5G-A通感一体化之低空无人机精准互联

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���E�����0 5G-A 通感一体化之低空无人机精准互联 江强 1 费文超 2 覃世慧 3 吴宝栋 3 谢华标 1 李鹰 1 (1. 中国移动通信集团广东有限公司肇庆分公司,肇庆 526040; 2. 中国移动通信集团公司,北京 100080; 3. 中国移动通信集团广东有限公司,广州 510623) 摘要:结合 5G 技术,可以对 5G 收发模式、空间复用方式、感知波形、资源配置进行升级。 在 5G 系统上 部署通感任务开关等参数,升级成 5G-Advanced(5G-A)系统,可以解决低空 5G 覆盖的空洞,以及提升 低空终端的连接,改善低空波形干扰,最终实现低空无人机精准互联管控和低空感知提升。 关键词:5G-A;低空;无人机;海域 中图分类号:TN929. 11 文献标志码:A 引用格式:江强, 费文超, 覃世慧, 等 . 5G-A 通感一体化之低空无人机精准互联[J]. 信息通信技术与 政策, 2025,51(11):24-30. DOI:10. 12267/ j. issn. 2096-5931. 2025. 11. 004 0 引言 如何更好地发展低空装备与落地低空经济场景等 问题,仍有很多议题值得深入研究 [1]。 在传统的 4G/ 5G 通信系统中,传统基站的天馈垂直张角小,主要为 对地覆盖,垂直覆盖范围有限。 例如,传统的正交频分 复 用 ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)连续波信号不同的雷达应用场景,子载波分配 灵活,系统切换开销小易于实现,但发射功率低、感知 距离近,需优化功率,使感知距离能够得到最大化的提 升。 目前,5G 基站部署在相对比较高的建筑上,距离 地面覆盖近,5G 基站上方的低空领域信号阻挡少,接 近自由空间传播。 随着无人机等低空、海域智能化的 作业需求不断增加,传统的通信在低空、海域智能化领 域面临着严峻的考验。 5G-Advanced(5G-A)的出现弥 补了低空、海域智能化的空白,从地面到空中,从大陆 到海洋,皆可实现万物互联。 1 5G-A 的优势 5G-A 是基于目前 5G 网络的功能和覆盖上进行 相应的演进和增强,是介于 5G 和 6G 之间的移动通信技 术。 5G-A 通感一体具备传统 5G 的能力,在空间覆盖、 天馈波形、脉冲波频率和覆盖距离上有着很大的提升。 空间覆盖提升:在通感一体化覆盖场景中,覆盖区 域不再是单一的地面环境,而是空中与地面相结合的 环境。 在规划时需同时考虑地面覆盖与低空区域覆 盖,以实现更全面的覆盖。 天馈波形提升:传统基站的天馈垂直张角小,主要 为对地覆盖,垂直覆盖范围有限。 通感系统天馈垂直 采用大张角,覆盖空域更高,无盲区。 不仅覆盖地面用 户,还能有效服务于低空飞行器等(见图 1)。 脉冲波频率提升:感知脉冲波频率随时间线性变 化,脉冲周期时间段,距离分辨率高,脉冲压缩技术,感 知距离远。 传统的 OFDM 连续波信号不同的雷达应 用场景,子载波分配灵活,系统切换开销小、易于实现, ·24· �N��5G-A+AI�= � � �����0���� 但发射功率低,感知距离近,需优化功率,使感知距离 能够得到最大化的提升(见图 2)。 �� �� 图 1 天馈波形覆盖变化 LFM� OFDMA� 图 2 脉冲波频率变化 � � 1 2 3 图 4 天线不同场景收发模式图 覆盖距离提升:地面覆盖距离近,低空信号阻挡少 接近自由空间传播,距离可达到地面环境的数倍。 