2024年空地一体5G增强低空网络白皮书.pdf

2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 1 引 言 低空经济已成为新质生产力的重要代表，发展低空经济成为推动国家经济社会高质量发展的内在要求和重要着力点。2023 年 12 月，中央经济工作会议明确提出打造低空经济等战略性新兴产业。2024 年 3 月，全国两会首次将低空经济写入政府工作报告。随着低空经济持续发展，空中交通管理、数据传输和通信服务需求不断增加，亟需以传统地面无线网络为基础构建空地一体低空网络，确保低空活动安全、高效运行。第五代移动通信技术（5G）能够提供更快的数据传输速度、更低的延迟和更广泛的设备连接，可满足低空网联终端（如无人机、飞行汽车等）实时控制、航空交通高效管理以及紧急响应等复杂通信需求。随着 5G 技术进一步演进，网络性能更加出色，空地一体网络可将 5G 多种技术手段扩展应用于低空，更好地满足低空飞行业务数据传输和空域管理需求。本白皮书首先介绍了空地一体 5G 增强低空网络的发展背景与现状；其次说明了空地一体低空网络的多种应用场景；然后针对应用场景深入分析低空网络面临的关键技术挑战以及网络能力需求；进一步创新性地提出一种空地一体感知覆盖参考模型，并从兼顾建设效果和效益的角度出发，提出多种空地一体通信组网方案，以满足多种场景需求；此外从基站规划设计和空地网络协同优化的角度给出了建议；白皮书还介绍了中国电信低空服务监管平台核心功能；最后对空地一体低空网络的未来发展进行总结与展望。低空经济作为新兴产业对网络需求充满不确定性，本白皮书旨在分享中国电信在空地一体低空网络建设的思路和经验。空地一体 5G 增强低空网络以其“高速泛在、智能敏捷、安全可靠”的特点，为移动通信领域拓展了新的应用场景和市场潜力，促进无人机行业全球产业链形成，并为新兴低空经济提供智能化和多样化的保障，推动低空经济的创新与发展，为提升国家综合国力和国际竞争力注入新活力。2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 2 目 录 引 言 .1 1 目 录 .2 2 1 1 发展概况发展概况 .5 5 1.1 政策驱动.5 1.1.1 国家政策.5 1.1.2 地方政策.6 1.2 标准演进.6 1.2.1 ITU.7 1.2.2 3GPP.7 1.2.3 IEEE.8 1.2.4 CCSA.9 1.3 发展现状.10 1.3.1 低空飞行器制造.10 1.3.2 低空基础设施建设.10 1.3.3 低空网络服务.10 1.3.4 低空应用产业.11 2 2 行业应用场景行业应用场景 .1111 2.1 智慧城市场景.11 2.1.1 低空物流.11 2.1.2 城市规划.12 2.2 智慧公安场景.12 2.2.1 公共安全.12 2.2.2 交通管理.12 2.3 应急保障场景.12 2.3.1 应急救援.12 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 3 2.3.2 应急通信.12 2.4 智慧水利场景.13 2.4.1 实时巡查与监测.13 2.4.2 精准测量与建模.13 2.4.3 环保检测与治理.13 2.5 农林植保场景.13 2.5.1 农药喷洒.13 2.5.2 病虫害监测.13 3 3 面临面临挑战挑战及能力要求及能力要求 .1313 3.1 主要技术挑战.13 3.2 网络能力要求.15 3.2.1 空地一体.16 3.2.2 通感融合.16 3.2.3 智算一体.16 4 4 网络设计与创新网络设计与创新 .1717 4.1 空地一体感知覆盖参考模型.17 4.1.1 空地小区半径参考模型.17 4.1.2 空地感知覆盖波束参考模型.17 4.1.3 网络拓扑模型及关键参数设计.17 4.2 空地一体通信组网方案.20 4.2.1 3.5G 单载波空地异频方案.21 4.2.2 3.5G 双载波空地异频方案.21 4.2.3 3.5G 双载波空地同频方案.22 4.2.4 3.5G 虚拟分频方案.23 4.2.5 2.1G 双翼辐射方案.24 4.3 基站规划设计方案.25 4.3.1 站址规划.25 4.3.2 天线方案.25 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 4 4.3.3 天线方位角.26 4.3.4 配套方案.26 4.4 空地网络协同优化.26 4.4.1 空地三维移动性策略.27 4.4.2 空地业务互异协同.27 5 5 低空服务监管平台低空服务监管平台 .2828 6 6 总结与展望总结与展望 .2929 缩略语缩略语 .3131 参考文献参考文献 .3333 空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 5 1 发展概况 低空经济指的是利用低空空域资源进行的各类经济活动，包括但不限于通用航空、无人机应用、旅游观光、农林喷洒、医疗救援等。