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1、目錄P1P2P12P17P24P26P36P39P45P47引言無人機應用場景和通信需求4G網絡能力5G網絡能力網聯無人機終端通信能力5G應用案例無人機安全飛行標準進展趨勢，總結和展望貢獻單位IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書 IMT-2020(5G)推進組于2013年2月由中國工業和信息化部、國家發展和改革委員會、科學技術部聯合推動成立，組織架構基于原IMT-Advanced推進組，成員包括中國主要的運營商、制造商、高校和研究機構。推進組是聚合中國產學研用力量、推動中國第五代移動通信技術研究和開展國際交流與合作的主要平臺。1IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書引

2、言無人駕駛航空器（Unmanned Aerial Vehicle,以下簡稱UAV）簡稱為無人機，其全球市場在過去十年中大幅增長，現在已經成為商業、政府和消費應用的重要工具。無人機能夠支持諸多領域的解決方案，可以廣泛應用于建筑、石油、天然氣、能源、公用事業和農業等領域。當前，無人機技術正在朝軍民融合的方向高速發展，無人機產業已經是國際航空航天最具活力的新興市場，成了各國經濟增長的亮點。無線通信在過去20 年經歷了突飛猛進的發展，從以話音為主的2G 時代，發展到以數據為主的3G 和4G 時代，目前正在步入萬物互聯的5G 時代。移動網絡在繼續豐富人們的溝通和生活的同時，也向全行業數字化轉型提供能力，

3、提高各行業的運作效率和服務質量。5G 以全新的網絡架構，提供10Gbps 以上的帶寬、毫秒級時延、超高密度連接，實現網絡性能新的躍升。ITU 定義了5G 三大場景：增強移動帶寬（Enhanced Mobile Broadband,以下簡稱eMBB）、超高可靠低時延通信（Ultra-Reliable Low-latency Communications，以下簡稱uRLLC）、大規模機器類通信（Massive Machine-Type Communications，以下簡稱mMTC）。無人機行業高速發展的同時，也對無人機通信鏈路提出了新需求，呈現出與蜂窩移動通信技術緊密結合的發展趨勢，形成“網聯無

4、人機”。業界預測，無人機與移動通信的結合，將給產業界帶來10倍的商業機會。移動運營商經過幾十年的發展覆蓋了全球70%的陸地及90%的人口。以往無線信號主要覆蓋地面的人和物，沒有專門為無人機設計空中覆蓋，低空數字化是一塊有待開發的寶藏。在即將到來的5G時代，5G蜂窩移動通信技術與無人機的結合使得這些原本難以想象的想法成為可能。本文將給出網聯無人機應用場景和通信需求、4G現網及未來5G網絡對無人機需求的滿足度，5G網絡下網聯無人機的應用案例，無人機終端通信能力，安全飛行相關法規與通信需求，標準進展，并對網聯無人機的未來進行展望。注：無人機有多種分類方法(飛行高度、重量、用途、動力、活動半徑)本文中

5、的無人機是作業高度300m以下民用無人機2IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書1.應用場景綜述無人機是利用無線遙控和程序控制的不載人飛機。它涉及傳感器技術、通信技術、信息處理技術、智能控制技術以及航空動力推進技術等，是信息時代高技術含量的產物。無人機價值在于形成空中平臺，結合其他部件擴展應用，替代人類完成空中作業。目前以消費類無人機占據更多的市場份額，但行業無人機也正在被看好。今年6月結束的2018世界無人機大會預測，未來5年，全球行業無人機行業將保持迅猛發展，到2022年市場總值將達到150億美元，為2016年的近12倍；其出貨量將突破62萬架，是2016年的6倍。目前，在中國

6、乃至世界各地，諸多領域已顯現出“無人機+行業應用”的蓬勃發展勢頭。無人機在農林植保、電力及石油管線巡查、應急通信、氣象監視、農林作業、海洋水紋監測、礦產勘探等領域應用的技術效果和經濟效益非常顯著。此外，無人機在災害評估、生化探測及污染無人機應用場景和通信需求圖2-1 數字網聯天空采樣、遙感測繪、緝毒緝私、邊境巡邏、治安反恐、野生動物保護等方面也有著廣闊的應用前景。深圳市無人機行業協會提供的統計數字顯示，截至2017年12月31日，2017年中國國內民用無人機產量達到290萬架，同比增長67%；其中深圳的民用無人機產值已達300億元人民幣，占據全球民用無人機市場份額的70%。接入低空移動通信網絡

7、的網聯無人機，可以實現設備的監視和管理、航線的規范、效率的提升，促進空域的合理利用，從而極大延展無人機的應用領域，產生巨大經濟價值?；谛乱淮涓C移動通信網絡5G為網聯無人機賦予的實時超高清圖傳、遠程低時延控制、永遠在線等重要能力，全球將形成一個數以千萬計的無人機智能網絡，7x24小時不間斷地提供航拍、送貨、勘探等各種各樣的個人及行業服務，進而構成一個全新的、豐富多彩的“網聯天空”。3IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書1.1 物流1.1.1 業務場景描述對比傳統物流行業，無人機物流優勢明顯。規避擁堵，運輸快速高效：相對于地面運輸，無人機物流具有方便快速的優點，在山區較多的省份，