感 知的距离受目标大小影响大,最远可达十公里以上,规 划时需要兼顾考虑感知与覆盖的距离差异,采用相应 的覆盖策略,以确保双方的需求都得到满足。 2 5G-A 的关键技术 2. 1 收发模式 收发模式包括“A 发 A 收”和“A 发 B 收”两个方案。 方案一:A 发 A 收。 基站 A 既作为感知信号发射源,又作 为感知接收检测(见图 3a)。 方案二:A 发 B 收。 基站 A 作为感知信号发射源,基站 B 作为感知接收检测(见图 3b)。 采用方案一的方式,便于确定目标位置,有站间同步 的优势,为业界成熟的主流方案,稳定可靠(见图 4)。 � � � �� �� �� �� �a� �b� 图 3 收发模式呈现图 ·25· ���E�����0 2. 2 空间复用模式 空间复用模式分为时分、频分、空分、一体化 4 种。 时分通感一体化(Integrated Sensing and Communication, ISAC)方法的频谱和能量效率较低,为了最大化集成 增益,需要设计一种完全统一的 ISAC 波形,在时间、 频率和空间资源上实现共享和重叠利用(见图 5)。 � � 1 3 2 H V � 4 ���� � � � � ��� � 图 5 空间纬度图 2. 3 脉冲波技术 雷达系统常用的线性调频信号(Linear Frequency Modulation,LFM)脉冲波,感知覆盖范围可达千米,但 存在近端盲区。 OFDM 信号是连续波,若用作感知不 存在近端盲区,但为保证收发隔离度,发射功率较低、 覆盖距离有限。 采用 OFDM 和 LFM 混合波形,融合 通信和雷达两种波形技术优势,连续波覆盖近端、脉冲 波覆盖远端,实现远距离连续覆盖(见图 6)。 目前,双 工操作存在干扰严重的问题,通过改变 5G 帧结构架 构,对 OFDM 通感一体化信号在时分双工受干扰的情 况下,射频域对共址干扰信号进行重建,在接收端进行 干扰对消达到消除共址干扰的目的 [2]。 2. 4 空资源配置 感知辅助的资源分配分为带宽分配、波束宽度分 配和功率分配。 其中,带宽分配根据通信速率和感知 分辨率需求进行分配;波束宽度分配则根据目标距离 和速度分配不同的波束宽度;功率分配需同时考虑通 信速率和感知精度指标进行分配。 2. 5 感知的分辨率 感知的分辨率表示可以被系统区分的两个相邻目 C � P � 图 6 无线信号波长图 标的最接近程度 [3],可以有效地解决干扰问题,以及提 升准确性和感知。 感知的分辨率包括: 距离分辨率: ΔR = c 2B (1) 角度分辨率:Δθ ≈ 0. 886λ D (2) 速度分辨率:Δv = λ 2NsysTr (3) 其中,c 表示光速、B 表示信号带宽、D 表示天线阵列孔 径、Nsys 表示感知信号脉冲或者符号个数、Tr 表示感知 脉冲或者和符号的重复周期。 距离分辨率与带宽直接 相关,带宽越大距离分辨率越好;角度分辨率取决于天 线的半功率波束宽度,天线阵列的半功率波束宽度越 小角度分辨率就越高;速度分辨率取决于感知信号相 ·26· �N��5G-A+AI�= � � �����0���� 参积累时间 [3]。 3 5G-A 的应用场景提升 据统计,福建省工业和信息化厅结合省内各行业 无人机使用需求与发展趋势,科学规划、合理分配无线 电频率资源,强化无人机无线电行政许可规范化管理; 同时,实地调研多家无人机生产企业,积极推动企业开 展型号核准,从源头规范无人机无线电设备管理 [4]。 