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 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 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

中国联合网络通信有限公司,北京 100031; 3. 中国信息通信研究院无线电研究中心,北京 100191) 摘要:首先提出了 5G-Advanced(5G-A)融合的低空智联监视系统架构,然后针对虚警率高、数据融合失 效和非标目标检测困难等关键问题,提出了基于多维度信息融合与上下文理解的目标判别模型,并详细 阐述了包括时空动态分析与轨迹建模、微动特征分析等关键技术在内的综合解决方案。 更是维护国家空域安 全与公共安全的重要基础设施。 然而,现有监视系 统在实际应用中仍面临虚警率高、数据融合效能不 足、非标准目标识别困难等关键问题,制约了低空监 视系统的可靠性与实用性,亟须通过架构创新与关 键技术突破予以解决。 本文正是在此背景下,提出 5G-Advanced(5G-A)融合的低空智联监视系统解决方 案,以应对上述挑战。 1 低空智联监视系统 1. 1 低空监视体系的建设背景与需求 保障;其次,构建国家级监管云、区域级分中心和场站 级边缘节点的三级协同架构,实现政府、企业、个人等 多主体监视数据共享;最后,将系统深度集成至低空通 信、导航与监视体系之中,形成支撑低空应用管理的新 型基础设施。 2 5G-A 融合低空智联监视系统建设策略 2. 1 系统设计原则 低空智联监视系统采用分层解耦的架构设计,划 分为感知层、传输层、平台层和应用层。 该系统具备开 放兼容的特性

成为热点的原因。 其次,针对低空业务的通信特征,分析通信网络面临的挑战,总结了低空经济对通信 网络的关键需求;提出了以 5G-A 通感智算网络为底座的低空智联网体系架构,阐述了低空智联网的七 大能力体系。 最后,对 5G-A 网络特别是核心网支持低空经济的架构演进进行了分析和总结。 关键词:低空经济;低空智联网;5G-A;核心网 中图分类号:TN929. 11 文献标志码:A 引用格式:宋杰,周建锋 包括感知策略和计费 等;用户面实现数据传输,包括感知数据处理,并将感 知结果传递到第三方。 SF 有两种架构方案:一种是本 地化架构,SF 与核心网松耦合关联,比较独立,基站侧 能够直接连接;另一种是目标架构,把 SF 作为核心网 的一个网元,与现有的 5G 核心(5G Core,5GC)网架构 ·30· �N��04#� �0��;#� �����0 ���� 融合,通过融合,控制面能够复用 网络支持无人机应用的 网络架构变革及能力演进 [6],通过 5G-A 网络实现对 无人机系统的新型标识引入、可靠连接、有效追踪等, 并从飞行周期业务保障、飞控适配增强、飞行网络状态 分析、探测与避让(Detect And Avoid,DAA)等进行能 力增强。 以核心网为例,3GPP 从 R17 开始就引入对无人机 接入 4G/ 5G 架构及机制的定义,实现网络支持无人机

，服务低空应用的网络、 终端和平台。本白皮书对低空智联网进行深入剖析，基于应用场景和需求的分析，探索以 5G-A 网络和卫星互联网为基础、低空飞行器间通信和自组织网络为补充的立体协同覆盖网 络架构，研讨以高效空口传输、通信覆盖增强、卫星接入、飞行器间直接通信为代表的无 线传输技术，研讨以空地融合组网、身份接入认证、移动性管理、高效灵活的无线自组织、 低空网络节能、频谱分配与干扰管理为代表 ................................................................................... 10 三、 低空智联网的总体架构与挑战..........................................................................12 3.1 低空智联网的行业痛点.... 256）》[5]从网络架构层面规范 了无人机系统的连接与识别方式，为其在蜂窝网络下的稳定通信提供支撑；《新空口（New Radio，NR）与下一代无线接入网（Next Generation Radio Access Network, NG-RAN） 概述（TS 38.300）》[6]为低空无人机（Unmanned-Aerial-Vehicle, UAV）提供了接入架构 与功能扩展支持，有助

....................................29 4. 系统架构设计..............................................................................................31 4.1 总体架构............................................. 应急响应：制定完善的应急预案，能够快速有效应对突发事 件，减少安全隐患。 为实现这些目标，我们的方案将包括四个主要方面：系统架构 设计、技术选型、运行流程优化和人员培训。这些方面相辅相成， 形成一个完整的空中交通管制管理体系。 在系统架构设计上，我们将采用分层架构，主要包括数据收集 层、数据处理层、决策支持层和用户交互层。数据收集层将通过多 元化的传感器获取地面和空中的实时数据，其中包括气象数据、航 空中交通流控制（ATFCM）：优化航班时刻与流量分 配。 4. 支持系统： o 气象监测系统：为飞行安全提供气象信息支持。 o 航空情报服务：提供各类飞行资料和航行计划信息。 综合上述要素，现有的空中交通管制系统在基本架构上已经相 当成熟，但在应对日益增加的航班量和复杂的航空环境方面仍面临 诸多挑战。例如，传统的雷达覆盖范围有限，面临盲区的问题；人 工调度容易出现失误，且效率较低；通信频繁干扰和延迟也影响气