近年来，随着技术进步和政策开放，低空经济正在迅速发展并成为新的经济增长点。空地一体网络旨在为地面用户和空中用户提供无缝、稳定、高速的网络连接。空地一体网络同时为低空及地面提供服务，形成一个稳定且高效的三维（3D）立体覆盖无线网络，不仅满足全时全域通信的需求，也将满足低空智能感知需求。在 5G 网络持续增强与演进的背景下，空地一体网络为低空经济的发展提供强大的基础设施支持、创新发展动力、监管与安全管理保障，推动低空经济市场规模持续增长的同时不断拓展应用领域。1.1 政策驱动 低空经济作为新兴产业，近年来在国家及地方政策层面得到了越来越多的支持与激励。国家政策及地方政策的出台，无疑为低空经济及低空网络的发展提供强大政策支持和发展动力。1.1.1 国家政策国家政策 国家对低空经济给予高度重视和政策支持，通过多种手段推动低空经济快速、健康发展。2021 年 2 月，中共中央、国务院印发国家综合立体交通网规划纲要1，提出发展交通运输平台经济、枢纽经济、通道经济与低空经济低空经济，标志着低空经济概念首次写入国家战略规划。2023 年 12 月，中央经济工作会议2提出要大力推进新型工业化，发展数字经济，加快推动人工智能发展，打造生物制造、商业航天与低空经济低空经济等若干战略性新兴产业。2024 年 2 月，中央财经委员会第四次会议强调，鼓励发展与平台经济、低低空经济空经济、无人驾驶等结合的物流新模式。统筹规划物流枢纽，优化交通基础设施建设和重大生产力布局，大力发展临空经济、临港经济3。2024 年 3 月，工信部等四部门联合印发通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030 年）4，方案指出发展通用航空制造业，加快通用航空装备创新应空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 6 用，是塑造航空工业发展新动能新优势、推动低空经济低空经济发展的重要举措，是加快制造强国、交通强国建设的必然要求。1.1.2 地方政策地方政策 2024 年以来多地政府工作报告提及低空经济，广东、江苏、江西、四川等多地都持续出台政策，推动低空经济的发展。广东省政府工作报告5提出发展低空经济低空经济，创新城市空运、应急救援、物流运输等应用场景，加快建设低空无人感知产业体系，推进低空飞行服务保障体系建设。支持深圳、广州、珠海建设通用航空产业综合示范区，打造大湾区低空经济产业高地。江苏省政府工作报告6提出加快发展新质生产力，持续打造“51010”战略性新兴产业集群，积极开展省级融合集群试点，大力发展生物制造、智能电网、新能源、低空经济低空经济等新兴产业。其中南京已建成一中心两平台，即南京民用无人驾驶航空运行管理中心、低空智联网平台、低空服务管理平台，围绕长江保护、消防应急等场景进行发展打造。江西省政府工作报告7提出深入推进新型工业化，加快构建体现江西特色和优势的现代化产业体系。大力实施产业升级战略、科教强省战略，争创国家新型工业化示范区。实施未来产业培育发展三年行动计划，努力在元宇宙、人工智能、新型显示、新型储能、低空经济低空经济等领域抢占先机。四川省政府工作报告8提出加快发展低空经济低空经济，支持有人机无人机、军用民用、国企民企一起上。2024 年 6 月，四川省专门发布促进低空经济发展的指导意见，以培育低空经济市场为重点，加快基础设施建设和低空航线网络构建，巩固拓展低空空域管理改革试点成果，增强低空飞行服务保障能力，提升通用航空制造业水平，加快形成新质生产力。1.2 标准演进 随着低空网络技术持续发展，全球移动通信行业对低空标准化进程也在不断加快。在国际电信联盟（ITU）、第三代合作伙伴计划（3GPP）、电气与电子工程师协会（IEEE）、中国通信标准化协会（CCSA）等国内外标准组织的推动下，低空领域的标准化工作取得了许多进展。