3. 1 海面感知业务 一是海事监管:实时监测船舶航向、航速、位置、轨 迹等,及时发现并预警异常行为,如偏离航道、超速等, 有效防止海难事故的发生,提升海上通航安全性。 二是入侵预警:可对海域上指定范围设置电子围 栏,如海上设施周边、养殖区周边、重要港口、监测围栏 范围周边船舶状态,进行入侵预警和告警。 三是电子巡航:通感数据可与船舶电子海图显示 和信息系统( Electronic Chart Display and Information System,ECDIS)、 船 舶 交 通 管 理 系 统 ( Vessel Traffic Management,VTM)进行融合,为航线进行优化,为海 上航行安全保驾护航。 3. 2 低空无人机跟踪 作为全国低空空域管理改革试点城市与首批国家 通航产业综合示范区,珠海市凭借扎实的产业基础、创 新的应用实践与清晰的发展思路,正努力成为全省低 空经济高质量发展的“排头兵” [5]。 低空无人机面临 的无人机自身配备仪器仪表的限制和专用雷达的限 制。 一方面,无人机自身配备仪器仪表的限制,例如相 机会受到光线的影响、无人机搭载的雷达会受到降雨 或降雪的影响等,如果发生这些情况,无人机就无法正 确判断自己的位置、高度或速度,从而无法按照预定路 线飞行;另一方面,专用雷达的限制,虽然目前已有专 用的无人机监控设备和雷达,但由于缺乏可用场地、安 装和维护成本高昂,其大规模部署面临巨大挑战。 商用无人机业务包括快速物流、航空摄影、环境监 测等,通常商用无人机业务根据预定的飞行路线按照 规定的位置、高度、速度和方向飞行,如包裹投递无人 机从包裹寄件人飞向包裹收件人等。 虽然无人机配备 了传感器来保持自身沿飞行路线飞行,但由于这些传 感器有时会受到限制,因此仍然需要外部无人机飞行 轨迹跟踪功能。 5G-A 能有效解决低空无人机遇到的 这些问题。 3. 3 雨量监测 雨量监测是一个对水力结构设计、农业、天气预 报、气候建模等多个应用领域都非常重要的课题。 目 前,最广泛使用的测量方法是雨量计。 传统雨量监测 使用的雨量计位于特定地点,大范围雨量监测成本高 昂。 无线网络基站通过合理规划可以覆盖更广的区 域、获得水平方向上更大范围的测量值。 在区域农业管理中,农业种植区域的灌溉系统结 合区域降雨量监测服务自动调节灌溉、排水计划、自动 施肥提醒。 当降雨量较少时,根据减少的雨量自动增 加灌溉计划、减小排水量,改善农田含水量状况;当降 雨量较多时,自动减少灌溉计划、增加排水量,以避免 农作物损失。 3. 4 景区流量管理 旅游景区的交通流量管理应充分考虑景区内的空 间承载力、设施承载力、生态承载力等可能诱发灾害的 因素。 旅游景区的流量控制包括客流管理和车流管理 两个方面。 对于面积较大的旅游景点,在难以部署摄 像头和其他传感器等设备的情况下,使用基站获取交 通感知数据源将非常方便。 例如,景区开始开放时,景 区管理员启动景区交通管理系统。 景区交通管理系统 自动向移动网络发出服务请求,开始感知景区内的人 员和车辆。 景区出入口的基站开始感知进出景区的人 员和车辆,景区内的基站开始感知特定区域(如区内景 点)的人流情况。 网络将景区基站的交通感知信息上 报给交通监控系统,分析交通状况,判断该区域的交通 是否拥堵、人流是否拥挤。 如果拥堵超过阈值,系统将 通知景区管理员、触发限流,以避免景区交通超载;如 果人流在某处过于集中超过阈值,系统将通知管理员, 给出人流引导方案,避免超出景区负荷。 