专题丨空地一体通信网络构筑低空经济底座

空地一体通信网络构筑低空经济底座

于金杨¹  张吉²  李皛¹  丁雪¹  许晓航¹  谢伟良¹

（1.中国电信研究院移动与终端技术研究所，北京 102209；

2.北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）

摘要：低空经济是一种以低空飞行活动为牵引的新兴综合经济形态。首先，研究了低空经济的行业驱动力，包括市场、技术、政策和监管4个方面；其次，研究了国内外标准化组织在低空领域的研究进展；最后，针对空地一体组网中面临的技术挑战，提出了3种可规模商用的空地一体组网方案，分别为单载波空地异频方案、双载波空地异频方案和双载波空地同频方案，为低空通信网络的发展提供了多种选择和可能性。

关键词：空地一体；低空经济；空地组网方案；低空通信

0  引言

低空经济作为一种新兴的经济形态，正逐渐成为推动社会经济转型和创新的重要力量。低空技术涵盖了低空制造、通信网络、安全保障等多个领域，其发展不仅关系到国家安全和经济发展，也与人民生活息息相关。本文旨在深入探讨低空经济的行业驱动力、低空通信标准化进程以及空地一体组网的技术挑战，并提出可规模商用的低空通信组网方案，以期为空地一体低空网络的发展提供理论支持和实践指导，为低空经济的腾飞注入新的活力。

1  低空经济行业驱动力

低空经济正处于快速发展的黄金时期，低空无人驾驶技术不断进步，应用范围不断扩展，在诸多领域都展现出巨大潜力。全球疫情过后，各国及地区加快经济复苏，低空经济因其广泛的应用前景和巨大的市场潜力，迅速被各国及地区视为经济复苏和增长的关键动力。无人机技术的快速发展同样为低空经济注入了强大的活力，推动低空经济成为新的经济增长点。市场需求的增长与技术的进步相互作用，共同构成了低空经济发展的核心动力源，合适的政策和监管体系则是作为低空经济发展的保障，以下将从市场、技术、政策及监管4个方面讨论低空经济的行业驱动力。

1.1  市场驱动

低空飞行器在未来将会深度融入各类民用领域，成为推动社会经济转型的重要力量。消费娱乐、物流运输、农业管理、工业生产以及智慧城市建设等多个领域均可以和低空通信技术深度融合，借助低空的优势，展现出降本增效的巨大潜力。随着低空通信技术的不断进步和市场需求的不断增长，预计到2030年，全球无人机市场规模将达到7 000~10 000亿元，其中，中国市场将占据约50%的份额^[1]。低空经济推动新兴商业模式的形成，成为引领未来经济发展的重要力量。

1.2  技术驱动

低空经济的可持续健康发展，与技术创新密切相关。作为推动这一新兴经济形态的关键力量，技术创新不仅为低空经济注入了新的活力，也为其未来的广泛应用和普及提供了坚实的基础。无人机集群技术的出现，是应对复杂任务需求的必然结果，多架无人机协同工作，可以解决复杂场景下多目标、多任务的需求。此外，低空信息网络技术的发展，夯实了低空经济发展的基础，承载着集群内外的信息传输与指挥调度功能。高可靠低时延通信技术提供了坚实的通信保障；通信感知一体化技术增强了低空场景的监管能力；低空航控平台提供了低空飞行器的统一管理；人工智能技术增强了低空的检测跟踪能力。随着技术的进一步成熟和应用的深入，低空经济将迎来更加广阔的发展空间，成为推动社会经济发展的重要引擎。

1.3  政策驱动

以美国、欧盟为代表的国家及经济体正通过政策手段积极推进低空经济的商业化进程。我国同样高度重视该领域的发展，自2013年以来，通过出台多项政策文件，支持低空行业的成长，并积极推进低空飞行器在各行业的应用。2016年，国务院颁布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》明确将无人机作为发展重点之一。2021年，中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，将低空经济写入国家战略规划。2023年，中央经济工作会议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等若干新兴产业。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，大力发展临空经济与临港经济。