空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 7 1.2.1 ITU 国际电信联盟针对民用无人机（CUAV）发布了一系列建议书，以支持无人机在各种应用场景中的应用。这些建议书涵盖了从基本通信服务要求到特定应用场景下综合技术框架和要求，包括移动边缘计算（MEC）、飞行控制、无人机协同、无人机监测服务、物流快递服务、基站检查服务、网联无人机和无人机控制器的功能架构等。2019 年 5 月，F.749.109标准规定了民用无人机通信服务的基本要求，包括一般通信服务框架、通信系统要求、飞行控制通信、飞行数据传输以及任务有效载荷通信服务要求。2019 年 11 月，F.749.1110标准描述了支持移动边缘计算的 CUAV 系统的框架和要求，强调了功能、服务和安全要求。2020 年 3 月，X.67711标准提供了无人机全生命周期管理和操作身份识别的要求，并规定了使用对象标识符（OID）的无人机识别机制。2020 年 6 月，F.749.1212标准为民用无人机及其功能实体、参考点等通信应用提出了总体框架。2020 年 12 月，Y.455913标准描述了使用无人机的基站检查服务要求和功能架构。2021 年 6 月，F.749.1314提供了使用人工智能的民用无人机飞行控制框架；F.749.1415规定了 CUAV 协调的要求，包括网络连接、数据传输和协同任务执行的要求。2021 年 10 月，Y.442116标准为使用 IMT-2020 网络的无人机和无人机控制器提供了功能架构。2022 年 3 月，F.749.1517标准规定了使用民用无人机进行监测和检查服务的要求。2023 年 7 月，F.749.1618标准提供了基于民用无人机的物流快递服务系统和管理的要求。1.2.2 3GPP 从 Release 16 开始，3GPP 着手研究无人机系统的支持和增强。此外，3GPP空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 8 还研究了无人机系统的远程识别功能19与无人机相关的增强功能20，并提出了新的用例和潜在服务级别需求。在 Release 17 中，3GPP TS 22.12521规范详细描述了无人机系统远程识别的服务需求，包括身份识别、位置报告、飞行状态监控等。在 Release 18 中，3GPP 进一步定义了无人机系统应用层的功能架构、程序和信令流程22，并专注于支持无人机系统的连接性、识别和跟踪，定义了相关的架构增强功能23。此外，还发布了关于进一步增强无人机和城市空中交通（UAM）架构的研究24。在 Release 19 中，3GPP 定义了无人机系统网络功能（UAS-NF）的空中管理服务协议和数据模型25，以及无人机系统（UAS）应用层支持26。同时，还专注于无人机系统的安全方面，定义了支持 UAS 连接性、识别、跟踪和配对授权的安全特性27。在通感融合领域，3GPP SA1 发布了技术报告（TR）22.83728，定义了 5G 系统在不同垂直领域/应用场景下的感知服务用例和潜在需求。此后，RAN1 启动了通感融合信道模型研究。1.2.3 IEEE IEEE 制定了一系列与低空无人机相关的标准，包含网络、应用、接口等多个方面，以促进无人机技术的安全、高效和标准化发展。lEEE P1920.129定义了自组织空中网络的空对空通信标准，适用于载人和无人、小型和大型以及民用和商用飞机系统。IEEE P1936.130提供了一个支持无人机应用的框架，包含典型的无人机应用类别、场景和所需的环境。此外，还给出了无人机应用的基础设施要求，包括飞行平台、飞控系统、地面控制站、有效载荷、控制链和数据链、起降系统等。IEEE P1937.131规范了无人机与有效载荷接口的框架，包含无人机有效载荷设备的接口、性能指标、配置、操作控制和管理。IEEE P1937.832规范了无人机蜂窝式通信终端的功能要求和接口要求，包含硬件、信令、数据接口、环境特性、性能、可靠性、安全性和配置管理等方面。IEEE P1939.133规范了一个用于实现无人机安全和高效交通管理的低空域空间结构。