日开始实施。标准适用于民 11 用无人驾驶航空器运行中与飞行活动有关数据的生成、处理、传输、存储、 应用和管理工作。标准的一般性要求涵盖数据的追溯性、有效性、隐私性和 时效性。其区块链技术应用基本要求涉及应用架构的基础设施层、核心功能 层、数据接口层、应用服务层和监控管理层。同时，规定了飞行数据存证模 型，明确了运行业务相关方和存证支持相关方，对存证技术规则与过程方面 提出了具体要求，并对存证数据及其格式进行了规范。 准进入公开征求意见阶段，包含一项强制性国家标准，推动无人机产业朝着更加 有序、健康、繁荣的方向迈进。 3.3. 标准体系建设建议 3.3.1. 标准体系框架 网络与数据安全标准体系的设计基于低空智能网联体系的参考架构进行考 虑，覆盖“云”、“网”、“端”、“场景”等层级：“云”即包括安全运营与监测方面；“网” 主要涉及通信安全；“端”重点以微、轻、小型无人机为主，包括无人机整机网络 安全（无人机设备制造与 出一般要求，包括信息安全相关资产的识别与赋值、威胁识别与攻击可行性 15 评估、风险评估等环节，并给出典型示例。  安全应急响应：围绕低空智能网联体系的安全应急响应的过程，给出低空信 息安全应急响应的组织架构与职责、每个响应阶段的具体要求、信息安全事 件的分类分级与处置策略、应急响应预案与演练等。  安全联防联控：对低空智能网联系统网络安全、数据安全事件的运营管理、 应急响应等过程中涉及的联防联控过程、方法、以及信息共享、协同管理等

...................................44 3.1 系统架构.............................................................................................48 3.1.1 硬件架构.............................................. .......................................51 3.1.2 软件架构.....................................................................................54 3.2 功能模块.................................................. 作效率并降低 人力成本。 5. 数据安全性保障：确保图像数据在传输、存储和处理过程中的 安全性，采用加密技术和访问控制机制，防止数据泄露和未经 授权的访问。 6. 系统可扩展性：设计模块化架构，便于未来功能的扩展和升 级，确保系统能够随着技术进步和业务需求的变化而持续优 化。 7. 用户友好性：提供直观的用户界面和操作指南，确保非专业用 户也能轻松上手使用系统，提升用户体验。

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 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 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 ��

..... 483 9.1 前言 ....................................................................483 9.2 空地协同系统架构与典型任务场景 ..........................................486 9.2.1 系统构成与功能分层............................. .....................................................................................487 3. 通信机制与计算架构................................................................................................... 法在处理低空复杂场景时面临诸多瓶颈。 （1）任务冲突与资源竞争：电力巡检需同步执行导线识别与树障测距，多任务并行时 边缘计算平台延迟达单任务 3.8 倍。蔡伯根团队[20]提出“边云协同”分布式架构，通过边缘端 轻量化检测与云端精细分析分级处理，但在盲区仍存在 17%关键帧丢失。 xxx -11- （2）几何-语义信息耦合缺失：灾害救援中倒塌房屋的几何形变需与材质语义联合解译， 但传

...........................................32 3. 低空产业城市管理平台的架构设计............................................................34 3.1 平台总体架构............................................................. 的日益突出，低空产业城市管理平台需集成安全通信技术，以保护 数据的完整性和用户的隐私。诸如端到端加密、VPN（虚拟私人网 络）技术等安全措施，将在平台中发挥重要作用。 另外，在工程上，通信架构的建立将采用分层设计理念，如下 所示： 在此架构中，无人机通过通信链路发送数据至数据处理中心， 同时接收来自用户终端的控制指令。通过这种方式，可以实现信息 的复合流动，优化城市管理过程，提高工作效率。 综合来看，通 空产业管理逐渐形成了兼顾安全性、经济性与环境友好的发展体 制。 3. 低空产业城市管理平台的架构设计 低空产业城市管理平台的架构设计是确保平台功能高效、稳定 和可扩展的基础。在设计架构时，需要充分考虑低空产业的特点， 包括无人机运营的实时监控、数据处理和分析、政策法规的支持以 及多方协作的需求。 平台的架构可以分为三个主要层次：数据采集层、数据处理层 和应用服务层。数据采集层主要通过无人机、传感器和其他物联网