数字孪生驱动的低空智联网自智管控架构及关键技术

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SCIENTIA SINICA Informationis 中国科学 : 信息科学 2025 年 第 55 卷 第 10 期: 2449–2470 c ⃝ 2025 《中国科学》杂志社 www.scichina.com infocn.scichina.com 面向低空经济的低空网络技术创新与应用专题 . 论文 数字孪生驱动的低空智联网自智管控架构及 关键技术 喻鹏1, 谭灿1, 李文璟1*, 张俪馨1, 郭少勇1, 邱雪松1, 洪韬2, 付澍3, 王尚广1, 孟洛明1 1. 北京邮电大学网络与交换技术全国重点实验室, 北京 100876 2. 北京航空航天大学电子信息工程学院, 北京 100191 3. 重庆大学微电子与通信工程学院, 重庆 400044 * 通信作者. E-mail: wjli@bupt.edu.cn 收稿日期: 2025–02–15; 修回日期: 2025–07–11; 接受日期: 2025–09–15; 网络出版日期: 2025–10–13 国家自然科学基金 (批准号: 62471057, 62271093, 62571058) 和北京市自然科学基金 – 海淀原始创新联合基金 (批准号: L232045) 资助项目 摘要 面向未来低空领域涌现的各种新型业务形态, 低空智联网是实现低空空域高效运行与安全控 制的重要保障. 由于低空智联网的立体化覆盖、高可靠通信、超精准服务等特征, 使得传统的被动式 网络管控技术难以满足业务随需服务要求, 亟须融合数字孪生、自智网络、分布式人工智能等新型技 术突破管控瓶颈. 为应对以上挑战, 本文分析了低空智联网的特征和需求, 提出了数字孪生驱动的低 空智联网自智管控架构. 依托自智管控闭环, 分别分析了低空网络层、数字孪生层、自智管控层的功 能, 并针对各个层次的关键技术, 包括低空组网覆盖和资源分配技术、网络资源孪生建模与状态同步 技术、动态网络性能状态的小尺度预测方法、业务需求自适应的资源映射机制和管控智能体部署方案 等, 进行了介绍. 结合关键技术, 本文进行了低空智联网自智管控实例设计, 验证了网络性能预测机 制、资源状态孪生同步机制以及低空网络自主部署机制的有效性. 最后总结低空智联网的未来技术挑 战, 为未来低空智联网的智能化、自主化运维提供了技术参考. 关键词 低空智联网, 数字孪生, 自智网络, 网络管控 1 引言 近年来, 随着低空飞行相关技术装备的迭代升级与系统化突破, 产业链与供应链体系的协同构建, 以及应用场景的规模化拓展, 低空经济作为新兴战略产业形态正加速崛起. 低空空域 (通常指高度在 0 ∼ 3000 m 左右的空中范围) 和低空飞行器已逐步发展为城市管理、应急救援、物流配送和环境监测 等关键应用场景的新型基础设施载体 [1]. 随着低空经济应用场景逐步清晰与持续深化, 低空领域的信 息服务需求呈现爆发式增长态势. 面对动态复杂的空域运行环境与差异化业务场景, 如何构建具备自 引用格式: 喻鹏, 谭灿, 李文璟, 等. 数字孪生驱动的低空智联网自智管控架构及关键技术. 中国科学: 信息科学, 2025, 55: 2449– 2470, doi: 10.1360/SSI-2025-0071 Yu P, Tan C, Li W J, et al. Digital twin driven autonomous management and control architecture and key technologies for low-altitude intelligent networks. Sci Sin Inform, 2025, 55: 2449–2470, doi: 10.1360/SSI-2025-0071 喻鹏等 中国科学 : 信息科学 2025 年 第 55 卷 第 10 期 2450 适应能力的低空网络治理与管控体系, 以实现高效运行与安全保障的双重目标, 已成为当前学术界与 产业界共同关注的核心命题. 尽管地面网络覆盖和服务已经趋于完备, 但其在低空场景下的适配性仍面临显著瓶颈. 传统 5G 网络主要面向地面用户设计, 低空空域存在覆盖盲区; 固定拓扑的蜂窝架构难以适配飞行器高速移动 带来的动态连接需求; 复杂业务场景导致难以同时满足低空导航 (时延敏感型) 和三维建模 (计算密集 型) 等差异化需求. 在此背景下, 低空智联网 (low-altitude intelligent networks, LAIN) 作为面向低空空 域的专用智能网络架构应运而生 [1], LAIN 通过整合通信网、感知网、导航网、气象网及算力网等 “五 网” 资源 [2], 构建 “云 – 边 – 端” 协同 [3] 的新型数字基础设施, 旨在突破地面网络的低空覆盖局限, 实 现空天地一体化协同服务. 