空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 9 1.2.4 CCSA CCSA 从 2021 年起研究发布了一系列行业标准，致力于推动低空领域的标准化工作，包括无人机公网通信服务、安全管理、应急通信、网络空间安全仿真以及 5G 技术融合等方面的技术要求与研究。民用无人驾驶航空器公网通信服务管理平台总体技术要求34定义了基于公网通信的无人机服务平台系统设计原则、功能需求、接口标准及性能指标，为无人机在各类应用场景中的高效、安全运行提供了标准化指导。无人机管理（服务）平台安全防护要求35针对电信运营商独立或与第三方共建的无人机服务平台，制定了安全防护标准，确保平台运行的安全性和稳定性。基于系留无人机的应急通信空中基站技术要求36规范了利用系留无人机作为空中临时基站的技术参数和性能要求，特别是在紧急情况下提供稳定通信服务的能力，同时也为其他通信系统提供了参考标准。网络空间安全仿真无人机系统信息安全仿真平台接入技术要求37确立了无人机系统信息安全仿真平台与网络靶场互联的技术标准，以加强无人机网络安全测试和防御能力。5G 移动通信网能力开放（NEF）总体技术要求38 为 5G 网络能力开放设定了框架，明确了业务需求、网络功能及接口标准，助力无人机等终端设备更高效地接入和利用 5G 网络资源。5G 移动通信网面向高可靠低时延通信的增强核心网技术要求39针对 5G网络在高可靠性和低时延通信方面的优化，定义了核心网的增强功能和技术流程，特别适合于无人机实施精密操作、实时数据传输等高要求场景。通信网智能维护技术要求第 6 部分：基于无人机的通信网智能巡检40提供了无人机技术实现对通信基础设施智能巡检所需的无人机设备技术要求以及巡检系统的设计、开发及应用。面向无人机系统的5G无线网增强技术研究41研究了无人机的应用场景、性能需求、干扰消除方案、移动性增强方案、空中终端标识和广播与探测避让机制等内容。空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 10 1.3 发展现状 低空经济正朝着规模化、智能化和可持续发展的方向迈进，在市场规模、产业链、技术创新和应用场景等方面都呈现出强劲的增长势头和发展潜力。中国民航局发布数据显示，2023 年中国低空经济规模已超 5000 亿元，预计到 2025 年将达 1.5 万亿元、到 2030 年有望突破 2 万亿元、到 2035 年有望达 3.5 万亿元42。1.3.1 低空飞行器制造低空飞行器制造 低空飞行器制造业是低空经济的核心，这一领域涵盖了轻小型定翼飞机、民用直升机、无人机以及电动垂直起降飞行器（eVTOL）等多种低空飞行器的研发与制造。目前，以无人机为代表的飞行器制造产业链已经相当成熟，展现出强大的市场潜力和技术实力。此外，在 eVTOL 领域，中国民航局先后颁发了全球首张载人无人驾驶航空器型号合格证、适航证及生产许可证43，标志着该航空器率先迈入规模化生产阶段，为下一步商业化运营奠定了基础。1.3.2 低空基础设施建设低空基础设施建设 低空基础设施作为支撑各类低空经济活动的核心基石，其建设与运营不仅涵盖了通用机场、垂直起降点、飞行服务设施、无人机充电站及无人机维护基地等实体设施，还包括了低空空域管控系统、无人机飞行服务系统以及无人机反制系统等关键管理服务系统。根据民航局统计，截至 2023 年 12 月底，全国在册通用机场数量已达 449 个，比 2022 年新增 50 个，同比增长率 12.5%44。然而目前用于服务低空经济的低空基础设施建设处于发展的初级阶段，多地政府纷纷出台相关政策，推动低空基础设施建设。例如，四川省人民政府下发了关于促进低空经济发展的指导意见8，提出了到 2027 年建成 20 个通用机场和 100 个以上垂直起降点的目标。广东省深圳市颁布 深圳经济特区低空经济产业促进条例45,明确提出了市人民政府在低空飞行基础设施规划、建设和运营管理中的统筹角色，并鼓励社会资本参与建设的低空飞行基础设施向社会开放共享。安徽省合肥市发布合肥市低空经济发展行动计划（2023-2025 年）46，将基础设施建设作为发展重点，计划 2025 年建成具有国际影响力的“低空之城”。1.3.3 低空网络低空网络服务服务 低空网络是低空经济实现信息化、数字化和智能化的基础，国内运营商目前空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 11 在政策指引下积极布局低空网络建设。