8、陸路運輸所耗費的時間和成本較平原地區高很多，采用無人機則可能以同樣的成本實現更高的物流效率。在擁堵的城市和偏遠的山區運送急需物品，則可能比陸運節省80%的時間，而且按照發達國家經驗，高層建筑勢必會越來越多地配備直升機停機坪，也能夠方便無人機起降。應對小批量任務，解放人力：無人機物流可以有效節省人力資源的消耗，將復雜環境下和大批量的投遞任務交給人和地面車輛，而將簡單場景下的小批量的投遞任務交給無人機，則可以更充分地發揮人力的靈活應變能力，減少體力消耗。擺脫地形限制，應對極端條件：在極端條件下，無人機可以輕松抵達地面車輛無法到達的區域，例如在應急救援物資的投送任務中，無人機配合直升機可以大大提高投

9、送效率。1.1.2 發展趨勢和特點物流配送進入無人機時代，打開了國內、外物流運輸的新戰場。物流快遞是極具潛力的無人機應用領域之一。2017全球智慧物流峰會數據顯示，2016年智慧物流市場規模達到2000億元，到2025年將超過10000億元。近年來，我國逐漸重視并鼓勵無人機在物流等專業領域的應用。2018 年1月，國務院出臺關于推進電子商務與快遞物流協同發展的意見，明確指出要提高科技應用水平，鼓勵快遞物流企業采用先進適用技術和設備，提升快遞物流裝備自動化、專業化水平。今年全國郵政管理工作會議還提出，要促進科技創新，推廣應用無人機、無人車、無人倉庫等技術。1.1.3 通信能力需求實現無人機物流配

10、送包括運營調度中心、無人機配送站、物流終端（即無人機）三個實體。4IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書表2-1 無人機物流場景網絡指標在配送過程中涉及配送任務的下發、配送任務執行、無人機狀態上報等環節，無人機物流當前對通信的需求包括：飛行狀態上報以及RTK高精度定位信息的下發，出于飛行安全和緊急情況處理考慮，物流無人機也需要具備視頻回傳實時操控能力，在必要的時候由人工接管。2.3 農業植保2.3.1 業務場景描述植保機械化是實現農業種植機械化、現代化的關鍵一環。相對于有人駕駛飛機噴灑而言，無人機植保具有作業效率高、單位面積施藥液量小、無需專用起降機場、機動性好等優點，其在日本等國

11、家發展已十分成熟。無人機植保包括噴灑農藥種子、巡邏監視、病蟲監察等應用。無人機植保作業與傳統人工植保相比，具有精準高效、安全環保、智能化、操作簡單等特點，在農業領域，植保無人機在不斷證明著它的突出優勢。一是提高植保效率，節約資源成本。無人機植保作業強度高，可同時代替多人的勞動力;采用噴霧噴灑方式至少可以節約50%的農藥使用量，節約90%的用水量，這將很大程度地降低資源成5IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書本;與傳統植保機械相比，植保無人機還具有折舊率低、單位作業人工成本低、易保養等特點。二是防治效果好，減少污染并提高產量。無人機植保具有作業高度低、飄移少、可空中懸停等特點，噴灑

12、農藥時旋翼產生的向下氣流有助于增加氣流對農作物的穿透性，減少農藥損失，且其覆蓋率優于人工操作，防治效果好，可有效減少農藥對土壤的污染并助產增收。三是作業安全性高，降低中毒風險。無人機操作規范，遠距離操控避免了作業人員暴露于農藥下的危險，提高了作業的安全性。解決了傳統人工植保方式中經常出現的中毒、中暑以及踩踏作物等問題。2.3.2 發展趨勢和特點近10多年來，農業植保無人機在我國迅猛發展。至2017年9月，不完全統計，全國植保無人機裝機量達到近萬架，已經在包括水稻、小麥、玉米、甘蔗、果樹、棉花等多種作物上進行了病蟲害防治作業，實際效果證明已經達到實用水表2-2 無人機農業植保場景網絡指標平，正處

13、于迅速發展階段。無人機測繪先行，測繪除了土地信息外，也包括氣候采集如風速、天氣，溫度、濕度以及大氣壓力的數據實時觀測。高效、快捷的測繪可用于路徑規劃和精準作業，即測即灑是未來植保無人機發展的方向。未來無人機農業植保將成為一種服務，互聯網農業服務平臺公司一端連接種植戶，一端連接專門提供無人機噴灑農藥服務的隊伍，搭建了一套農業生產服務平臺，種植戶無需購買無人機，只需要訂購農事服務。2.3.3 通信能力需求植保無人機當前經營模式通常由植保隊操作，飛行狀態數據實時通過蜂窩網絡上報云端用于計費和管理，高精度定位信息通過短距通信或蜂窩網絡下發給無人機。土地勘測圖片數據量大，目前以存在SD卡上為主，未來希望

