 、 安 防 、 森 林 火 灾 监 测 、 环 境 监 测 、安 全 和 边 境 监 控 等 多 个 行 业 领 域 ， 随 着 低 空 无 人 机 交 通 管 理 技 术 的 成 熟 与 政 策 标准 的 完 善 ， 预 计 会 给 产 业 界 带 来 七 到 十 倍 的 商 业 机 会 。 然 而 ， 部 署 大 量 的 无 人 机会 对 地 面 设 施 、 公 共 安 全 、 空 中 有 人 飞 行 器 等 造 成 影 响 ， 亟 需 建 立 低 空 无 人 机 网络 。 根 据 中 国 民 航 局 2 0 1 9 年 第 一 季 度 无 人 机 云 平 台 统 计 数 据 ， 飞 行 高 度 在 3 0 0 m以 下 的 无 人 机 占 据 9 5 %， 因 此 本 白 皮 书 从 此 类 实 际 需 求 出 发 ， 重 点 介 绍 低 空 无 人机 网 络 部 署 与 服 务 运 营 ， 进 一 步 梳 理 归 纳 行 业 应 用 对 低 空 通 信 性 能 的 需 求 ， 评 估基 于 5 G 通 信 网 络 对 低 空 空 域 的 覆 盖 能 力 ， 在 此 基 础 上 保 证 无 人 机 可 靠 联 网 、 有序 飞 行 ， 促 进 无 人 机 行 业 的 健 康 发 展 。2 . 需 求 及 挑 战2 .1 .市 场 发 展 需 求民 用 无 人 机 市 场 是 近 几 年 快 速 发 展 的 新 兴 产 业 ， 2 0 1 7 年 工 业 和 信 息 化 部关 于 促 进 和 规 范 民 用 无 人 机 制 造 业 发 展 的 指 导 意 见 发 布 ， 提 出 到 2 0 2 0 年 ， 民用 无 人 机 产 业 产 值 达 到 6 0 0 亿 元 ， 年 均 增 速 4 0 %以 上 ； 到 2 0 2 5 年 ， 民 用 无 人 机产 业 产 值 达 到 1 8 0 0 亿 元 ， 年 均 增 速 2 5 %以 上 。中 国 民 用 无 人 机 制 造 全 球 领 先 ， 今 年 以 来 国 家 也 积 极 出 台 鼓 励 政 策 ， 确 定 了“ 先 低 空 后 高 空 、 先 载 货 后 载 人 、 先 通 用 后 运 输 、 先 隔 离 后 融 合 ” 的 发 展 路 径 ，通 过 深 圳 试 点 实 现 了 低 空 6 3 %空 域 开 放 ， 构 建 UTMISS 平 台 打 通 军 航 、 民 航 、 公安 等 管 理 系 统 ， 立 法 明 确 企 业 法 人 作 为 无 人 机 业 务 运 营 主 体 ， 为 无 人 机 低 空 运 行5 G 泛 低 空 网 络 部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书 V1 .03创 造 了 良 好 的 政 策 环 境 ： 2 0 1 9 年 5 月 发 布 关 于 促 进 民 用 无 人 机 发 展 的 指 导 意 见 征 求 意 见 ， 无人 机 发 展 路 线 图 ： 先 低 后 高 、 先 载 货 后 载 人 、 先 通 用 后 运 输 、 先 隔 离 后融 合 ； 2 0 1 8 年 1 1 月 中 国 民 航 局 发 布 地 方 法 深 圳 地 区 无 人 机 飞 行 管 理 实 施 办法 （ 暂 行 ） ； 2 0 1 8 年 1 2 月 深 圳 启 动 无 人 机 飞 行 管 理 试 点 ， 推 出 了 无 人 机 综 合 监 管 平台 UTMISS 系 统 ， 低 空 1 2 0 m 开 放 6 3 %空 域 ； 2 0 1 8 年 6 月 1 日 实 施 民 用 无 人 驾 驶 航 空 器 经 营 性 飞 行 活 动 管 理 办 法 (暂行 ) ， 无 人 机 商 业 飞 行 由 民 航 局 颁 发 运 营 许 可 ， 运 营 主 体 为 企 业 法 人 ，截 止 到 2 0 1 9 年 4 月 发 布 无 人 机 业 务 运 营 许 可 企 业 6 0 8 7 家 ； 2 0 1 8 年 1 月 国 务 院 、 中 央 军 委 空 中 交 通 管 制 委 员 会 办 公 室 组 织 发 布 无人 驾 驶 航 空 器 飞 行 管 理 暂 行 条 例 ， 对 轻 小 型 无 人 机 松 绑 ： 产 品 认 证 管控 、 低 空 1 2 0 m 为 非 管 控 空 域 、 可 靠 被 监 视 。随 着 民 用 无 人 机 尤 其 是 工 业 无 人 机 的 发 展 ， 行 业 应 用 对 无 人 机 数 据 链 提 出 了越 来 越 高 的 要 求 。 