低空经济信息基础设施的思考—详解版

　　

　　

　　近年来，全国各地积极发展低空经济，但“低小慢”飞行器存在“看不见、叫不到、管不住”的突出问题。由于缺乏统一精细化的低空基础设施和管控平台，低空通信、导航、监视等保障能力不足，政府部门难以有效监管。全国多家运营企业纷纷尝试自行搭建飞行规范和低空基础设施平台，导致信息孤岛现象，管理混乱，资源浪费，给低空飞行带来极大的安全隐患。

　　对于“异构、高密度、高频次、高复杂性”的低空飞行，相关的空中交通规则及法律法规建设还比较滞后。低空经济的发展离不开有序的运营和监管，而运营和监管的前提是低空基础设施建设。，目前低空空域尚缺乏有效的全天候监测手段，其根本原因是为缺乏统一的基础设施建设，尤其无法对低空空域进行全天候的“感知”。

　　构建低空通信与感知为一体的基础设施网络，赋能可计算空域，是发展低空经济和打造可运营空域的前置条件。这一网络将为低空管理与企业飞行运营提供感知、检测与通讯保障能力。同时通过对低空网络信号覆盖范围内的物理设施，尤其是低空飞行器进行感知与定位，实现各类形式的低空飞行器运行统一调度，集中管理和高效通行，推动低空空域的安全有序发展。

　　为什么要通信和感知功能？

　　1、通信功能的需求

　　（1）飞控需求

　　- 实时飞控：下行低时延高可靠通信链路（URLLC）

　　1）飞行过程：当前低空飞行器一般为预置飞行轨迹。但从未来演进看，为实现动态航线规划、提升空域资源利用率，以及异常情况处理（如识别黑飞的时候下发飞控动作）等功能，实时飞控是必须的。

　　2）起降过程：地面控制中心与低空飞行器之间需要高可靠的通信链路，从而传递飞行参数、飞行计划以及接收指令，避免相互干扰或发生冲突，保证飞行的有序进行。

　　// 需要保证通信的及时性（时延10ms），可靠性（99.9%），抗干扰性，通信安全性（认证加密）。

　　- 状态报告：上行低时延高可靠通信链路（URLLC）

　　1）状态信息：合作或合法低空飞行器周期性汇报当前位置，高度，速度，目的地等多维度状态信息，用于创建飞行记录等，辅助地面控制中心监管。

　　2）身份ID：伴随状态信息，通过通信能力，上报身份ID，可以是飞机主动上报类似ESN，也可以是开户的类似IMSI信息；当前所有低空管制，均要求低空飞行器会发送自己的身份ID信息。

　　（2）业务需求

　　- 机载数据传输：上行大带宽传输通信链路（eMBB）

　　1）飞行过程：低空飞行器可以将飞行过程中的传感采集数据、视频数据等周期性或实时（部分场景和用途）回传给地面控制中心。

　　2）降落过程：低空飞行器在靠近起降平台的时候，快速的将机载数据offloading到地面控制中心。

　　// 大多数低空飞行器应用和服务都需要从低空飞行器到地面服务中心或控制器的高清视频反馈。例如，低空飞行器辅助管道和基站巡检、搜救任务、重大赛事监控和娱乐需要高达30 Mbit/s的上行链路传输数据速率。

　　- 业务远程控制：下行低时延高可靠通信链路（URLLC）

　　地面控制中心也会把一些业务类信息动态传递给低空飞行器，例如，给低空飞行器发送拍摄需求。

　　//行业对业务数据链路的诉求是：低空300米无缝覆盖，上行传输带宽15-60Mbps，飞行控制时延10ms。

　　

　　2、感知功能的需求

　　（1）空域建设和管理

　　- 空域栅格化：通过地面感知功能，结合三位地理坐标信息，提供空域栅格化能力，按照特定的长宽高的方格，将空域资源切分标记，统一管理。

　　- 空域可靠性维护：GNSS受到干扰的情况下，地面感知功能仍然可以维护航路的运行。

　　// 无论是低空飞行器的自身的位置上报，还是基于ADS-B的广播式位置报送，其数据来源都是本身的GNSS信号，在GNSS信号受到干扰或故意伪装欺骗的情况下，飞机主动发出的位置都不可靠。如果完全依赖则会出现航路完全失控的情况。