14、網絡提供實時傳輸。6IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書2.4 巡檢、安防、救援2.4.1 業務場景描述無人機在公共安全領域應用眾多，如邊防監控、消防監控、環境保護、刑偵反恐、治安巡邏等。突發事件中，無人機可以代替警力及時趕往現場，利用可見光視頻及熱成像設備等，把實時情況回傳給地面設備，為指揮人員決策提供依據。在公共安全作業中，無人機典型網絡需求包括：實時視頻傳輸（多路）、飛行狀態監控、遠程操控以及網絡定位我國領土由于地理環境和氣候的多樣性，各種自然災害時有發生，每年因自然災害、事故災害造成的經濟損失高達數千億，災后救援工作尤為重要。無人機在展開救援作業中可實現快速響應，在第一時

15、間到達現場，迅速展開作業；采集現場數據，迅速將現場的視、音頻信息傳送到指揮中心，供指揮者進行評估和決策；能夠實現通信中繼功能，快速恢復現場局部通信；跟蹤事件的發展態勢，幫助指揮中心實施不間斷指揮處理?；A設施巡檢是指對輸電線路、輸油管道、基站塔臺、橋梁、風力發電機等基礎設施的巡視檢查或狀態監測。其作業內容具體包括對基礎設施本身的監測、對周邊環境的勘探、基礎設施的日常周期維護以及簡單的故障排查、處理等。傳統的人工巡檢方案受環境及天氣等影響，工作量大、工作效率較低、成本較高，且存在一定的人身安全風險。無人機以成本低、靈活性強、安全性高、受自然環境及地形影響較小、視角更優等特點，越來越廣泛地應用于基

16、礎設施巡檢領域。電力設備中輸電線路一般位于崇山峻嶺、無人區居多，人工巡視檢查設備缺陷的效率較低，因蛇、蟲、蟻等小動物咬傷員工的事件也屢見不鮮；另外，輸電鐵塔、導線、絕緣子等設備位處高空，應用無人機巡查，既能避免高空爬塔作業的安全風險，亦可以360全視角查看設備細節情況，提高巡視質量。從作業安全、作業效率、作業質量等多個方面出發，無人機逐漸替代人工巡視，是電力行業解決老大難問題，推行智能巡檢技術的必然選擇。隨著電網快速發展，電力行業機巡作業市場規模不斷增加，除輸電線路巡檢外，在規劃設計、基建工程、物資配送、安全監督等領域也提出了無人機作業需求，同時在風電發電、光伏發電、鐵塔公司等其它能源行業市場

17、，潛在需求量巨大。2.4.2 發展趨勢和特點公共安全監控市場需求巨大。根據預測，美國公共安全領域的無人機約占商業無人機總量的10%，預計到2020年市場規模約為51 億元；按照中美未來公共安全支出比例估算，保守預計2020 年中國國內公共安全市場空間約70 億元。而無人機因為零人員傷亡、惡劣環境作業、強機動、易操作等突出優點，使其成為公共安全監控領域的7IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書新星，市場潛力巨大。通過智能無人機飛行平臺以及5G蜂窩網絡能力的有效引入，促進了傳統安防產業向天地一體化協同作戰的方向轉型以及多場景安防能力的智慧升級，必將作為一種新型的安防解決方案模式得到更加

18、廣泛的應用，從而促進傳統安防服務商的智慧升級，帶動整個產業的發展。無人機應用在基礎設施巡檢領域包括：建筑外墻巡檢、電力巡檢、基站巡檢、石油管線巡檢以及河道巡檢等。電力塔、通信基站、石油管線等公共設施往往架設在郊區或城區樓頂等區域且分布較為分散，掛載變焦攝像頭的網聯無人機，可按照指定的任務點執行諸如，檢測螺絲松動、標簽等動作，結合圖像識別還可完成天線掛高、傾角的計算等工作，并生成巡檢記錄和巡檢報告。未來隨著無人機續航能力的增強，以及5G 通信模組的成熟，結合邊緣計算（Mobile Edge Computing,以下簡稱MEC）的應用，5G 綜合承載無人機飛控、圖像、視頻等信息將成為可能。無人機與

19、控制臺均與就近的5G 基站連接，在5G 基站側部署邊緣計算服務，實現視頻、圖片、控制信息的本地卸載，直接回傳至控制臺，保障通信時延遲在毫秒級，通信帶寬在10Mbps 以上。同時還可利用5G 高速移動切換的特性，使無人機在相鄰基站快速切換時保障業務的連續性，從而擴大巡線范圍到數公里范圍以外，極大提升巡線效率。2.4.3 通信能力需求在巡檢，安防，救援場景中，無人機需要具有優良的飛行穩定性、較快的反應能力、不間斷地進行現場的實時跟蹤，同時可以實時回傳高清視頻用于人眼或計算機AI的分析識別。具體來說，無人機此類業務的典型網絡需求包括：實時視頻傳輸（多路）、飛行狀態監控、遠程操控以及網絡定位。表2-3