一方面利用 5G 增强技术，强化原有 5G高速率、低时延、大连接的三角能力建设一张低空通信网，满足无人机网联控制以及视频回传等业务需求；此外通过创新通感融合、智算一体、空地一体三大能力，实现对无人机飞行轨迹的实时精准定位跟踪，对闯入或撤离电子围栏区域的“黑飞”无人机主动有效防控。目前，中国电信已经在江苏南京开展 5G 增强自发自收通感一体化多站协同组网验证。在大规模组网环境下，利用 5G 增强通感一体化平台，可以实现对多架以不同轨迹、高度和速度飞行的无人机进行实时观测与跟踪47。1.3.4 低空应用产业低空应用产业 低空经济应用产业分布广泛，主要以通航和无人机业务为主。120 米以下适飞空域，基本满足绝大多数普通用户的使用需求，主要为航模比赛、休闲娱乐飞行等活动，目前该领域的应用已经比较成熟。行业应用无人机主要飞行高度为120 至 300 米，涉及低空物流、城市规划、农林植保等，目前无人机在该领域已经有广泛的应用。300 至 1000 米高度主要是通用航空，如应急救援、旅游观光、商务出行等飞行需求，目前该领域正在逐步发展。2 行业应用场景 空地一体低空业务场景通过整合通信、感知和智算技术，为城市管理、公共安全、智慧水利和应急通信等行业领域提供全面支持。通过空地一体低空通信网络，无人机可以在空中进行实时数据采集并将数据传输至地面处理中心，由地面强大的算力资源进行分析，同时根据地面的避障指引和飞行路径管理，确保飞行活动的安全性。此外，空地一体低空网络的感知系统可以实时感知飞行环境，为无人机飞行提供导航辅助，识别潜在飞行风险，识别无授权的“黑飞”活动，确保低空空域的安全与高效运行。2.1 智慧城市场景 2.1.1 低空物流低空物流 低空物流正逐渐展现出其巨大的潜力和优势，城市地面交通的拥堵和复杂性使得限时配送成为物流行业的难题。对于偏远地区或交通不便的地区，传统的物流配送方式存在诸多限制。低空物流能够克服地形等因素的限制，通过无人机等空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 12 低空飞行器的使用，无视地面交通状况，快速、准确地将货物送达目的地。通过空地一体低空网络的连接，可摆脱飞手的成本限制，从而实现远距离、高效、低成本的物流配送。2.1.2 城市规划城市规划 无人机搭载高分辨率的相机、激光雷达等设备，可以在空中俯瞰城市，快速获取建筑物、道路、绿地、水域等分布情况，用于城市规划前的地形地貌、建筑布局等调研工作，为规划提供准确数据。同时通过无人机航拍数据，可以构建城市的三维模型，为城市规划、设计、管理提供可视化支持。通过空地一体低空网络的连接，无人机可以实现远程控制，并及时将大量的航拍数据传输回地面，无需负载大容量的存储设备，大大提升了城市勘测的效率。2.2 智慧公安场景 2.2.1 公共安全公共安全 利用无人机搭载高清摄像头或其他传感器，低空网络可以实现城市的实时智能监控。无人机通过低空网络可以覆盖城市公共空间的各个角落，对环境、安全等方面进行全方位巡查。2.2.2 交通管理交通管理 低空网络可以协助交通管理部门进行交通监控、交通流量分析等工作，在交通事故发生后，无人机可以快速到达现场，拍摄事故现场照片和视频，为事故处理提供重要证据。2.3 应急保障场景 2.3.1 应急救援应急救援 在自然灾害、重大事故等紧急情况，无人机可以在低空网络支持下辅助消防部门进行火情侦查、灾害分析，提供实时视频传输，辅助应急指挥和救援工作，进行救援物资投送等。2.3.2 应急通信应急通信 低空网络在应急通信场景中扮演着至关重要的角色，特别是在公共安全事件等紧急情况下，能够提供快速、可靠的通信服务。低空网络利用无人机、直升机等低空飞行器，将通信网络迅速部署到受灾区域，为救援工作提供及时的通信支空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 13 持，还可以与地面通信网络、卫星通信网络等实现协同配合，形成空天地多层次的通信保障体系。2.4 智慧水利场景 2.4.1 实时巡查与监测实时巡查与监测 无人机等低空飞行器能够迅速覆盖广阔的水域和河道，进行实时巡查和监测。通过搭载高清摄像头和传感器，可以实时传输水情、水质、水流等指标，为水利部门提供准确的数据支持。2.4.2 精准测量与建模精准测量与建模 利用低空飞行器搭载的激光雷达、多光谱相机等设备，可以进行高精度的地形测量和水文模型构建，这些数据可以用于水利工程建设、河道治理和水资源规划等方面，提高水利工程的科学性和有效性。