4 低空无人机应用实践 低空经济场景业务主要集中在无人机上行图片及 视频回传、飞行态势监测、 航路入侵检测、失控异常告 警等方面。 结合具体场景应用,可采用单站三扇区蜂 窝结构,通过合理设置站间距,部署适量基站,发挥覆 盖范围大的优势,实现连片覆盖;也可采用单站单扇区 鱼鳞结构,对于航路区域进行精准覆盖。 ·27· ���E�����0 4. 1 场景业务需求 感知速度范围:支持感知运动速度范围在 5~100 km/ h 的目标;感知速度分辨率:支持感知水平和垂直运动速 度分辨率最小 5 m / s;感知刷新率:支持最大感知刷新 率不超过 1 s;航迹起始时延:有多个基站同时感知相 同物体,从基站稳定感知目标开始,到感知系统可稳定 呈现满足感知需求的航迹时间(见表 1)。 表 1 无线环境情况 通信指标 要求 通信覆盖高度/ m 300 上行边缘速率/ Mbit/ s 5~25 感知指标 要求 感知目标 RCS/ m2 0. 01~2 感知高度/ m 300 感知位置精度(水平/ 垂直) / m 10 感知距离分辨率/ m 10 感知速度/ km/ h 5~100 感知速度分辨率/ m/ s 5 检测率 95% 虚警率 5% 置信度 95% 刷新率/ s 1 4. 2 组网规划 应用需求:区域内有无人机监管、热气球/ 滑翔伞 定位监管、黑飞识别等需求;网络结构:低空无明显遮 挡,避免站址周围含有较高的建筑物,避免遮挡,保证 直射径,平均站距一般要求 1 km 左右,天线挂高推荐 25~40 m,初始机械下倾角设置为 0°;快速部署:综合考 虑天面、机房、供电、传输、协调等因素,确保施工便利。 4. 3 参数规划 在 4 个脉冲波与 3 个连续波(即 4P3C, P 代表脉 冲波 Pulse、C 代表连续波 Continuous wave) 感知符号 配置下,单站覆盖距离可达约 1. 3 km。 PCI、PRACH 和邻区等规划可沿用大网规划原则(见表 2)。 4. 4 参数配置 通感功能可用状态:可用;通感任务配置开关:打 开;通感任务状态:已创建;帧结构:slot 0 & 5;信号格 式:4P3P/ 4P3C 等;功率:脉冲波或连续波为 238 dBm; 感知模式:感知连续波和脉冲波全发;特性开关:时域 表 2 基站配置情况 项目 取值 备注 NR 频率/ MHz 2515~2615 NR 带宽/ M 100 NR 发射功率/ W 320 64 T/ 128R NR 帧结构 2. 5 ms 双周期 DDDSUDDSUU PRACH 格式 Format0 SSB 子载波间隔/ kHz 30 SSB 波束数量/ 波束 5 终端形态 SA:2T4R 终端发射功率/ dBm SA 总功率均不超 26 对消、角度平滑、信道平滑、去重等。 4. 5 无人机轨迹辅助平台 无人机轨迹路线图使用凌云平台,凌云平台主要 具备无人机低空探测、设备管理、区域规划和飞行服务 等业务。 低空探测包括无人机 RTK 轨迹、基站检测轨 迹、相关告警、ID 编号及位置信息等;配置管理包括设 备管理、区域规划等;飞行服务包括无人机管理、作业 管理、航线管理、飞行记录等。 4. 6 位置精度和虚检、漏检优化 在以上参数配置下,无人机飞行轨迹存在不固定, 没有按照预期的效果,需要进一步参数优化配置,以提 高精准度和固定轨迹飞行。 一是位置精度优化。 检测轨迹水平顺时针偏移, 小区“方位角-偏移量”检测轨迹偏低,小区“下倾角-偏 移量”消除环境的干扰,提升精准度见表 3。 二是虚检、漏检优化。 