20、 無人機巡檢、安防、救援場景網絡指標8IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書2.5 測繪2.5.1 業務場景描述無人機測繪領域中，通過無人機抓取數據制作實時實景地圖的技術方案，可以實現在不同的應用場景基于地圖的數據挖掘，在搶險、科研、教育、智慧農業、智慧城市、勘察、場景巡檢等領域，提供強大的擴展空間，讓行業應用人員根據需求定制理想的飛行平臺。無人機傾斜攝影技術的誕生，顛覆了傳統測繪的作業方式，該技術通過無人機低空多位鏡頭攝影獲取高清晰立體影像數據，自動生成三維地理信息模型，快速實現地理信息的獲取，具有效率高、成本低、數據精確、操作靈活、側面信息可用等特點，滿足測繪行業的不同需求。極

21、大有助于測繪行業內、外的協同工作，解決了由于天氣等外因造成的工作延誤，把原本大量的業外工作轉變成業內工作，極大的解放了測繪人員的勞動時間和減少勞動強度。2.5.2 發展趨勢和特點網聯無人機可以毫秒級速度制作實景矢量地圖，相對傳統做一張地圖需要數天、數周甚至數月的更新時間，無人機完成了從地圖數據的抓取、傳輸、拼接、糾偏、上傳至云端更新最新地圖的完整流程，并提高了數百倍效率。2.5.3 通信能力需求測繪場景下，除了典型的飛行狀態監控、遠程操控以及網絡定位業務需求，在需要實時構建測繪模型場景下，實時圖像傳輸、圖像處理對網絡大帶寬需求尤為迫切。表2-4 無人機測繪場景網絡指標2.6 直播2.6.1 業

22、務場景描述無人機可以將視野帶入高空，以上帝視角俯瞰。無人機全景虛擬現實VR(Virtual Reality，以下簡稱VR)直播將帶來更為震撼的身臨其境的直播感受。通過無人機掛載360度全景鏡頭進行視頻拍攝，全景相機完成視頻采集、拼接處理與視頻流處理，通過連入5G網絡上行鏈路將4K/8K全景視頻傳輸到核心網側視頻服務器，再通過下行鏈路傳輸給多位用戶。而用戶只要戴上VR眼鏡，就都可以隨時隨地無延遲的體驗激動人心的現場。9IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書5G無人機VR直播在未來將會廣泛用于體育賽事、演藝活動等大型活動極致體驗直播以及廣告、新聞、電影等商業活動拍攝中。隨時隨地都能通過

23、VR全景直播獲取比現場更好的體驗，將指日可待。2.6.2 發展趨勢和特點2017年我國網絡表演（直播）市場營收達到304.5億元，相比2016年的218.5億元，同比增長39%。網絡表演（直播）已經成為網絡文化內容供應、技術創新、商業模式創新的代表，成為網絡文化市場重要組成部分。航拍娛樂是大眾對無人機最熟悉的應用領域，未來無人機在該領域的市場規模將有望到達300億。目前主流直播平臺清晰度以1080P為主，最高為2K，隨著在線直播業務的興起與終端設備的更新換代，直播玩家對體驗要求不斷升級，催生大量4K/8K視頻影像實時直播業務需求。2.6.3 通信能力需求在直播業務中，無人機需要網絡穩定高速保障

24、實現高清實時視頻傳輸，當前業界能力可以實現4K實時直播，未來為獲得更清晰的畫面更好體驗，需要升級到8K視頻回傳。同時直播場景也需要飛行狀態監控、遠程操控、網絡定位能力，具體網絡指標如下：表2-5 無人機直播業務網絡指標2.7 編隊飛行2.7.1 業務場景描述目前無人機除了單機應用外，多機編隊也開始出現，當前多機編隊主要應用于表演領域。無人機編隊表演需要解決授時、導航、抗干擾、路徑協調等多個難題，多架無人機協同運動需要精確的定位也需要精確同步的時間，酷炫的編隊還需要規劃合理的路線，同時要應對相互間的干擾。多無人機協同編隊飛行可以擴大任務范圍、提高任務執行效率和完成質量。其中涉及的多無人機狀態感知

25、和數據融合、任務分配和航跡規10IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書劃、編隊控制都需要通信技術的配合。2.7.2 發展趨勢和特點2017年12月，1180架無人機編隊“科技舞蹈”表達了對2017廣州財富全球論壇的歡迎；2018年2月，平昌冬奧會的開幕式演出中，1218架無人機組成一名單板滑雪運動員的形象；2018年5月在西安，則有1374架無人機進行表演，編隊飛行的數量呈增多的趨勢。無人機編隊飛行在其他領域也有較好的發展前景，不僅能夠應用在無人機編隊飛行表演中，在未來，這種大規模協同工作方式，將大大提高搜索效率和探測精度，在提供準確數據的同時，為農林防護提升效率，為搜索救援贏得寶

