RIS辅助低空5G-A网络覆盖方案探索

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�N��5G-A+AI�= � � �����0���� RIS 辅助低空 5G-A 网络覆盖方案探索 李贝 1 刘秋妍 1 成晨 1 王昭宁 1 王波 2 蒋振伟 3 乔金剑 2 朱佳佳 1 (1. 中国联合网络通信有限公司研究院,北京 100048; 2. 中国联合网络通信集团有限公司,北京 100033; 3. 中国联合网络通信有限公司上海市分公司,上海 201900) 摘要:低空经济作为新质生产力的代表,凭借民用无人机、低空载人飞行器等新形态应用得到飞速发展, 逐渐成为推动我国经济增长的新引擎。 随着 5G-A 技术的不断发展,为满足低空移动用户连续、高质 量、深度覆盖的需求,依托地面移动通信网络构建空地融合的三维立体网络具有复用站址资源与频率资 源、一体化网络建设和运维效率高等优势。 但传统地面移动通信网络主要聚焦于地面用户,在低空场景 的高质量连续覆盖组网、空地用户移动性管理等方面的研究相对有限。 为解决复杂空域覆盖空洞、地面 用户网络质量下降等问题,探索将智能超表面技术引入低空移动通信网络,提出在收发端侧和信道端侧 均采用智能超表面辅助的低空组网架构,为低空区域高质量、连续、深度覆盖提供低成本、低功耗且易部 署的解决方案。 关键词:无线通信;低空移动通信;智能超表面;网络覆盖 中图分类号:TN929. 5 文献标志码:A 引用格式:李贝,刘秋妍,成晨, 等 . RIS 辅助低空 5G-A 网络覆盖方案探索[J]. 信息通信技术与政策, 2025,51(11):31-38. DOI:10. 12267/ j. issn. 2096-5931. 2025. 11. 005 0 引言 低空经济是融合无人机、通信、人工智能等多个领 域,横跨智能制造、移动通信、物流等多个行业,贯穿工 厂到用户、田间到餐桌的全链条新型经济形态,已经成 为国家新兴产业和新质生产力的代表,并逐步成为推 动我国经济持续发展和结构优化升级的新引擎 [1]。 近 年来,随着低空无人机在文旅展演、物流运送等领域的 成功应用,农林植保、消防巡检、测绘导航、安防监控、 应急救援等行业逐渐涌现出大量低空应用需求。 然 而,与旺盛的低空应用需求以及海量低空终端产品的 交付不同,连续且高质量的低空网络逐渐成为当前制 约低空经济发展的重要因素。 5G-Advanced(5G-A)技 术致力于通感一体、智能网联和空天地一体场景的探 索和研究,为满足低空移动用户对于连续、高质量且深 度覆盖的需求,基于地面移动通信网络构建空地融合 的三维立体网络具有复用站址资源和频率资源、一体 化网络建设和运维效率高等优势。 2023 年 6 月,国际 电信联盟通过了《IMT 面向 2030 及未来发展的框架和 总体目标建议书》,在传统地面移动通信网络主要聚焦 于地面用户的基础上,将支持地面网络和非地面网络 互连的泛在连接作为 6G 网络的新增场景。 1 智能超表面技术 智能 超 表 面 ( Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)是一种基于无源、准无源超材料设计的具有可编 ·31· ���E�����0 程特性的电磁表面结构 [2],通过动态调控阵元状态,智 能化调节入射电磁波的相位、幅度、频率以及极化状 态,使入射信号经过 RIS 透射或反射作用后,出射信号 在特定方向上实现干涉叠加,从而把能量聚焦于预设 区域,形成较高的波束赋形增益。 RIS 具有低功耗、体 积小、重量轻、低成本、易部署且易于实现较大的天线 口径增益等特点。 它不仅能够覆盖指定目标区域,而 且可以结合波束扫描和波束切换等策略实现移动用户 动态波束跟踪,有效重构无线电磁环境,提升网络深度 覆盖能力。 Q 0 � 0 � 0 Q�/m 10 000 3 000 1 000 600 "8�� �/C��E�/( F8� 1. - ��?�//�O> 2. �� ����E(/�(�� �0� 1. E�O> �- �/+ -CLO > 1 2. >������F(#���1 3. #C����8���1 F�� �1 �8�L�1 -?�ME1 F��0 F�1 �8� �/GPS+RTK1 -?�5G-A1 图 1 空域应用示意图 2 低空网络演进 2023 年 12 月 21 日,中国民用航空局正式实施《国 家空域基础分类方法》。 