2.4.3 环保检测与治理环保检测与治理 通过低空网络管理的低空飞行器可以用于水域环境的检测和治理，如水体污染监测、水生生物保护等，通过搭载水质检测仪、生物识别系统等设备，可以远程检测水域环境的变化，为环保部门提供执法依据。2.5 农林植保场景 2.5.1 农药喷洒农药喷洒 利用无人机实施农药喷洒，可以实现对农作物施药的精确控制，从而避免农药的过量使用，降低对环境的污染，还可以根据作物的生长情况和病虫害的分布情况，进行定点、定量施药，提高防治效果。2.5.2 病虫害监测病虫害监测 无人机搭载的高清摄像头可实时采集农作物信息，通过对回传图像进行分析，及时发现病虫害的类型和病情。未来，结合低空网络系统的感知能力，空地一体低空网络可以对病虫害进行测速、定位追踪等，为防治提供准确的数据支持。3 面临挑战及能力要求 3.1 主要技术挑战 为推动低空经济健康、有序地发展，需要进行体系化的服务监管能力升级，空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 14 加快低空网络基础设施建设，提升各类应用场景下低空网络能力。低空业务要求低空网络高度智能化，需要通信、识别、决策、控制等多个方向上的技术升级。空地一体低空网络旨在构建一个高效、可靠、安全的空地全域覆盖网络系统。空地一体低空网络与传统地面网络存在显著差异，众多技术挑战随踵而至：（1）空地立体广域覆盖挑战空地立体广域覆盖挑战：当前移动通信网络主要服务于地面用户，其网络部署和组网形式以覆盖地面为主，无法有效实现立体空间的广域连续覆盖，低空覆盖存在碎片化情况。由于基站天线设备的垂直张角和安装机械倾角的限制，基站塔顶可能出现覆盖盲区，那就需要由邻站实现对本站塔顶的覆盖。如果对空站点周边有高楼等建筑物遮挡也会导致存在弱覆盖区域。（2）通信感知融合挑战通信感知融合挑战：空地一体网络同时实现低空通信与感知服务，需要网络提供同时满足通信和感知性能要求的低空空域覆盖。尽管低空通信可以由主瓣和旁瓣共同覆盖，但是低空感知需要由主瓣提供感知覆盖，以满足低空目标位置感知能力。因此，需要探究低空通感融合的覆盖方法。此外，基站对于不同高度的覆盖能力存在差异，高度越低，基站的水平覆盖范围越大，从而带来重叠覆盖，扇区间也会存在干扰，影响通信和感知能力。为规避重叠覆盖导致的干扰，需要考虑采用时分、频分、码分等资源复用方式。此外，通信资源与感知资源的平衡、信号的干扰等问题也面临挑战。（3）空地网络干扰挑战空地网络干扰挑战：低空网络如果与地面网络同频部署，地面基站的上旁瓣将对会低空无人机用户产生下行干扰，包括同步信号块（SSB）的干扰以及业务信道的干扰。另外，低空无人机用户的上行发射也会对地面用户产生上行干扰。空地一体网络需具备强大的干扰检测与消除能力，以有效消除小区间干扰，确保网络稳定性。（4）移动性管理挑战移动性管理挑战：现有无线网络的移动性策略是基于地面网络的二维平面覆盖设计的，而低空网络则是三维立体覆盖，因此移动性也更为复杂。另外，单个低空基站和单个地面基站的覆盖范围不同，使得空地基站之间的邻区关系配置极其复杂，邻区关系配置需要从仅配置二维邻区拓展到配置三维立体邻区。而且对空小区半径远大于对地小区半径，因此亟需研究空地一体网络立体覆盖下的移动性管理策略，使得网络能够快速响应，避免通信中断和延迟，确保高质量的空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 15 用户体验。（5）空口资源分配挑战：空口资源分配挑战：频谱资源十分宝贵，如何在不增加空口资源的情况下实现空地一体网络，将二维覆盖拓展到三维覆盖，是亟需研究的问题，包括空地融合调度优化、空地业务互异协同等。（6）低空应用高带宽与低延时通信挑战：低空应用高带宽与低延时通信挑战：低空应用具有大上行速率的数据传输需求。无人机传输的视频、图像和传感器数据量大，需要高带宽支持。同时许多低空应用对时延要求严格，比如实时监控、远程航控等场景，需要确保数据传输的低时延。（7）网络优化挑战：网络优化挑战：构建空地一体低空网络涉及地面小区与低空小区的综合布局与协调管理，这一复杂系统要求在对各类小区进行独立配置、管理和优化的同时，满足不断变化的通信需求并确保网络整体的鲁棒性。（8）服务与监管挑战：服务与监管挑战：无人机使用过程中存在难以识别、监控管理困难、飞行审批流程复杂等一系列问题，缺乏统一、高效、科学的服务管理机制来保障低空飞行活动安全有序进行。