1.4  监管驱动

随着低空经济的迅速发展，飞行安全问题日益凸显，各类低空飞行器的运行风险随之增加。除去固有的碰撞风险^[2]，低空飞行器在飞行过程中还可能带来一系列信息安全隐患，如隐私泄露、信息窃取等，这些潜在的风险对低空经济的健康发展构成了挑战，迫使各国及地区逐步加大对低空飞行器的监管力度。以无人机为例，我国政府先后制定并颁布了一系列相关条例和法规，对无人机的生产、运营和飞行进行严格管理。其他国家同样正在逐步构建完善的无人机监管体系，以应对飞行风险和信息安全挑战^[3-4]。这些监管措施确保了低空产业在快速发展的同时，能够在安全、有序的环境中实现可持续成长。

2  低空通信标准化进程

随着低空经济的持续发展，全球移动通信行业正加速推动低空标准化进程。在国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）、第三代合作伙伴计划（The 3rd Generation Partnership Project，3GPP）、电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers， IEEE）以及中国通信标准化协会（China Communications Standards Association， CCSA）等国内外标准化组织的积极推动下，低空领域的标准化工作已取得显著进展。这一进程的加速不仅反映了全球通信产业对低空网络技术发展的高度重视，也为低空经济的进一步规范化和国际化奠定了坚实基础。

ITU发布了一系列针对民用无人机（Civilian Unmanned Aerial Vehicle， CUAV）的标准，以支持CUAV在多种应用场景中的应用。这些标准涵盖了从通信服务的基本要求到综合技术框架的各个方面^[5-14]。3GPP自R16起，着手研究无人机系统的支持与增强功能，逐步扩展到远程识别、网络架构、应用层功能及安全特性。此外，还为无人机系统及城市空中交通的互联互通提供了详细规范^[15-23]。同样，IEEE制定了一系列标准，涉及无人机通信、应用框架和接口等领域，还规范了一种低空域空间结构，以实现无人机的安全与高效交通管理^[24-28]。我国也在积极推进低空经济的标准化进程，自2021年起，CCSA发布了多项涵盖无人机公网通信服务、安全管理、应急通信及5G技术融合等方面的行业标准，为无人机行业提供了技术规范，促进无人机与5G网络的高效融合^[29-33]。

低空经济发展的迫切需求促进标准化进程的不断加速，同时对空地通信提出了更高要求，在这一背景下，空地通信的高效性和可靠性显得尤为重要。空地一体组网作为空地通信的基础支撑，在推动低空经济的发展中起着至关重要的作用。

3  空地一体组网的技术挑战

随着无人机等低空飞行器在物流、农业、公共安全等领域的广泛应用，构建一个高效、可靠且安全的低空通信网络已成为迫切需求。然而，由于低空网络与传统地面通信网络在技术要求和实现方式上存在显著差异，空地一体组网面临着一系列技术挑战。

一是广域立体覆盖挑战。传统无线网络以地面覆盖为主，其网络部署和组网方式主要覆盖地面区域，而空地一体组网则需要覆盖从地面到低空的三维空间。现网中基站的天线通常针对地面用户进行优化设计，若按其目前的垂直张角和机械安装角度进行低空覆盖，则会导致基站出现覆盖盲区。此外，建筑物的遮挡可能也会导致低空区域弱覆盖甚至无覆盖的问题。为了实现低空区域的广域覆盖，可能需要在现有地面基站的基础上增加专用的对空覆盖基站或者对现有基站进行改造，以提升其对低空区域的覆盖能力。

二是空地网络干扰挑战。低空网络如果与地面网络共享频谱资源，会导致地面基站的上旁瓣信号对低空无人机用户产生干扰，而低空无人机的上行发射也会干扰地面用户。为了解决这一问题，空地一体组网需要具备强大的干扰检测与消除能力，这不仅要求对干扰源进行精确定位，还需要有效的算法来减轻或消除这些干扰，确保整个网络的稳定性和服务质量。