根 据 对 无 人 机 6 个 典 型 行 业 应 用 的 调 查 发 现 ， 行 业 普 遍 对 通 信链 路 的 诉 求 是 ： 低 空 3 0 0 m 无 缝 覆 盖 、 上 行 传 输 带 宽 1 5 -6 0 Mbps、 飞 行 控 制 时 延1 0 ms；纵 观 现 有 的 低 空 无 人 机 通 信 链 路 技 术 ， 从 6 大 方 面 对 无 人 机 的 数 据 链 通 信 技术 进 行 对 比 ， 可 以 看 出 基 于 移 动 网 络 具 有 明 显 优 势 ， 尤 其 是 5 G 网 络 采 用 Massive5 G 泛 低 空 网 络 部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书 V1 .04MIMO 技 术 ， 具 有 大 带 宽 、 低 时 延 、 高 可 靠 、 大 连 接 特 点 ， 将 成 为 无 人 机 数 据 传输 链 路 新 的 解 决 方 案 。2 .2 .网 络 挑 战 分 析传 统 的 移 动 通 信 网 络 ， 目 的 是 满 足 人 与 人 的 通 信 诉 求 ， 移 动 基 站 的 天 线 朝 向地 面 ， 因 此 空 中 覆 盖 不 足 ， 无 法 满 足 低 空 无 人 机 通 信 的 诉 求 ， 对 网 络 的 挑 战 主 要表 现 在 ： 同 时 满 足 地 面 与 低 空 网 络 覆 盖 的 “ 低 成 本 ” 网 络 建 设 方 案对 于 无 人 机 物 流 、 巡 检 等 应 用 ， 虽 然 有 固 定 的 线 路 ， 但 仍 然 需 要 一 张 线 状 、连 续 的 广 域 覆 盖 网 络 ， 新 建 无 人 机 专 网 投 资 太 大 ， 因 此 需 要 建 网 成 本 低 、 不 影 响地 面 通 信 的 网 络 建 设 方 案 。 干 扰 问 题由 于 无 线 信 号 在 空 中 沿 LOS 径 传 播 ， 无 遮 挡 ， 存 在 大 量 越 区 覆 盖 ， 无 人 机 在空 中 会 收 到 大 量 邻 区 信 号 ， 导 致 下 行 平 均 SINR 下 降 到 0 dB 以 下 ， 如 下 图 示 ：5 G 泛 低 空 网 络 部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书 V1 .05无 人 机 上 行 到 周 围 多 个 基 站 都 是 LOS 径 ， 无 人 机 终 端 上 行 业 务 会 干 扰 周 边 邻区 的 地 面 用 户 上 行 性 能 ， 邻 区 越 多 ， 干 扰 的 范 围 越 大 。 切 换 问 题普 通 城 区 站 间 距 一 般 5 0 0 m， 测 试 发 现 空 中 3 0 0 m 可 以 收 到 2 .5 km 以 外 基 站的 信 号 ， 无 人 机 飞 行 过 程 中 ， 杂 乱 的 小 区 信 号 导 致 频 繁 发 生 切 换 ， 切 换 到 较 远 基站 的 小 区 时 ， 将 发 生 通 信 断 链 ， LTE 网 络 测 试 发 现 随 着 高 度 升 高 ， 重 叠 覆 盖 的 小区 数 增 多 ， 掉 线 率 升 高 。5 G 泛 低 空 网 络 部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书 V1 .063 . 5 G 泛 低 空 网 络 部 署 解 决 方 案3 .1 总 体 体 系根 据 前 面 分 析 ， 大 量 业 务 需 求 集 中 在 低 空 3 0 0 m 以 下 ， 因 此 接 下 来 将 围 绕 低空 3 0 0 m 以 下 的 通 信 解 决 方 案 进 行 阐 述 ， 5 G 泛 低 空 网 络 部 署 解 决 方 案 体 系 如 下 ，包 括 基 础 能 力 和 增 强 能 力 两 大 部 分 。3 .2 网 络 侧 部 署 解 决 方 案根 据 IMT2 0 2 0 发 布 的 5 G 关 键 能 力 图 ， 5 G 空 口 能 力 相 对 4 G 得 到 了 极 大 提 升 ：主 要 体 现 在 上 行 速 率 提 升 至 1 0 0 Mbps, 通 信 时 延 缩 小 到 1 ms， 连 接 数 量 扩 大 到 每平 方 公 里 1 0 0 万 个 ， 可 靠 性 达 到 5 个 9 (9 9 .9 9 9 %)。 然 而 ， 为 了 满 足 低 空 网 络 特殊 的 覆 盖 需 求 ， 仍 然 需 要 使 用 针 对 性 的 技 术 手 段 和 部 署 方 案 ， 才 能 够 提 高 低 空 网络 覆 盖 质 量 。