26、貴時間。2.7.3 通信能力需求無人機編隊飛行也叫無人機蜂群表演，有兩種交互方式，通過地面基站給每一臺無人機發布指令，或者無人機之間進行點對點的交互。前者對通信可靠性、時延、連接數提出了高要求。編隊飛行對時延有較高要求，假設無人機的速度是60km/h ，20ms網絡時延引起的額外制動距離是 0.33米(60*1000/3600 * 20/1000)，時延增加將直接影響編隊飛行的安全性。表2-6 無人機編隊飛行業務網絡指標2.8 未來云端AI自主飛行2.8.1 業務場景描述當前的無人機無論是視距內控制還是超視距遠程控制，都需要人觀看無人機傳回的實時視頻進行控制，未來由云端的AI代替人觀看視頻控制

27、無人機，將進一步提升效率解放人力，讓無人機成為真正的空中智能平臺。5G網絡的大帶寬低時延能夠實現無人機實時實景導航，網絡輔助的環境感知智能避障。無人機回傳感知傳感器信息由云端AI判斷周圍的障礙物、多機協同避讓，相比在無人機本地判斷將節約成本和功耗，云端獲取到的信息更加全面，算法統一易于升級。5G網絡同時回傳采集到的業務信息，通過云端AI進行自動分析，提前識別隱患。2.8.2 通信能力需求無人機云端AI自主飛行的場景豐富，無人11IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書機需要安全高速的網絡保障實現高清多路視頻（4K/8K）回傳到云端供AI處理、飛行狀態監控、遠程操控、網絡定位以及實時下

28、載高精度三維地圖，具體網絡指標如下：表2-7 無人機自主飛行網絡指標2.9 無人機通信需求總結IMT-2020應用組預測，上述七大類網聯無人機典型應用場景在未來市場空間與發展成熟度的關系如下：圖2-2 無人機七大類應用場景空間與成熟度各類應用場景對通信能力需求有所差異，但均從上下行速率、數據鏈路傳輸時延、控制鏈路傳輸時延、覆蓋高度、定位能力等角度對移動蜂窩網絡提出了不同等級的要求，為后續進行網絡規劃部署和網絡能力實現提供了重要的依據。12IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書4G網絡能力3.1 綜述蜂窩連接對于無人機的控制和協同操作非常重要，并能實現更多樣化的使用場景。當前已有很多

29、無人機的應用在4G現網上運行，例如農業、物流、基礎設施巡檢等。通信運營商與設備商也進行了大量的低空覆蓋測試和研究，目前4G網絡已經具備支持無人機部分場景的通信需求，但同樣具有很多挑戰，4G網絡在帶寬、時延、干擾協同上都存在一定的優化空間。3.2 4G網絡測試表明4G網絡可支持無人機部分場景2017年在4G現網中，運營商選取了多個城市不同場景進行低空網絡質量測試，場景涵蓋城區、工業園區和郊區，參見下表，站間距從180米到2000米不等。頻段覆蓋TDD-LTE D 頻段(25752635M)和F 頻段(18851915M),測試高度為50-300米，測試指標包括下行參考信號接收功率（Referen

30、ce Signal Receiving Power，以下簡稱RSRP）、下行信號與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，以下簡稱SINR）、以及和安全飛行密切相關的上行業務速率、時延、掉線率等。表3-1 移動蜂窩網低空覆蓋測試場景信號質量測試結果顯示低空50-300米區間信號強度RSRP在-80-90dbm之間，屬于較好覆蓋，室外能夠發起各種業務。但由于飛行沿線的基站主要為地面覆蓋建設，無人機所處高度不在地面站天線主瓣范圍內，空中信號雜亂，且無主覆蓋小區，造成基站下行干擾較大，在部分區域13IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮

31、書圖3-1 移動蜂窩網低空覆蓋測試結果上行TCP業務速率測試結果顯示在低空50-300m區間，速率均值可達5Mbps以上。5Mbps以上速率占比超過70%，速率低于1Mbps占比僅在1%左右?？梢詽M足無人機安全飛行的狀態信息采集通信需求（3050kbps）。在非失聯區域，因無人機安全飛行對下行速率要求較低（510kbps），在有通信連接的區域，也基本可以滿足安全通信要求，但在干擾過大的失聯區域，下行方向的管理指令傳輸困難，如長期處于該區域，可觸發無人機降落或返航。圖3-2 移動蜂窩網低空覆蓋測試結果可能出現終端無法解調，出現斷線失聯問題，可能觸發長時間處于該區域的無人機降落或返航。下圖為各場景