　　（2）监测和监控

　　- 身份匹配：针对合作低空飞行器，在“车牌”识别/身份识别时，根据场景需求可能会对低空飞行器进行目标类别、姿态和轨迹感知，并结合通信ID，确保证“”车“证”匹配。

　　- 交通监管：对低空飞行器分配的预定飞行路线和轨迹的监控和监管，重点监测飞出航线、超速等情况；这些监管能力不仅体现了对低空基础设施的需求，同时也可能成为低空运营的创收手段。

　　- 黑飞识别：需要对低空飞行器进行感知定位，轨迹跟踪。这类低空飞行器的特点是“低慢小”，且不发送Remote ID等，传统的通信系统无法探测到这些低空飞行器。包括禁飞区域或重要保护区域，禁止所有飞行物进入。

　　- 故障检测：针对一些通信故障低空飞行器，可以利用感知功能实现轨迹跟踪，帮助企业及时发现、定位和寻回低空飞行器。

　　（3）起降引导

　　- 通过感知定位，导航引导，碰撞规避，提供低空飞行器的航向引导，为飞机建立下降线路，辅助低空飞行器精确降落。类似于民航的盲降，避免飞机单独依靠卫星定位或视觉定位来起降。

　　- 实现对飞机的调度管控，对多低空飞行器时，可以实现可视的有序起飞和降落。

　　（4）导航辅助

　　- 地形气象感知：部分低空飞行器上也部署有感知系统，但受限于体积、功耗、算力感知能力和范围。通过地面感知系统实时获取飞行器及飞行路线周围环境的信息，包括地形、气象条件、其他飞行器的位置等，从而辅助导航和飞行控制，确保飞行器按照预定航线飞行并在需要时作出调整。

　　// 碰撞预警：通过感知结合飞行状态、天气、干预时间等因素，提供低空飞行器的碰撞评估和预测，为特定的低空飞行器碰撞提供预警和避免功能；// 智能航路规划：通过感知，根据给定的起飞和降落点，空域流量、天气等因素，结合安全性和成本，智能规划出三维飞行线路，最大效率利用空域资源；

　　// 航路检测：低空飞行器较多的情况下，不同的低空飞行器申请相同的航路时，基于网络质量、航线繁忙度等对初始航路计划进行调整和实时的匹配。

　　为什么需要通感一体化？

　　1、传统技术路线不满足低空需求

　　传统分立的通信或感知系统均不满足，需要考虑新的技术路线。

　　低空场景中低空飞行物和低空环境呈现“异构、高密度、高频次、高复杂性”四大特征。传统航空ADS-B系统性能和特性无法满足低空场景需求；传统雷达技术无法支持低空场景的身份识别并存在监测盲区。

　　（1）民航ADS-B：只有通信功能，没有感知功能；基于民用飞机密度低（一平方公里低于一架），通信速率低（基本坐标信息传递），飞行速度高的特点设计的；而低空场景特点是高密度（每平方公里大于百架），高速率（机载视频回传，机载传感器，及动态控制）。同时，ADS-B系统为明文发送，不满足商用场景数据传输安全性要求。

　　// ADS-B主要设计给民航使用，主要目的是用于降低一、二次雷达的建设费用。ADS-B与二次雷达不同，位置等信息由机载的GNSS系统报送而非雷达检测和计算所得，优点是相对于一次、二次雷达，精度更高，可以缩小飞机之间的最小间隔标准。缺点是当GNSS受到干扰时会失效，尤其在一些特殊区域和特殊时期，GNSS会受到持续的干扰。且ADS-B未加密无身份认证。目前通常是一、二次雷达和ADS-B共覆盖，通过数据融合的方式使用，ADS-B的信息须得到雷达确认，以保证空域管理的可靠性。因此，并不适合管理低空的低空飞行器。

　　（2）传统雷达：传统雷达技术成熟，探测距离远，但只能检测有无，而无法对飞行物进行“身份识别”。包括军方Ku/Ka雷达，光电雷达和无线电侦听等，只有感知功能，没有通信功能；仅从感知功能而言，传统雷达探测距离远，但难以发现敏捷性的“低慢小”低空飞行器目标，设备昂贵，视场角小，大规模组网费用高；低空经济的发展也必然是从近地区域开始的，一些涉及到国家及社会安全的非法低空飞行器也经常在近地区域出现。由于传统雷达一般为脉冲波体制，保证探测距离，存在百米级以上的探测盲区，难以满足规模化低空飞行活动监控需求，近地的起降场更是难以应用。