该文件基于航空器运行规则、 性能限制、空域环境特征及空中交通服务类型等关键 要素,将空域系统性地划分为七大类。 其中,G 类与 W 类属于非管制空域。 G 类空域涵盖除 B、C 类空域以 外真高 300 m 以下(不含 W 类空域)的空域范围,并延 伸至平均海平面高度 6 km 以下且不影响民航公共运 输飞行的部分空域;W 类空域则指位于 G 类空域内真 高 120 m 以下的空域分区,主要面向微型、轻型及小型 无人驾驶航空器运行开放 [3]。 由此可见,传统民航(商业航空)飞行高度集中在 10 km 以上,通用航空集中在 3 km 以下空域,低空经 济飞行活动聚焦 1 km 以下空域(见图 1)。 民航、通航 与低空 3 类飞行活动场景关注不同空域,对应的通信、 导航、监视技术方向各有差异。 通信满足控制指令、任 务载荷和飞行信息传输;导航需支持精准、可靠、连续 的定位能力;监视为空中交通管理和空域安全提供实 时、高精度的飞行器态势信息。 在通信设备和技术部 署时,3 种技术有所差异。 移动网络运营商采用移动 网络,如 600 m 以下的低空领域,可以采用基于 4G/ 5G 基站承接通信需求,基于 5G-A 网络承接监视需求。 3 运营商低空网络部署方案 在 移 动 通 信 网 络 中, 为 了 支 持 无 人 机 系 统 (Unmanned Aircraft System,UAS),第三代合作伙伴计 划(3rd Generation Partnership Project,3GPP) R18 中的 5G 核心网引入了新网元 UAS 网络功能(UAS Network Function,UAS NF) 与无人机服务系统(UAV Supplier System,USS)对接 [4]。 其中 UAS NF 支持无人机业务 功能的 UAS 网元,基于网络能力开放功能( Network Exposure Function,NEF)实现支持,向 USS 暴露业务接 口,包括无人机鉴权、追踪、远程认证等。 USS 和 USS/ 无人 驾 驶 航 空 器 交 通 管 理 系 统 ( Unmanned Traffic Management,UTM)通过向 UAS 的操作员提供服务以 ·32· �N��5G-A+AI�= � � �����0���� 满足 UTM 运营要求,提供服务以支持安全和高效使用 空域的实体,USS 可以提供任何功能子集以满足提供 商的业务目标。 除了传统的 N3 接口等,还定义了 UAS NF 与 USS 的接口 N33 等。 UAS 逻辑架构如图 2 所示。 在无线侧,为节省成本,运营商在低空基站部署时 考虑采用通感一体或通信、感知分别部署的方式。 当 前运营商普遍采用先通信后感知的部署方案,低空通 信采用现网兼顾覆盖、空地协同、新建专网 3 种组网方 式(见图 3)。 现网兼顾覆盖:地空使用同一套有源天线单元 (Active Antenna Unit,AAU)设备,基于现网原有配置, 进行少量对空调整优化,使用天线旁瓣兼顾覆盖低空。 该方案基于现网少量优化,部署快速、成本低,但覆盖 能力较低,尤其是由于低空网络同步信号和物理广播 信道块(Synchronization Signal and PBCH Block,SSB) 波束方案调整,其在室内低层楼宇的网络质量变弱。 空地协同:地空使用同一套 AAU 设备、使用相同 频率或调整部分地面 5G 基站开启第二载波或现网翻 频,通过调整部分 5G 基站 AAU 波束分层或机械倾 角,完成空中和地面协同覆盖。 该方案基于现网调整, 部署快速、成本低但覆盖能力受限。 新建专网:在部分地面 5G 基站上新增对空 AAU 设备或空地一体天线,使用相同频率或不同频率服务 地面和低空业务需求。 该方案覆盖效果好、参数独立 调整,但需新增软硬件,成本相对较高。 根据上述 3 种方案可知,低空通信网络采用现网 小区调整 SSB 波束赋形实现低空和地面覆盖,二载波 或现网翻频调整 SSB 波束赋形实现低空覆盖,以及新 建专网由新增设备或天线低空覆盖。 总体而言,3 种 方案均以波束赋形为基础,且 RIS 具有增强接收信号 强度、扩展信号覆盖范围等效果,RIS 的波束赋形可助 力低空网络波束赋形。 RIS 辅助低空网络覆盖是低空 网络演进的重要方向 [5]。 4 RIS 辅助低空网络覆盖技术 基于信道侧反射式 RIS 辅助的网络覆盖增强方案 如图 4 所示。 终端的接收信号公式为 r = s × w + n0 (1) 其中,s 为基站发送信号,w 为信道衰减因子, n0 是方 差为 σ 2 的加性高斯噪声。 