32、不同高度RSRP 和SINR 分布圖。表3-2 移動蜂窩網低空覆蓋測試結果14IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書Ping包(32字節)和TCP小包(100字節)時延測試結果顯示時延范圍基本在200-300ms之間,300米高度時延會達到500-600ms。圖3-3 移動蜂窩網低空覆蓋測試結果測試結果表明當前蜂窩網絡在300米以下，信號覆蓋良好，上行數據傳輸均值達到5Mbps，時延300ms以下，LTE蜂窩網絡已可以支持聯網無人機低速率的多種應用的通信需求。300米以內空域地面網絡信號覆蓋強度較高，但當前的移動通信網絡主要針對地面終端設計，當無人機飛行高度超過基站天線的主覆蓋方向

33、后，下行方向干擾較大，部分區域可能出現短時斷線問題，同時下行干擾對無人機監管業務的速率和時延也有影響，需要在這些區域針對低空覆蓋特征進一步優化網絡，包括聯合處理，鄰區關系優化等。3.3 現網低空覆蓋面臨的挑戰由于多數無人機的飛行高度在天線之上，無人機終端（User Equipment，以下簡稱UE）的無線通信環境與地面UE存在差異，進而帶來干擾增多、移動性管理復雜化、身份驗證識別難等技術問題。移動蜂窩網絡除了需要滿足無人機通信的數據類型和場景需求之外，還需解決無線通信環境差異帶來的新問題。圖3-4 移動蜂窩網低空覆蓋測試結果15IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書比如，當無人機U

34、E飛行高度低于或接近天線高度時，其無線傳播特性類似于地面UE。而當無人機UE在高于天線高度飛行時，由于視線傳播的概率增大，其上行信號會被更多站點接收到，同時本身亦會探測到來自更多站點的下行信號。由此帶來的技術問題包括但不限于：1 下行干擾無人機在空中收到大量鄰區，鄰區個數多達十幾個，導致下行平均SINR下降至0db左右 圖3-5 移動蜂窩網低空覆蓋測試結果2 移動性問題,部分干擾鄰區來自遠距離基站站間距為500m城區場景會收到2.5km外小區干擾,空中頻繁切換, 切換失敗和掉線次數比地面高出2-5倍圖3-6 移動蜂窩網低空覆蓋測試結果16IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書3 無

35、人機上行到多個鄰區的路損接近，對鄰區干擾影響大; 無人機上行到周圍多個基站都是視距傳播（Line-of-Sight，以下簡稱LOS），無人機終端上行業務會干擾周邊鄰區的地面用戶上行性能 。傳統地面UE功控，只考慮本小區路損及SINR，不考慮對鄰區的干擾； 圖3-7 移動蜂窩網低空覆蓋測試結果4 難以有效識別空中終端，從而對其優化和管控3.4 4G網絡對無人機應用通信需求滿足度通過上述分析得出：4G網絡滿足現有的部分低速率、對時延不敏感的無人機應用，對于高速率、超低時延無人機應用存在挑戰。表3-3 移動蜂窩網低空覆蓋測試結果17IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書5G網絡能力4.1

36、 綜述5G 網絡通過提供人人通信、人機通信和機器之間通信的多種方式，支持移動因特網和物聯網的多種應用場景。同時，5G 網絡通過提供多樣化業務需求和業務特征的能力，適應不同應用場景的靈活性和多樣化的業務需求， 如超寬帶、超低時延、海量連接、超高可靠性等。以業務為中心，高效靈活地提供最佳用戶體驗，是5G 網絡系統設計的指導目標。5G超高速、超低時延和超高可靠性的顯著特圖4-1 5G網絡能力圖征，將不僅提升人類通信體驗，還將拓展智能制造、車聯網、智能物流、無線家庭寬帶接入等行業應用，承擔著推進全社會數字化進程的使命。5G的空中接口和系統架構以革命性的創新設計支持超大帶寬、多連接以及低時延高可靠性等極

37、致體驗。 前幾代無線網絡的特點是有固定的接入參數和頻譜資源塊，以低頻為主；5G網絡允許使用全頻譜（低頻+高頻）和創新的新空口和架構來提供最佳通信服務。18IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書5G在容量方面，5G通信技術將比4G實現單位面積移動數據流量增長1000倍；在傳輸速率方面，單用戶典型數據速率提升10到100倍，峰值傳輸速率可達10Gbps（相當于4G網絡速率的100倍）；端到端時延縮短5倍；在可接入性方面：可聯網設備的數量增加10到100倍；在可靠性和能耗方面：每比特能源消耗應降至千分之一，低功率電池續航時間增加10倍。憑借 5G 無限的發展潛力，蜂窩技術為無人機帶來了全

38、新級別的高可靠性、強大的安全性、無處不在的覆蓋和無縫的移動性。4.2 5G網聯無人機網絡整體解決方案5G網聯無人機的無人機終端和地面控制終端均通過5G網絡進行數據傳輸和圖4-2 5G網聯無人機整體解決方案控制指令傳輸，并通過業務服務器加載各類場景的應用。其中5G網絡提供了從無線網到核心網的整體網絡解決方案，以適配第二章節中各種復雜應用場景的網絡實現。5G新空口技術包括采用大規模多天線 ,新頻譜(引入C波段，毫米波頻段),新編碼(Polar碼，LDPC碼),新的幀結構(新子幀結構，自包含子幀)，靈活Numerology,新的物理信號設計。5G 采用大規模多天線技術，采用更窄的波束精確對準服務的無