　　（3）低空飞行器主动信息报送系统：（美国Remote ID和中国GB 42590-2023），基于WIFI协议和频段，通过WIFI信标和蓝牙协议广播，距离近，易受到干扰，可靠性低，且广播非加密性质。可通过手机WIFI+APP接收，适合娱乐用途的低空飞行器。

　　2、通感一体化可以分享移动通信产业链带来的价值红利

　　（1）通感一体成为5G-A/6G的典型技术路线和核心技术特征；有较高的数据通信和可靠性保证能力，有完整的认证、加密等安全流程；有全球统一的标准支持可以长期演进和升级。

　　（2）为配套5G-A/6G地面通信的技术要求，相关芯片产业链会快速催熟、完备。低空经济作为应用场景，可以充分分享移动通信网络的产业链和价值链，进一步降低成本。

　　3、通感一体降低了对硬件/软件部署的要求

　　（1）低空场景的业务需要通信和感知的功能，则部署通感一体的设备能使得整体部署成本最优，包括运维和管理。

　　（2）传统设备为单一技术，则需要部署两套独立设备，增加了设备本身的成本、站点租赁成本、人工维护成本、设备维护成本等。

　　（3）低空场景需要感知和通信系统联动的数据进行处理，通感一体化系统，设备采集的数据也是由一套软件架构进行处理，减少了多个系统部署、对接的复杂度。

　　4、通感一体化可以赋能低空场景更多的业务特性

　　（1）频率资源的高效利用：频率资源是宝贵的战略资源，通感一体化可以根据业务场景需求进行动态时域、频域和空域的频率资源调度和复用；灵活分配通信和感知的资源，实现协同优化，提高频谱的资源利用效率。

　　（2）通感一体融合互助：通信的被动定位跟踪与感知的主动跟踪融合，可提升定位跟踪精度；感知的环境探测和位置跟踪可辅助通信进行环境重构、波束管理和移动性管理等，提升通信性能。

　　（3）多维度数据源的一致性：在通感一体网络下，通过通信获得低空飞行器的信息，通过感知获得低空飞行器的实时监控数据，可以做到数据源在时间和空间上的独有关联性，确保管理的实时性，无需多系统的多头数据源的二次融合。

　　// 如通过通信获得低空飞行器的实时位置跟踪及历史的运动轨迹分析，预测可能出现的小区和航路的流量，提供实时调度能力。通过低空飞行器的传感器数据，视频数据进行智算分析，提供低空飞行器的异常检测、非法入侵监测等智能化的能力。

　　低空通感一体网络频段选择

　　低空通感一体网络到底选择哪个频段合适？sub 6G还是毫米波？

　　现在5G-A被广泛提及，5G-A是3GPP标准版本特性演进。5G-A本身可以使用已有的5G sub6G频段（当前运营商已经部署的5G，诸如3.5GHz、2.6GHz、4.9GHz，统称sub6G），也可以使用5G毫米波频段（24.75~27.5GHz）。从目前行业内各种交流语境里，很多专家把5G-A和毫米波当作两条技术路线，此说法不严谨，这里仅作澄清。

　　从是否支持通信感知一体化功能特性的角度来看，可以说之前的5G标准版本不支持，在5G-A的标准版本里是支持的；在讨论低空通感一体技术路线的时候，结合低空场景和需求对通感性能的要求，需要讨论的是选取哪个频段，即sub 6G，还是毫米波，频段的不同意味着可用的频谱资源的多少不同，以及对应的频率特性不同，从而会极大影响了5G-A的通感一体这个功能特性的性能指标。

　　现有运营商部署的5G公网频段sub 6G频段，与毫米波频段相比较，在覆盖距离上有一定优势，但在低空空域有明确的覆盖距离（通常低空空域在1km范围，部分地方到3km），超过这个覆盖距离，本身会带来对其他系统的干扰；作为5G毫米波频段而言，覆盖当前开放的低空空域本身就是毫米波系统的基本特征，同时针对低空场景，毫米波频段相对sub6G（2.1/2.6/3.5/4.9GHz）有如下优势：

　　1、毫米波频段可提供更短的通信时延，满足飞控需求

　　（1）5G网络通常以时隙为单位调度数据，而空口时隙长度越短，意味着在空口传输时延就越小。（2）毫米波系统其空口时隙长度最小可达0.125ms，仅为目前主流低频5G系统的1/4。