5 G 泛 低 空 网 络 部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书 V1 .073 .2 .1 低 空 网 络 增 强 能 力 3 0 0 m 以 下 立 体 覆 盖5 G 引 入 了 Massive MIMO 天 线 ， 天 线 数 量 提 升 到 3 2 /6 4 /1 2 8 个 ， 实 现 了 天 线与 射 频 单 元 合 一 ， 天 线 数 量 增 多 ， 可 以 使 用 大 规 模 天 线 阵 列 对 信 号 进 行 联 合 接 收解 调 和 发 送 ， 实 现 波 束 从 传 统 单 一 宽 波 束 演 进 成 三 维 立 体 波 束 ， 具 备 了 空 分 复 用能 力 ， 增 加 了 垂 直 维 的 自 由 度 ， 可 灵 活 调 整 水 平 维 和 垂 直 维 的 波 束 形 状 ， 因 而 实现 了 对 低 空 3 0 0 m 的 立 体 覆 盖 。例 如 ， 以 城 区 场 景 的 航 拍 直 播 业 务 为 例 ， 当 无 人 机 距 离 5 G 基 站 较 近 且 无 遮挡 时 ， 经 过 优 化 低 空 网 络 覆 盖 质 量 可 以 达 到 较 为 优 质 的 水 平 ：飞 行 高 度 RSRP（ dBm） SINR（ dB）1 0 米 -6 7 .2 5 2 5 .0 33 0 米 -6 5 .8 5 2 5 .2 75 0 米 -7 7 2 4 .5 2注 ： 以 上 数 据 测 试 来 源 于 单 个 5 G 基 站 覆 盖 下 的 无 人 机 悬 停 测 试5 G 泛 低 空 网 络 部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书 V1 .08 干 扰 消 除通 过 Massive MIMO 垂 直 面 和 水 平 面 的 波 束 赋 形 ， 可 以 对 准 无 人 机 形 成 精 准的 窄 波 束 进 行 发 送 和 接 收 ， 减 少 了 小 区 内 或 者 小 区 间 的 干 扰 ， 可 以 采 用 如 下 的 方式 ： 基 站 侧 ： 采 用 Massive MIMO 形 成 较 窄 Beam 对 准 服 务 用 户 ， 采用 协 作 传 输 的 方 式 ， 即 多 个 小 区 间 协 调 在 时 、 频 、 空 、 码 、 功 率 域 的 资源 来 减 少 干 扰 ， 如 SFNCoMP 等 技 术 ； 终 端 侧 ： 通 过 功 控 优 化 ， 控 制 终 端 发 射 功 率 ； 通 过 码 、 频 域 等 错开 ， 降 低 终 端 干 扰 ； 移 动 性 增 强由 于 空 中 遮 挡 较 少 ， 信 号 特 征 是 LOS 径 ， 导 致 空 中 信 号 杂 乱 无 章 ， 因 此 可 根据 具 体 场 景 空 地 通 信 需 求 ， 采 用 超 级 小 区 等 方 式 将 多 个 小 区 进 行 合 并 ， 降 低 空 中切 换 概 率 ， 保 障 通 信 连 续 性 ；根 据 中 国 无 人 机 运 行 统 计 ， 轻 小 无 人 机 飞 行 速 率 小 于 5 0 m/s， 5 G 空 口 设 计可 满 足 4 0 0 km/h 的 移 动 速 度 ， 因 此 在 频 偏 算 法 上 无 需 进 一 步 优 化 。3 .2 .2 低 空 网 络 建 设 方 案低 空 网 络 的 建 设 的 3 个 原 则 ： 满 足 无 人 机 的 操 控 链 路 和 载 荷 的 通 信 带 宽 与 时延 需 求 ； 对 地 面 用 户 的 影 响 小 ； 低 成 本 。5 G 泛 低 空 网 络 部 署 与 服 务 运 营 白 皮 书 V1 .09根 据 以 上 原 则 ， 可 以 采 用 以 下 5 G 低 空 网 络 建 设 方 案 ： 城 镇 区 域 ： 基 于 Massive MIMO 的 空 地 一 体 化 基 础 覆 盖 网 络 ， 增 加 部 分低 空 专 用 站 ； 基 础 覆 盖 ： 在 城 区 由 于 部 署 了 Massive MIMO 基 站 ， 采 用 低 空 一 体 化 网络 方 案 ， 天 线 主 波 束 面 向 地 面 覆 盖 ， 保 障 地 面 网 络 覆 盖 能 力 ， 利 用 波 束的 旁 瓣 覆 盖 低 空 区 域 。 现 有 规 划 以 地 面 为 主 ， 波 束 普 遍 抑 制 上 旁 瓣 增 益 ，导 致 覆 盖 低 空 的 旁 瓣 增 益 不 足 ， 无 法 满 足 低 空 业 务 要 求 。 可 以 选 择 新 的波 束 设 计 增 加 旁 瓣 增 益 以 满 足 低 空 网 络 要 求 ， 同 时 保 持 地 面 用 户 体 验 不受 影 响 。 热 点 或 盲 点 覆 盖 ： 为 满 足 无 人 机 的 操 控 链 路 和 载 荷 的 通 信 带 宽 与 时 延 需求 ， 在 热 点 或 盲 点 ， 按 一 定 比 例 增 加 低 空 水 平 覆 盖 专 用 站 。