39、人機和地面終端，增強有用信號，并減少小區內和小區間干擾，減少無人機低空上下行干擾，提升對低空的覆蓋能力。5G以用戶級下行導頻替代小區級下行導頻，降低了無人機在低負載網絡下受到的下行干擾。5G靈活Numerology在時域、頻域、碼域、空域、功率域等采用靈活的資源調度來減少無人機的上下行干擾。5G空口云化包括上下行解耦技術以及以用戶為中心網絡技術，上下行解耦打破上下行綁定19IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書與同一頻段的傳統限制，以5G高頻段與4G中低頻共站部署增強小區覆蓋，5G下行傳輸利用高頻段，上行傳輸與4G的低頻段進行頻譜共享， 根據4G空閑程度靈活分配給5G上行使用，實現

40、5G覆蓋增強。以用戶為中心網絡，突破用戶與小區綁定的傳統架構，聯合優選多個物理小區鏈路隨時隨地適配用戶體驗，有效提升有用信號、降低信號衰落和干擾。同時因上層邏輯小區唯一識別，可成功減少小區間切換，提升無人機在空中的移動性和覆蓋。以業務為中心的云化架構，基于軟件定義網絡(Software Defined Network, 以下簡稱SDN )和網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，以下簡稱NFV）的網絡將實現更靈活的開放和應用創新，為了滿足多種行業多樣化的業務需求，按需實現網絡切片資源分配，為不同切片提供相應的QoS保障。網絡切片使得一張5G網絡上同時承載

41、無人機大帶寬、低時延、高可靠的多種不同應用。4.3 5G網絡具備的能力4.3.1 覆蓋能力覆蓋的問題分為兩類，第一類是有用信號差，如弱覆蓋和無覆蓋的；第二類是有用信號強度不差，但是干擾信號強度大，從而SINR低。在目前低空無人機（300m以內）應用的大部分場景中，主要是第二類覆蓋問題，即主要是干擾導致的覆蓋問題。在一些地面站稀少和網絡參數配置等原因導致的第一類覆蓋問題，主要存在于飛行在較高航線或偏僻位置的無人機。針對第一類由于信號弱導致的覆蓋問題，可以采用充分利用基站側多天線的垂直波束能力來增強覆蓋，考慮無人機的不同應用場景，采用高效的波束掃描和跟蹤。也可以采用專用對空天面設計等實現無縫覆蓋。

42、針對第二類由于干擾強導致的覆蓋問題，可以通過降低下行干擾的方式來提高覆蓋?？梢圆捎萌缦碌姆绞剑?采用大規模天線大規模天線形成較窄波束對準服務用戶，減少小區內和小區間干擾； 采用協作傳輸的方式，即多個小區間協調在時、頻、空、碼、功率域的資源來減少干擾； 采用不同帶寬部分(Bandwidth Part,簡稱BWP)分頻接入,使得地面和空域采用不同的BWP資源,減少空地間的干擾；4.3.2 用戶下行容量低空無人機的下行業務速率要求較低，一般不存在容量問題。如果因為未來無人機的密度增大，同時地面終端業務負載也比較大，此時會出現小區下行容量受限問題。5G基站具有大規模天線大規模天線能力，大規模天線大規模

43、天線增加水平和垂直面發射通道數，使得水平垂直面的波束更加準確的指向用戶，更窄的波束有利于控制干擾，提升用戶的信噪比，同時可以實現更多用戶的空分復用提高下行容量。20IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書5G擁有更大帶寬，C波段每載波100M帶寬，毫米波每載波400MHz帶寬，單載波帶寬相比4G頻譜有5-20倍提升。5G不再使用小區參考信號（Cell Reference Signal，以下簡稱CRS），減少了開銷，避免了小區間CRS干擾，提升了頻譜效率。5G新的下行高階調制1024QAM提升了高信噪比條件下的下行速率。4.3.3 用戶上行容量無人機具有明顯的上下行業務不對稱性。無人機

44、應用的上行要求幾到一百Mbps的速率。且隨著未來無人機高清視頻回傳要求的進一步提升，蜂窩網絡支持無人機上行容量面臨較大挑戰，同時還需要考慮無人機上行帶來的干擾問題。與下行容量提升一樣，5G通過大帶寬，大規模天線大規模天線精準波束、高階調制等技術相對4G大幅提升了上行容量， 以用戶為中心的無邊界網絡架構，提供上行高速率、低時延，實現5G網絡無縫的移動性和隨時隨地的極致體驗。4.3.4 時延無人機的指揮與控制（Command and Control，以下簡稱C&C）數據業務需要較低時延，同時高清視頻的回傳也需要盡可能的減少傳輸時延。針對于無人機傳輸時延的降低，可以采用如下的方法：通過高效的時、頻、