监管部门难以第一时间发现低空空域中“乱飞”、“黑飞”等不合法行为，飞手也难以保证其飞行任务的安全性和可靠性。因此，亟需一体化的监管平台即综合管理系统，确保低空空域的可管、可控。（9）网络安全与隐私保护网络安全与隐私保护：无人机低空网络面临着网络安全和隐私保护的挑战。无人机在传输数据时，可能会受到恶意攻击或数据泄露的风险。同时，无人机在飞行过程中可能会捕捉到敏感信息，如何保护这些信息不被非法获取和滥用，是低空网络需要解决的关键问题。3.2 网络能力要求 空地一体低空网络为低空飞行器提供高速、稳定、安全可靠的移动通信服务以及智能化飞行支持，满足物流、应急、巡检等低空服务场景需求。5G 增强是 5G 向第六代移动通信技术（6G）发展的关键阶段，重点面向产业数字化升级需求，全面提升速率、时延、确定性等方面的业务性能。基于现有5G 及 5G 增强网络的赋能，将为低空用户提供更加智能化、多样化的服务体验，同时也为监管部门提供更为全面、便捷、智能的低空空域管理解决方案。空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 16 3.2.1 空地一体空地一体 空地一体低空通信网络可为低空飞行器提供稳定、连续、高速、可靠的低空和地面无缝覆盖，满足覆盖区域内高速、泛在的空地一体接入需求。高速泛在高速泛在：5G 增强较现有 5G 网络，能够提供带来大约 10 倍的速率提升，支持低空业务中超高清视频传输、大规模数据传输以及实时通信等业务需求，并可依托现有移动通信网，提供从地面到低空空域 3D 立体的泛在接入。高效资源管理高效资源管理：无人机高度动态的移动性要求低空网络具备高效的无线资源管理能力，包括动态的信道分配、功率控制和干扰管理，以适应复杂多变的低空环境。智能优化和管理智能优化和管理：5G 增强引入了内生智能的技术特征，使网络具备自我优化和自我管理的能力，可以实现实时数据分析和自动资源分配，并对异常事件能够实时监测和响应。这种智能优化和管理能力可以帮助网络更高效地适应低空多种应用场景和服务需求，提升整体通信性能和用户体验。3.2.2 通感融合通感融合 通感融合是 5G 增强引入的全新技术之一，通过空地一体基站实现对低空飞行器进行实时监测，对保障空域高效监控、飞行安全可靠有着重要意义。高精度和高分高精度和高分辨率：辨率：支持高精度和高分辨率的感知能力，以支持精细化的场景感知和数据分析，确保对低空目标准确检测、定位和追踪。多源数据融合：多源数据融合：融合来自不同传感器和设备的感知数据，实现更全面的场景感知。这要求网络具备高效的数据处理能力，能够将多源数据进行融合和分析，提供准确的感知结果。3.2.3 智算一体智算一体 人工智能（AI）赋能的空地一体低空智联网，将在城市管理、智慧交通、应急救援、物流快递等领域得到广泛应用，算力基础设施需要结合低空业务场景进行灵活部署，以支撑更加复杂、多样化和实时性的应用需求。边缘计算能力：边缘计算能力：无人机控制、实时视频传输处理、自动巡航等功能，要求极低的网络时延、超高的网络带宽及快速的算力响应，因此需要智能算力下沉到网络边缘，并做好算网协同，减少数据传输时间，提供快速的决策支持。空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 17 高性能、弹性计算：高性能、弹性计算：低空网络面对各种复杂环境，需开展海量的实时数据分析计算和机器学习任务，按需配置高性能处理器、加速器和存储设备，并具备灵活性、可扩展性，满足高性能和弹性计算的要求。同时，低空智算设施还需与不同应用平台和数字化系统进行协同工作，实现无缝集成和互操作。4 网络设计与创新 4.1 空地一体感知覆盖参考模型 4.1.1 空地小区半径参考模型空地小区半径参考模型 空地一体网络系统由空地一体基站和对地基站构成，对地基站主要提供地面通信服务，空地一体基站则同时提供地面和低空的通信服务以及低空的感知服务。空地一体基站和对地基站协同服务，实现空地立体连续覆盖。传统蜂窝网络中地面基站的站间距一般为小区覆盖半径的大约 1.5 倍，通过蜂窝组网可实现地面二维平面无缝覆盖。在低空感知网络立体覆盖中，由于塔顶区域存在感知盲区，需要使用空地一体基站实现对邻站塔顶上方的感知信号覆盖。因此，为实现低空感知覆盖，需要调整站间距与小区半径的比例关系，一般可规划站间距等于小区覆盖半径。