在 LAIN 新范式驱动下, 低空网络管控体系正在经历从 “人工主导” 向 “智能自治” 的范式重构. 传统通信网络基于静态配置与人工干预的运维模式, 在应对低空场景特有的高动态性、异构性及跨域 协同需求时, 暴露出显著局限性. 首先, 全局态势感知能力缺失. 传统网元移动性管理机制难以捕捉低 空网络三维拓扑的秒级动态变化 [4], 且无法实时获取无人机节点的能源状态、三维坐标等关键参数, 严重制约资源优化决策的时效性. 其次, 资源调度机制僵化. 传统 “容量规划 + 固定配置” 模式难以 适应低空场景中通信、计算、频谱资源的动态耦合需求 [5]. 再次, 故障恢复时效性不足. 人工介入的故 障定位与被动式处理流程无法满足低空业务实时性要求, 缺乏基于自主学习的故障预测、分析和恢复 能力 [6]. 最后, 安全防护体系碎片化. 传统安全机制难以应对低空跨域场景下的新型威胁 [7], 如无人机 身份伪造、数据跨域传输泄露等问题. 为应对上述挑战, 本文引入以自智网络和数字孪生技术为代表的新型网络智能管控理念和技术, 重塑低空智联网管控体系, 为低空经济规模化发展提供保障. 面向未来网络的高效管控, 2019 年开 始, TMF (Telemanagement Forum) 联合第三代合作伙伴计划 (3rd Generation Partnership Project, 3GPP)、全球移动通信系统协会 (Global System for Mobile Communications Association, GSMA)、 欧洲电信标准协会 (European Telecommunications Standards Institute, ETSI)、中国通信标准化协会 (China Communications Standards Association, CCSA) 等标准组织以及运营商、网络设备厂家和运营 支撑系统软件开发商发布白皮书, 提出 “自智网络” (autonomous networks) 理念, 共同确定目标愿景 和分级标准, 2024 年已经演进到 6.0 版本 [8]. 自智网络旨在通过完全自动化、智能化的网络与基础 设施、敏捷运营和全场景服务, 构建网络全生命周期的自动化和智能化能力, 为垂直行业和消费者提 供更优质的客户体验. 在用户视角, 自智网络全面提升数字化体验, 实现开通零等待 (zero wait)、业 务零故障 (zero fault)、服务零接触 (zero touch). 在运维视角, 全面推进数智化转型, 实现网络自配置 (self-configuration)、自修复 (self-healing)、自优化 (self-optimization). 数字孪生 (digital twin, DT) 技 术 [9] 可以通过构建物理实体的虚拟模型, 并与物理世界进行实时数据交互, 实现对系统的模拟、监测 与优化. 利用数字孪生技术构建自主管控体系, 可以支持网络变化的精准感知和动态可控的资源高效 调度 [10]. 作为服务低空经济领域的关键网络基础, 低空智联网的网络形态和结构也在不断演进. 而低空飞 行器的高动态、高可靠性等要求, 使得网络必须具备精准的自主控制决策能力, 以降低飞行器等低空 设备运行风险. 然而, 目前低空智联网的管控还缺乏系统化的架构支撑. 因此, 针对低空智联网网络管 控需求, 本文结合数字孪生技术和自智网络理念, 提出了数字孪生驱动的低空智联网自智管控架构, 以 实现更加智能、高效的实时网络管控. 其核心思想是, 通过在虚拟空间构建与物理网络环境对应的数 字孪生体, 实时采集与映射低空智联网的网络拓扑、资源状态、业务需求、环境信息等; 借助大模型、 分布式 AI 等新型技术实现对网络的智能感知、预测与自适应管控; 并支持故障快速自愈, 从而保证业 务连续稳定运行与网络资源高效利用. 喻鹏等 中国科学 : 信息科学 2025 年 第 55 卷 第 10 期 2451 1.1 低空智联网研究现状 低空智联网包括低空网络与地面网络 (terrestrial networks, TN), 其中低空网络可以归属于非地 面网络 (non-terrestrial networks, NTN). 同时低空智联网还是天空地一体化网络 (space air ground integrated network, SAGIN) 的一部分. 