利用 Aoa/ Eoa 搜索范围与 测量有效范围:搜索范围为检测波束±配置值,若目标 在搜索范围内,则可以被检测到;在测量有效范围内, 则会由物理层上报高层,进行打点;配置过大会导致检 测性能降低和角度估算错误。 运动目标正/ 负速度门 限与目标稳定跟踪运动正/ 负速度门限:该速度为径向 速度,小于门限则不上报目标,用来过滤低速或静态目 标(见表 4)。 5 结束语 5G-A 作为 5G 的继承与发展,具有更强大的性能 和更广泛的应用场景。 随着技术的成熟,5G-A 将在自 ·28· �N��5G-A+AI�= � � �����0���� 表 3 参数配置优化 特性或参数名 说明 环境干扰时域对消开关 打开,消除环境干扰以及自干扰对消 角度平滑开关及配套参数 信道平滑开关及配套参数 打开,解决角度抖动问题,提升检测精度 目标判断距离门限 ↑:虚检轨迹个数较少,但目标定位精度较差 ↓:虚检轨迹个数增多,但目标定位精度提升 目标匹配距离门限 ↑:不易出现虚检,但目标定位精度较差 ↓:容易出现虚检,但目标定位精度较好 坐标拟合 RSRP 差值门限 基本无需调整 ↑:目标定位精度可能会变差 ↓:目标定位精度可能会变好 表 4 参数配置 参数名 说明 目标判断距离门限 ↑:虚检轨迹个数较少,但目标定位精度较差 ↓:虚检轨迹个数增多,但目标定位精度提升 最大距离限制 ↑:轨迹不易中断,但容易出虚检 ↓:轨迹易中断,但不易虚检 可见度门限 ↑:虚检减少,但目标出现时间晚 ↓:虚检增多,但目标出现时间早 出现总次数门限 ↑:虚检易被删除,但目标轨迹可能中断 ↓:虚检不易被删除,但目标轨迹中断概率减小 连续不可见次数门限 ↑:目标轨迹不易中断,但虚检轨迹也会变长 ↓:目标轨迹容易中断,但虚检轨迹也会变短 目标匹配距离门限 ↑:不易出现虚检,但目标定位精度较差 ↓:容易出现虚检,但目标定位精度较好 新增目标最大速度门限 ↑:目标不易被删除,但是虚检个数增加 ↓:目标容易被删除,但是虚检个数减少 新增目标合规速度轨迹点比例 ↑:目标容易被删除,但是虚检个数减少 ↓:目标不易被删除,但是虚检个数增加 历史波束删除时间因子 ↑:目标轨迹可能会延长,但虚检轨迹也会延长 ↓:目标轨迹可能会变短,但虚检轨迹也会变短 目标直线检测角度门限 ↑:目标容易通过直线检测,但是虚检个数增多 ↓:目标不易通过直线检测而被删除,但是虚检个数减少 动驾驶、工业自动化、智慧城市等领域发挥关键作用, 推动未来数字社会的发展。 虽然其技术挑战依然存 在,但 5G-A 无疑是向更高性能、更广泛应用迈出的重 要一步,为下一代通信技术奠定了基础。 未来,低空经 济具备很大的潜能,为了夯实基础,在现有的 5G 基础 上提前进行技术上升级,在不增加额外设备的情况下, 通过调整波束和参数设定,让地面 5G 基站能够实现 低空覆盖,与低空终端能够精准互联。 通过重构波形 架构,提升低空抗干扰能力以及低空飞行感知。 参考文献 [1] 马俊 . 中外专家:低空经济将迎来新一轮技术突破 [N]. 环球时报, 2025-10-24(08). [2] 于树成 . 5G NR 通信感知一体化干扰管理技术[D]. ·29· ���E�����0 北京:北京邮电大学, 2024. [3] 李萍, 郭晓江 . 通感一体化关键技术与应用[J]. 中兴 通讯技术, 2023,2(7):76-82. [4] 福建省工业和信息化厅 . 福建省工业和信息化厅:探索 新路径 助力无人机产业发展[N]. 人民邮电, 2025-10- 16(07). [5] 苏振华 . 探索大湾区跨境无人机物流配送[N]. 珠海特 区报,