45、空、碼域等維度的資源調度來提高傳輸鏈路的質量，減少重傳次數；5G新空口可以根據不同的業務時延需求調度不同子載波間隔和時隙符號數目的BWP，結合前置導頻、迷你時隙、靈活幀結構、上行免調度設計實現低時延傳輸。針對C&C數據業務，可以使用自包含子幀結構，傳輸和反饋可以在一個時隙內完成，可以大大減少反饋和重傳時間。4.3.5 可靠性無人機的C&C數據，需要保持較高的傳輸可靠性，以保證飛行安全，可以通過如下方法提高其可靠性： 通過時、頻、碼、空域等多維度資源的協調調度，減少鏈路干擾，提高鏈路可靠性； 也可以通過分集的方式，如時域、頻域重復多次傳輸； 還可以通過多小區協作，多個小區或者發射節點聯合傳輸。

46、控制信道高聚合等級、時隙聚合、Polor碼提升控制信道可靠性4.3.6 小區連接數隨著未來5G網絡的逐漸普及，地面終端和無人機終端的接入需求都將日益增大，因此需要盡可能增大小區的容量，提高小區的連接數。 通過多用戶調度，如多用戶多天線來實現資源的高效利用，提高小區連接數。充分利用無人機和地面終端的信道信息，選擇那些信道相對21IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書正交的用戶進行多用戶多天線。 還可以通過多種正交和非正交多址接入方式提高小區容量。充分利用小區中心與邊緣用戶信道差異性以及無人機和地面終端信道差異性，選擇合適的多址方式以提高小區連接數，增大小區容量。4.3.7 地面與低空

47、定位未來的5G基站具有大規模的天線陣列，尤其是在垂直方向的天線數目增多，垂直方向的定位能力大大增強。無人機與基站之間主要以LOS信道為主，可以采用單站或者多站協同的方式來進行定位，因此蜂窩網絡的3-D定位精度將大大提高。4.3.8 網絡干擾協調與其它5G網絡基站側使用大規模天線大規模天線后，基站側發射的下行波束相比LTE要窄，因此一般而言，可以提高有用信號能量，減少站間干擾。但是無人機在空中是三維方向運動，當無人機的空中密度增大時，鄰區之間的干擾仍不可忽視，因此多小區之間的干擾協調，協作beamforming等仍需進一步研究以減小干擾。由于無人機與基站之間的信道基本是LOS信道，且一般無人機終

48、端的天線是全向天線，無人機上行對地面終端的上行鏈路產生較大的干擾。這個上行干擾不僅存在于數據信道，也存在于SRS導頻信號。針對無人機的下行干擾，可以采用多小區之間的協作beamforming進行消除。無人機的位置信息和飛行路線信息也可以用來輔助進行資源調度和干擾消除。針對無人機的上行干擾，可以采用無人機的多天線發射beamforming和功率控制來解決。4.4 5G的關鍵技術4.4.1 精準波束消除干擾大規模天線大規模天線站點的天線數顯著提升（64/128/256或更多天線），且天線與射頻單元一起集成為有源天線處理單元AAU。當基站天線數量增多時，相對于用戶的幾百根天線就擁有了幾百個信道，如果

49、信道相互獨立，同時陷入衰落的概率便大大減小，這對于通信系統而言變得簡單而易于處理。通過使用大規模天線陣列對信號進行聯合接收解調或發送處理，相對于傳統多天線技術，大規模天線大規模天線可以大幅提升單用戶鏈路性能和多用戶空分復用能力，從而顯著增強了系統鏈路質量和傳輸速率。此外，大規模天線的多天線陣列系統增加了垂直維的自由度，可靈活調整水平維和垂直維的波束形狀。因此，基站的三維覆蓋能力顯著提升。大規模天線的典型應用場景一般是熱點地區、高樓或者需要深度覆蓋的區域，對于無人機通信而言，通過大規模天線垂直面和水平面的波束賦形，可以形成精準的窄波束進行發送和接收。對于下行鏈路而言，精準的窄波束一方面提高了無人

50、機的覆蓋，另一方面也減少了小區內或22IMT-2020(5G)推進組5G無人機應用白皮書者小區間的干擾。如果可以進行多小區協作波束賦形，則無人機的下行鏈路傳輸質量將進一步提升，有助于其C&C數據的傳輸。對于上行鏈路而言，既可以是基站側形成接收波束，也可以是用戶側形成發送波束，從而既可以實現無人機上行大容量高清視頻的傳輸，也可以減少無人機對地面終端的干擾。4.4.2 邊緣計算在目前的網絡架構中，由于核心網的高位置部署，傳輸時延比較大，不能滿足超低時延業務需求；此外，業務完全在云端終結并非完全有效，尤其一些區域性業務不在本地終結，既浪費帶寬，也增加時延。因此，時延指標和連接數指標決定了5G業務的終