H 为基站与 RIS 之间的信 道矩阵,g 为 RIS 与终端之间的信道矩阵,RIS 动态调 控能力将影响这两条路径的信道矩阵。 在无线通信系统中,当基站与用户终端之间的直 图 2 UAS 逻辑架构示意图 �� �� � �� 图 3 低空通信方案 ·33· ���E�����0 � RIS s �� g H �� r=s×W+n0 图 4 基于信道侧反射式 RIS 辅助的网络覆盖增强方案 射链路被障碍物遮挡时,RIS 可通过其可调的反射单 元构建辅助通信路径 [6]。 该反射路径的幅度和相位响 应可由外部控制器动态优化,从而重塑信道条件,为非 视距传输提供可靠的替代链路。 当发射基站与接收终 端之间存在因障碍物遮挡等造成的网络盲区或非视距 传输路径时,接收信号质量通常较差,部署 RIS 不仅能 够构建虚拟视距传输路径,增强接收端信号强度,还可 通过创造富散射环境,提升整个系统的空间自由度,提 �� �� ���� �� �� � ��� �� 图 6 基于 RIS 简化基站架构设计示意图 高接收终端吞吐量,实现高质量、连续且深度覆盖 [7-8]。 其次,利用 RIS 对电磁传播环境的智能重构能力,可动 态优化同频干扰和邻频干扰信道条件,有效抑制多用 户间及多径干扰。 在通感一体场景中,一方面,RIS 更 容易实现超大规模天线阵列,具有较大的天线口径增 益,RIS 可大幅提高高精定位应用的空间分辨能力,降 低传统定位机制中的误差 [9];另一方面,通过协同优化 RIS 中各反射单元的相位响应,能够有效增强目标回 波信号的信噪比,从而提高检测精度与可靠性 [10]。 此 外,在多模态感知系统(如雷达、光电等) 中,RIS 可通 过改善各传感器信号的传输质量,提升多源信息融合 的准确性与系统整体感知性能 [11]。 例如,通过基站侧 RIS 补盲提升三维空间覆盖、信道侧 RIS 改善网络质 量、端侧无人机搭载 RIS 实现低空通信 3 方面探索 RIS 辅助低空网络覆盖方案。 4. 1 基站侧 RIS 补盲提升三维空间覆盖 4. 1. 1 基于 RIS 扩展 AAU 阵面 传统的移动通信网络以地面网络覆盖为主,若要 兼顾低空覆盖,需要调高基站 AAU 机械下倾角,不仅 会导致地面网络覆盖性能的下降,而且无法解决基站 上空存在倒“V”形覆盖盲区区域的问题。 为解决此问 题,可以在现有 AAU 基础上,在水平或垂直维度集成 反射式或透射式 RIS 阵面(见图 5),既可以实现一体 化动态智能调控,有效扩展基站覆盖水平角和俯仰角 范围,提升天线阵面口径增益,也能够以低成本、低功 耗方式有效解决低空连续广覆盖问题。 图 5 基于 RIS 扩展 AAU 阵面示意图 4. 1. 2 基于 RIS 简化基站架构设计 基于 RIS 调制信源信息,实现简化架构的发射机 设计,如图 6 所示,基于 RIS 简化基站架构,或将部分 移相功能迁移至 RIS 阵面。 通过动态调控阵元状态, 改变阵面电磁场分布、集成相控和辐射功能,替代相控 网络 射 频 芯 片 器 件, 可 显 著 降 低 设 备 整 机 成 本 和 功耗 [12]。 4. 2 信道侧 RIS 改善网络质量 RIS 赋能信道侧常见应用如图 7 所示。 例如虚拟 视距(Line of Sight,LOS) 链路,通过反射绕过收发端 之间的障碍物,添加额外的信号路径来改善信道条件, ·34· �N��5G-A+AI�= � � �����0���� ��LOS � �� � �� � �� �� / �� �� �� �� /� � 图 7 信道侧 RIS 常见应用 通过将瑞利快衰落信道转换为莱斯慢衰落信道来细化 信道统计分布,以抑制或消除小区间干扰等 [13]。 由运营商低空网络覆盖方案可知,部分宏站通过 升级改造来兼顾覆盖地面、低空从而形成低空覆盖基 础网络,低空覆盖基础网络存在覆盖盲区时,部署 RIS 可以实现低空网络补充覆盖。 一方面,固定区域静态 部署时,通过 RIS 将射频信号直接转发固定区域,对现 有基础网络设备改动较小 [14];用户级动态波束调控 时,通过空地基站控制 RIS,支持用户在空地基站与 RIS 覆盖区域间进行波束级切换,保证连续稳定的网 络服务质量。 另一方面,RIS 可以提升小区边缘用户 丰富的散射环境,终端可以充分利用来自基站和 RIS 的信号,形成空间分集,提升空间资源利用率 [15]。 当 前,信道侧 RIS 改善网络质量主要用于提升地面低楼 层网络质量,助力改善低空用户感知。 