许多研究探讨了低空网络的概念与架构. Wigard 等 [11] 预计 NTN 将成为 6G 的一部分, 总结了基于 3GPP Release 17 和 3GPP Release 18 的 5G NTN 的当前状 态, 并在此基础上概述了 6G NTN 中应该解决的 6 个问题: 覆盖增强, 全球导航卫星系统独立操作, 以 再生卫星为特色的新架构, 多个网络层的集成, 包括地面频段的频谱重用, 以及对各种智能手机和物 联网设备的支持. Azari 等 [12] 回顾了 NTN 与 5G 通信网络融合发展的过程, 探讨了 NTN 在 6G 网络 发展中的关键作用, 包括 NTN 特征、重要用例、架构、现有挑战和可能的解决方案. Xiao 等 [13] 全面 调研了面向 6G 的 SAGIN 研究现状, 包括系统架构、网络特性、通信、计算及其融合技术. Xiao 等认 为, 由于地面、空中、空间平台计算能力的快速发展, 6G 不仅将提供无线连接, 还将提供计算与智能 服务. 总体来说, 5G/6G 是低空智联网的通信底座, 低空智联网是 5G-A/6G 技术落地的垂直场景. 但 低空智联网对感知、时延、安全的要求远高于通用 5G 网络, 需通过 6G 技术突破实现定制化升级. 未 来 6G 将推动低空经济从 “单点应用” 向 “全域智联” 跃迁, 形成低空智能服务的新型基础设施生态. 进一步地, 一些工作深入探讨了实现低空智联网需要研究的关键技术. Cao 等 [14] 提出了由高空 平台 (high altitude platforms, HAPs) 和高低空无人机 (unmanned aerial vehicle, UAV) 组成的临近空 间信息网络 (near space information networks, NSINs) 概念, 讨论了 NSINs 在信道建模、传输和组网等 研究领域的最新进展. 具体而言, 他们从数学上分析了机载平台的不稳定运动对不同结构机载天线阵 相位延迟的影响, 阐述了 HAP 和 UAV 信道建模的最新进展, 然后根据信道建模的显著差异, 从网络 部署、切换管理和网络管理等方面对 NSIN 的组网技术进行了全面的综述. Ngo 等 [15] 强调了信息时 效在 5G NTN 中的重要性. Ngo 等全面调研总结了网络架构、资源分配、协议设计、调制设计、轨迹 规划、可重构智能表面设计、能量收集调度策略、卸载和缓存策略等多个方面的时效性解决方案, 以 保障在 5G NTN 中及时提供信息, 使得依赖实时数据交换的各种应用和服务能够成功部署和运行. 低空智联网所支持的应用场景, 如广域物联网、通信与感知融合和应急通信等, 也得到了研究人 员的关注和分析. Vaezi 等 [16] 讨论了如何在非地面网络背景下为物联网应用提供服务, 根据 5G 及未 来网络的主要关键性能指标, 研究了能够实现当前和未来物联网网络的能效、可靠性、低延迟与可扩 展性的解决方案和标准, 包括用于短数据包通信的免授权接入和信道编码、非正交多址接入和端侧智 能. Jiang 等 [17] 讨论了低空经济愿景下感知与通信融合所面临的挑战与机遇. 文章首先总结了地对空 感知与通信的技术前提, 包括蜂窝接入、频谱共享、三维波束形成、干扰抵消、合作主动感知与非合作 被动感知等, 然后进一步评述了低空飞行器辅助的感知和通信技术, 包括地面和非地面目标感知、无 处不在的覆盖、中继和任务卸载. Chen 等 [18] 调查了 SAGIN 在灾害管理中的重要作用. 灵活的低空 网络和现有卫星网络可以快速建立具有高可靠性、低延迟和高容量的紧急通信系统, 基于 SAGIN 的 应急通信系统将成为支持搜救行动的关键范式. 除了学术界围绕低空智联网开展广泛研究以外, 以运营商为代表的产业界也在持续关注低空领域. 中国移动发布了《低空智联网技术体系白皮书 (2024)》[19], 分析了低空经济产业发展趋势, 总结了 “通 信、导航、监管” 三大低空信息需求与当前面临的挑战, 提出了低空智联网技术体系, 梳理了端到端网 络架构、通信、感知、管控和导航关键技术. 广东通信学会、中国信通院和中国联通联合发布了《低空 智联网发展研究报告 (2024 年)》[2], 调研了国内外低空产业的战略规划和发展现状, 提出了以通信网、 感知网、导航网、气象网、算力网为核心的低空智联网整体架构, 明确了低空智联网在构建低空经济 规模化发展中的数字底座作用. 中国电信牵头发布了《通感一体低空网络白皮书》[20], 从市场、技术、 政策和监管 4 个角度分析了低空经济发展驱动力, 面向低空物流、地理测绘、应急救援等 8 个典型场 景, 提出了低空智能互联数字化服务体系总体架构, 以及需要具备的通信、感知、和智能计算一体化能 喻鹏等 中国科学 : 信息科学 2025 年 第 55 卷 第 10 期 2452 力. 粤港澳大湾区数字经济研究院沈向洋教授团队在 2022 ∼ 2024 年发布了三版《低空经济发展白皮 书》[21∼23], 1.0 版本提出了将低空空域从 “自然资源” 转变为 “经济资源” 的理念, 并提出了从 “可通 达空域” 到 “可计算空域” 的数字化实现路径. 