4.1.2 空地感知覆盖空地感知覆盖波束参考模型波束参考模型 空地一体网络为了提供面向整个空域飞行器的通信和感知服务，需要网络实现低空立体连续覆盖。由于通信和感知的业务需求不同，连续覆盖的实现方式也不同。通信的目的是传输信息，不论是使用主瓣或者旁瓣，通信信号强度只要达到接收机的解调门限就可以实现信息的传输，所以使用主瓣和旁瓣覆盖均可满足通信业务的需求。而对于感知，如果要准确探测目标位置，一般通过检测主瓣信号的回波，并且屏蔽旁瓣信号的杂波，所以感知业务通常需要使用主瓣覆盖。在通感融合低空覆盖情况下，感知业务对网络覆盖的要求更高。因此，对于空地一体网络中的低空部分，由于要承载低空通信和低空感知业务，需要使用主瓣实现低空的立体连续覆盖。而对于地面部分，由于只承载地面通信业务，因此可使用主瓣+旁瓣实现地面的连续覆盖。4.1.3 网络拓扑模型及关键参数设计网络拓扑模型及关键参数设计 在低空网络立体覆盖中，如图 1 所示，由于阵列天线垂直张角的限制，基站空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 18 对于不同高度的覆盖能力存在差异。空域高度越高，基站覆盖的水平范围越小，基站塔顶的覆盖盲区面积越大。因此，空域立体连续覆盖的瓶颈是保证最大高度上主瓣的无缝覆盖，这就对基站信号收发设备的垂直张角提出了一定的要求。图 1 不同高度低空网络覆盖示意图 在六边形拓扑假设条件下，为满足低空最大高度上主瓣连续覆盖要求，需要本基站主瓣覆盖的范围尽可能大，而由邻站主瓣覆盖的本基站塔顶盲区尽可能的小，通过平衡本站主瓣与邻站主瓣的覆盖比例，实现不同高度上的连续覆盖。如图 2（a）所示的较高覆盖高度低空网络拓扑中，本站塔顶由邻站覆盖。但在较低高度的空域，由于基站覆盖范围变大，如图 2（b）所示，将会出现重叠覆盖。对于感知业务，为避免重叠覆盖带来的干扰，需要将不同小区的资源进行隔离，可考虑对小区间感知资源进行时分、频分或码分。图 2 低空小区邻站覆盖本站塔顶区域示意图 基于以上分析，提出了空地一体感知覆盖参考模型，如图 3 所示，空地一体基站 0 在最大高度上一个扇区的主瓣覆盖范围为 BCDEFG 之间的区域。空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 19 图 3 空地一体感知覆盖参考模型示意图 假定=,=，则空地一体基站对空垂直张角与基站覆盖最大垂直高度、覆盖盲区的关系可表示为：邻站对本站塔顶覆盖的水平距离比例可表示为：综上可得，本站塔顶盲区由邻站主瓣覆盖，本站主瓣覆盖区域 CB 与邻站主瓣覆盖区域 HC 满足上述比例关系，由基站覆盖高度，基站垂直张角、站间距共同决定。在站间距与基站覆盖高度固定的情况下，基站张角越大，则本站塔顶区域对邻站的覆盖需求就越小。从多站组网蜂窝覆盖的角度分析，如图 4 所示，在最高覆盖高度上，O1的塔顶盲区由O3、O5、O7三个邻站扇区的主瓣覆盖。以O1朝向左下方向扇区的主瓣覆盖O1和O2之间的蓝色区域为例，基站O1天线垂直张角的大小影响了最高高度上本站塔顶覆盖盲区外沿点的位置。当基站O1的垂直张角越大，越靠近O1；垂直张角越小，越靠近O2。而该位置也影响三个邻站对O1塔顶盲区的覆盖要求。以邻站O3对基站O1塔顶覆盖为例，O3向右方向扇区的天线法线方向指向O1（即O3O1方向），当O1的张角越小，则O3偏离O3天线法线方向的角度越大。由于O3方向上波束增益随着偏离O3法线角度越大而降低得越多，多站组网时需要空地一体 5G 增强低空网络白皮书 2024 中国电信版权所有,Copyright of China Telecom 20 考虑O3基站的主瓣波束能否覆盖O1与之间的区域，以弥补O1塔顶的覆盖盲区。具体的，假定O1O2=，O1X=s，O3偏离O3天线法线方向O3O1的角度可表示为：综上可得，邻站对本站塔顶盲区覆盖的设计，需要考虑到本站天线垂直张角、覆盖高度、邻站的波束增益以及站间距。图 4 空地一体网络多站组网覆盖参考模型示意图 通过对上述空地一体感知覆盖参考模型的分析，为网络拓扑模型及关键参数设计提供参考。在空地一体通感融合网络中，需要考虑低空与地面的无缝立体覆盖、网络的部署、站间距与小区半径的设计、波束覆盖能力、基站天线张角的设计等诸多因素。4.2 空地一体通信组网方案 为了实现低空高效覆盖，同时避免大幅增加投资，中国电信创新提出五种空地一体无线组网方案，包括：3.5G 单载波空地异频方案、3.5G 双载