　　（3）如果采用短时隙（mini slot）调度，空口时延甚至会更小。

　　这使得毫米波系统能够实现极低时延，从而满足飞行控制或工业控制等对短时延场景需求严苛的应用场景。

　　2、毫米波频段带宽大频段高，更好满足通导监需求

　　（1）更高的感知精度：毫米波频段具有较大的带宽，较小的波长，较大的天线阵列规模，可以支持更高的距离分辨率/精度和角度分辨率/精度，例如，在800M带宽下，可分辨20厘米距离的2个物体。（2）更丰富的感知特征：毫米波频段频点高，感知可获得的物体特征丰富，可用于飞行物体的分类与识别，也可基于微多普勒检测悬停的旋翼无人机。

　　（3）更多维度的感知应用：基于毫米波内生的感知能力，可以广泛应用于环境成像，微观气象和微动检测等领域。

　　

　　3、5G-A毫米波通感一体化设备，具备更低功耗和成本

　　（1）毫米波采用大规模相控阵架构，天线阵列增益可以做到20～30dBi以上，可用更低的功率，更低功耗的毫米波设备满足低空通感覆盖。

　　（2）毫米波所需的设备功耗低，就意味着整机成本低和供电成本低、功耗低同时意味着重量轻（主要重量来自散热金属结构），重量轻站点配套成本就低，不需要高承重的铁塔和抱杆。

　　现有运营商地面公网还是专频专网？

　　当前，构建低空通感一体网络主要有两种部署方式可供选择：一是基于现有运营商的公网系统，二是针对低空的专用网络，其本质是成本问题。

　　毋庸置疑，基于现有运营商公网的改造方案能够在初期部署时复用现有的通信基础设施，具有一定的经济优势，然而，现有地面公网的设计初衷是为地面用户服务，在低空飞行场景中的适用性存在显著局限。

　　1、现有地面移动通信系统无法满足低空场景的新需求

　　地面移动通信系统演进到支持通感一体后，可复用现有通信站点资源，一定程度上降低部署成本。但由于要兼顾地面通信要求，站点选址、天线朝向等，都不是针对低空场景的最优选择。

　　（1）低空场景需要的垂直方向覆盖，与地面网络的水平覆盖的矛盾。地面网络以地面水平覆盖为主，地面移动通信系统水平扫描角较宽，垂直扫描角较小，利用已有地面移动通信系统无法覆盖低空1000m空间。

　　（2）低空覆盖场景需减少切换，与地面网络的密集小区部署频繁切换的矛盾。地面网络的组网原则是通过小区劈裂复用的方式提升容量，来满足地面用户的大容量业务需求。低空飞行器飞行速度快、低时延可靠性要求高，需要新型低空组网方式，避免低空飞行频繁的小区切换和越区干扰导致性能劣化。

　　（3）低空覆盖网络需要上行大带宽，与地面网络下行大带宽需求的矛盾。地面网络业务以下行业务为主，例如观看视频（下行），而低空业务主要是上行为主，例如机载摄像头的视频回传（上行）。地面移动通信网络无法同时兼顾地面和低空场景所需要的上下行同时大带宽的业务需求。

　　（4）低空高精度感知和地面通信无线资源需求的矛盾。现有通感一体化的基本原理是，基于无线资源的时分、频分或空分复用，实现感知和通信功能的共存。当感知的精度（如速度分辨率/精度）要求越高，同时感知物体数量越多，感知需要的无线资源就越多，而通信的资源就越少。如果低空通感和地面移动网络共享无线资源，会严重影响到地面人员的通信服务质量，造成业务投诉。

　　为了解决以上矛盾，传统地面电信网络运营商会通过各种技术手段去解决，但最终的形态和手段要么和专网一样，要么花费了专网一样甚至更多的投资成本，初期利用公网改造方案的投入面临投资浪费的风险。

　　相比之下，专频专网在部署的时候可以专门考虑航线和起降场的通感需求，优化站点选址和天线方向，实现高效组网；有了专门面向低空的专网设计和规划，就可以解决飞行器飞行过程中的通信盲区，并避免中断和干扰；面向低空经济的专网同时充分考虑无人飞行器的上行带宽要求，系统可以针对性分配更多的网络资源，保证飞行业务的通信需求；同时，选取合适的专网频段，可以拥有更加丰富的带宽资源，最大限度的满足感知精度和通信可靠性要求。