2.0 版本集中阐述了一个低空空域和飞行管理的全数字 化框架 —— 智能融合低空系统 (Smart Integrated Lower Airspace System, SILAS), 强调了 SILAS 与 传统基于航路的空域管理和飞行管理的本质区别, 打造了低空经济领域新的系统设计和服务范式. 3.0 版本深度解析了低空经济发展安全体系, 涵盖了从飞行器设计制造到运行管理, 再到社会影响的全方 位安全保障. 一些商业机构和政府部门已经开始探索低空网络与数字孪生技术如何落地实践. 成都携恩公司开 发了无人航空数字运营一体化平台, 以前端感知源为基础、以飞行资源管理调度为依托, 搭建实景三 维数字孪生底座, 提供集无人机飞行、时空大数据采集及智能应用于一体的无人航空数字运营服务. 深圳市龙华区打造 “政务低空飞行服务平台”, 融合各类物联感知数据, 形成动态更新的 “低空空域一 张图”, 支撑政务无人机飞行的数据汇聚、智能调度与安全管控. 构建涵盖空域规划、气象监测、飞行 管控、空间智能、航线规划、多机协同调度等核心技术生态, 助力实现无人机政务飞行的禁区自动识 别与零事故运行, 目前已在重大工程监测、平安校园等场景落地. 当前低空智联网的概念体系与运行场景尚未明晰, 应用边界亦待厘清, 其建设与运行依赖多项前 沿技术支撑, 但通感算一体化、数字孪生、高精度定位导航、飞行器可信接入与监测等关键技术仍需 深化研究与创新. 与此同时, 低空网络的管控范式亟须系统性革新, 具体表现如下. 首先, 异构网络融 合困难, 5G-A 网络对 300 m 以上空域覆盖不足, 需卫星通信补充, 但空地网络协议转换、频谱干扰协 调缺乏标准化方案, 通感一体化技术成熟度不足. 其次, 现网对高动态环境适应性薄弱, 高速飞行器跨 基站切换时链路易中断, 且复杂电磁环境下导航定位精度受限. 最后, 资源协同效率低下, 端侧设备算 力有限, 而云端协同时延高, 导致实时路径规划等场景落地困难. 学术界和工业界正处于建设低空智联 架构和关键技术体系的阶段, 本文从低空网络智能管控技术为切入点开展研究, 旨在推动低空智联网 的进一步发展. 1.2 低空通信标准进展 目前业界并未统一低空网络通信标准, 但已有许多前期工作, 主要包括 3GPP 的 NTN 标准和 基于直连通信的飞联网 (aircraft to everything, A2X) 标准. 2017 年, Release 15 对 NTN 网络进行了 需求分析和初步研究, TR 38.811 技术报告 [24] 首次将 NTN 纳入 5G 研究范畴, 定义了 NTN 的应 用场景、信道模型及初步架构. 接下来的 Release 16 聚焦于架构设计与协议增强, TR 22.822 [25] 和 TR 38.821 [26] 技术报告明确了 NTN 在 5G 中的用例, 包括广域覆盖、灾难恢复和物联网; 细化了 NTN 部署场景, 包括低/中轨道和地球静止轨道卫星、高空平台; 定义了模型同步机制以及部署频段, 提出 了物理层增强方案和高层协议适配性修改. Release 17 是首个正式包含 NTN 技术规范的标准版本, 通 过增强 NR (new radio) 技术来满足基于卫星的 NTN 的需求, 同时预留接口支持高空平台和空对地网 络. Release 18 进一步完善了 NTN 标准, 使之能够利用卫星和高空平台提供更广泛的宽带和物联网连 接. Release 19 有多个阶段的规范工作正在进行, IoT-NTN Phase 3 针对 LTE 优化存储转发功能, 支 持低速率物联网设备广域连接; NR-NTN Phase 3 进一步增强 NTN 通信能力, 开展下行覆盖增强、上 行容量增强等标准的制定. A2X 是基于 3GPP 直连通信技术的扩展, 专为无人机等低空飞行器设计, 支持飞行器之间、飞行 器与地面设备的直接通信, 其前身是蜂窝车联网 (cellular vehicle to everything, C-V2X) 的直连通信技 术. 3GPP 在 R14 版本中定义了 C-V2X 的基本框架, 通过 PC5 接口实现低时延、高可靠的直连链路 通信. 2017 年 3GPP 完成了 LTE-V2X 标准制定, 支持车辆与车辆 (vehicle to vehicle, V2V)、车辆与 基础设施 (vehicle to infrastructure, V2I) 等直接通信, 成为全球车联网事实标准. 2020 年 5G Release 16 增强直连通信能力, 支持更高吞吐量和更广覆盖. 2024 年 5G Release 18 引入了 A2X 技术, 首次将 喻鹏等 中国科学 : 信息科学 2025 年 第 55 卷 第 10 期 2453 直连通信从地面