4. 2. 1 低楼层 RIS 赋能增强网络质量 为了兼顾低空和地面的网络质量,面向现网兼顾 覆盖时,当前运营商普遍采用 4+3 SSB 波束代替水平 7 波束,波束立体覆盖导致建筑物低楼层的覆盖和质 量有所下降。 如图 8 所示,在低楼层外墙部署 RIS,通 过反射或透射,动态捕获基站的最佳入射信号,重构一 个高增益的窄波束,该波束可以向指定方向将能量按 需要传输至覆盖的区域。 � � 图 8 低层网络质量增强 4. 2. 2 扩展高楼层覆盖域 在高层建筑的高楼顶部或侧面部署 RIS(见图 9), RIS 易与基站及低空无人机同时建立视距或强视距链 路,能够高效地对基站信号进行中继传输,能够将来自 基站的信号形成接力或中继,绕过遮挡物,构建一条覆 盖无人机的空中链路。 � � 图 9 高层扩展覆盖 ·35· ���E�����0 4. 3 端侧无人机搭载 RIS 实现低空通信 面向应急通信(如灾区救援)、热点区域容量(如 大型体育赛事)提升等场景,无人机通过搭载一个由大 量可独立控制的反射单元构成了 RIS( 见图 10),RIS 的各反射单元均能动态调整其相移以优化信息传输。 一方面,基站通过 RIS 构建的级联信道向地面用户发 送信息。 在此过程中,无人机充当移动中继,通过动态 调整自身位置与 RIS 的相移配置,共同优化网络服务 质量;另一方面,还可以协同信道侧调整,通过设置反 射单元的电磁属性,调整反射波的能量和方向,在增强 合法用户的信号强度的同时,消减恶意用户信号,保障 用户信息安全。 图 10 无人机搭载 RIS 实现低空通信示意图 5 RIS 在低空网络中的应用限制 一是容量限制。 低空基站与地面基站通常采用共 小区组网方式,随着无人机终端接入数量的增加,地面 网络的负载显著加重,可能导致容量瓶颈。 RIS 阵面 是一种无源信号转发器件,其功能主要集中在增强信 号覆盖与优化信道条件,而非直接扩展网络容量。 因 此,尽管 RIS 能够有效填补低空盲区或改善信道质量, 但其无法缓解由终端数量增长带来的容量压力。 二是站址部署约束。 RIS 通常部署在基站与终端 之间的信道传播路径中,其位置选择需综合考虑低空 基站的地理分布、低空盲区的空间范围以及信号入射/ 反射角度等多种因素。 为实现最优的信号增强效果, RIS 的站址规划必须结合基站的覆盖能力和盲区的具 体空间特征,进行系统性的三维部署优化。 三是空口资源分配限制。 RIS 以前馈方式直接反 射射频信号,其空口资源通常与主基站共享。 若某一 小区内部署多个 RIS 设备,将引入额外的空口资源占 用需求。 多个 RIS 之间的资源协调以及其与基站之间 的资源分配将显著增加系统调度的复杂性。 6 挑战及展望 6. 1 覆盖能力与部署复杂度的内在矛盾:从单点优 化到系统级权衡 RIS 为低空等场景网络覆盖提供了新思路。 然 而,现有研究多集中于点对点链路的理论分析,其大规 模系统级部署仍面临 3 方面挑战。 首先是覆盖广度与深度的权衡。 为补偿显著的 “基站—RIS—用户”双程路径损耗,RIS 需采用高增益 窄波束,其单点有效覆盖区域有限,采用时分波束扫描 服务多用户或扩大覆盖范围,会以牺牲网络时延和网 络质量为代价,难以满足低空业务的高机动性与可靠 性要求。 若通过波束展宽以扩大覆盖角度,则牺牲覆 盖距离与信号质量,这催生了采用 RIS 进行高密度分 布式部署的需求。 其次是系统复杂度增长。 RIS 部署在带来覆盖扩 展的同时也改变了网络拓扑,密集部署的窄波束需全 局协同,来避免难以预测的越区覆盖和邻区干扰情况, 给网络规划与优化领域带来了严峻挑战。 最后是资源调度瓶颈。 基站需协同调度 RIS 的波 束形态,对实时计算与信令交互造成了压力。 6. 2 RIS 使能的低空频谱治理与信号优化 低空领域频率资源紧张层面,无人机等节点既可 能是用户,也可能是干扰源。 RIS 的引入为频谱资源 的高效利用在空间维度上提供了全新的调控手段。 空 间域干扰协调与隔离层面,利用 RIS 的可重构特性,能 够在用户期望方向增强信号,于干扰敏感方向形成零 陷,从而实现空域频谱复用与干扰规避。 7 结束语 本文通过系统性分析与比较多种 RIS 辅助的低空 网络覆盖方案,为构建高效的低空通信网络提供了重 要的方案参考。 未来,伴随低空经济业态的持续深化 与无人机应用场景的不断拓展,RIS 技术所具备的动 ·36· �N��5G-A+AI�= � � �����0���� 态可重构特性将发挥更为关键的