　　针对低空的专频专网是技术选择，从技术角度要和地面移动网络分开；特别地，基于专频专网的低空信息基础设施，在低空场景的法律法规的遵从性及确保低空飞行安全，城市和国家安全角度，也值得考量。

　　（1）针对无人机通过移动网络、互联网，《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》中国家给出了专项的规定，要求所有飞行记录必须申请，这里国家是考虑到基于地面公众系统会导致互联网远程控制无人机的安全问题，因此做出了此项特殊要求，因此依托于专频专网，做好网络的隔离、建立完善的安全机制，避免无人机被远程遥控。《民用无人驾驶航空器无线电管理暂行办法》也做出了类似的规定。

　　（2）《民用无人驾驶航空器无线电管理规定》 2023年12月27日发布： 不可影响地面公众通信：地面的通信优先级更高，要求通信基站天线的部署方式不允许改变，同时要求要有监控和处置能力（利好通感一体）；

　　通信网络受到无人机反制设备的干扰，由网络方自行解决。

　　低空通感一体网络技术路线

　　从上面的分析可知，针对城市低空起降场以及飞行线路，基于毫米波的通感一体化低空专网能很好的满足低空通信和感知的需求，是潜在的综合性价比高的技术路线。

　　1、技术角度：毫米波专频专网在网络容量、抗干扰能力、网络安全性、可靠性以及感知能力上优于其他技术。

　　-毫米波专网覆盖低空，由于不用考虑室外站覆盖室内的穿墙需求，低空场景的路损远小于运营商地面覆盖场景，所以即使用小功率基站也可做到大站间距；毫米波专网可以按需部署，例如按照航线进行站址选择、天线朝向的设定。

　　2、成本角度：毫米波通感一体化的低空专网可以大幅降低建网成本。

　　-低空专网只考虑空域无人机和未来的eVTOL，无需兼顾地面人群覆盖，站点密度可大幅降低。以地面5G网络为例，城区典型站间距300~400m，每平方公里需要~10个站点。

　　-而低空专网覆盖，以感知1~2km为覆盖边界，站间距可做到2~3km，每平方公里仅需要0.1个站点，站点密度下降一百倍，即初期建网成本下降百分之一。

　　-由于不需要考虑地面人群覆盖，特别是建筑物室内的覆盖，结合毫米波相控阵技术，毫米波低空专网设备的发射功率和整机功耗也可以大幅降低，相应地减少设备功耗和成本，显著降低网络建设成本和运维成本。以sub6G地面公众网络为参照，预计站点费用（包括设备、站点租赁和电费等）低至百分之一。

　　因此，基于5G-A的毫米波通感一体化专网更适合成为低空新一代信息基础设施的主要技术路线。

　　为什么需要尽早完成顶层设计和标准化？

　　目前低空经济的发展严重缺乏顶层设计，包括技术路线和商业模式，更重要的是涉及多部门利益，如军方，空管，交通，工信等多部门，避免出现智能网联汽车一直难以有效落地的情况。

　　作为低空经济的关键一环，低空智能融合信息基础设施领域是政府新基建的核心，低空信息基础设施建设范围、规划如果没有统一规划，可能导致重复建设，无法真正服务于低空业务。

　　目前关键技术离散，并分布在多个传统的技术领域，如通信，雷达，导航等多个领域，而单个系统无人满足低空业务需求，而系统间的接口无标准化，会导致各个系统割裂，各设备商产品私有接口设计无法形成合力、难以演进。

　　随着低空飞行器行业的发展，低空的政策仍在制定和逐步发布过程中，通信方式有卫星、公网、直连等，感知方式有雷达、公网5G等，法规有无线电管理、无人机管理等等。建议国家相关部门尽早组织技术路线的论证与标准化，并组织对相应的关键技术的突破：

　　（1）明确定义低空场景下的通导监及气象监测等技术需求；（2）明确定义低空场景采用通信感知一体化网络技术路线，还是通信、感知分立的技术路线，或者多样化共存;（3）明确定义低空通感一体网络到底选择哪个频段合适，sub 6G还是毫米波，或者组合共存；

　　（4）明确定义低空通感一体网络是基于当前运营商的地面移动通信网络兼顾覆盖低空，还是针对低空建立一个专网覆盖，或是组合共存？

　　文：吴建军 未来移动通信论坛副秘书长

　　附：问题思考