三是移动性管理挑战。与地面组网的二维覆盖不同，空地一体组网需要管理三维空间内的移动性，使得空地基站的邻区关系配置更加复杂。无人机的运动轨迹复杂多样，其速度和高度变化对网络的切换和服务连续性提出了更高的要求。此外，低空小区的覆盖半径通常大于地面小区，这增加了移动性管理的难度。为此，空地一体组网必须研发新的移动性管理策略，以确保在切换过程中不会发生通信中断或延迟，保障低空飞行器的高质量通信体验。

四是空口资源调度挑战。考虑到空地一体组网覆盖从二维扩展到三维，对频谱资源的高效利用成为关键问题。如何在有限的频谱资源下，实现空地一体组网的无缝连接和调度优化，确保各类业务需求的协调与互补，是需要解决的重要课题。

五是网络优化挑战。由于空地一体组网涉及地面小区与低空小区的协同布局与管理，这要求对网络进行综合的配置、管理和优化，以适应动态变化的通信需求。

综上所述，空地一体组网技术的挑战不仅涉及通信技术本身，还涵盖了广域立体覆盖、空地网络干扰控制、移动性管理、空口资源调度以及网络优化等多个领域。有效应对这些挑战，对于推动低空经济的健康发展具有重要意义。

4  空地一体组网方案

为了应对空地一体组网所面临的多重技术挑战，并充分考虑现有网络条件与成本效益问题，本文提出了3种空地一体组网方案，这些方案旨在构建一个高效、可靠、安全的空地一体组网模式，以支持低空通信需求并推动低空经济的健康发展。所提方案分别为单载波空地异频方案、双载波空地异频方案以及双载波空地同频方案。

4.1  单载波空地异频方案

单载波空地异频方案如图1所示。该方案中，假设地面网络均为单载波，所有地面基站使用相同的频谱资源。该方案的核心思想是通过1：N的选址原则，从地面基站中挑选出若干空地一体基站。这些选定的基站将频率翻转到第二载波上，空地一体基站使用的第二载波与其他地面基站使用的第一载波异频，整体网络形成单载波空地异频组网。

图1   单载波空地异频方案示意图

具体而言，空地一体基站在第二载波上配置了立体分层的同步信号块（Synchronization Signal Block，SSB）波束，使得该基站能够同时覆盖低空和地面区域。这种分层覆盖的设计可根据实际的网络需求进行灵活调整，包括每层波束的数量、水平和垂直指向角度以及宽度等。通过这种方式，单载波空地异频方案在不增加额外网络投资的前提下，可实现对低空区域的有效覆盖。此外，由于该方案中空地网络采用异频隔离，因此空地之间的干扰问题显著减少。这一方案在现有地面网络仅部署单载波的情况下，提供了较为经济且有效的低空覆盖方式。然而，由于其依赖于单载波频谱资源，所以在网络应用需求逐渐增加的背景下，单载波频谱资源可能会面临网络容量的压力。

4.2  双载波空地异频方案

双载波空地异频方案如图2所示。该方案中，同样假设地面网络均为单载波，按照1：N选址原则选出空地一体基站，空地一体基站开通第二载波，第二载波使用SSB波束立体分层，双载波共享有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU），形成对低空和地面区域的同时覆盖，SSB波束分层方案同4.1节描述。因空地一体基站是双载波配置，且对空覆盖使用的第二载波与公网对地基站的第一载波异频，整体网络形成双载波空地异频组网。

图2   双载波空地异频方案示意图

在地面网络仅为单载波的条件下，双载波空地异频方案需少量增加第二载波开通的网络投资。空地异频方案确保了空地之间的异频隔离，进一步减少了互相干扰的可能性。同时，空地一体基站对地覆盖的第一载波与周边对地基站是同频覆盖，地面网络覆盖有托底，地面网络优化简单。除此之外，由于空地一体基站新增了第二载波，且SSB波束立体分层同时覆盖低空和地面，地面网络的容量得以增加，从而能够更好地支持高密度的用户需求。

4.3  双载波空地同频方案

双载波空地同频方案如图3所示，适用于地面网络均为双载波的情况，可以按照1：N选址原则选出空地一体基站。空地一体基站在第二载波上配置了SSB波束的立体分层，以实现对空地区域的同时覆盖。SSB波束分层方案同4.1节描述。因空地一体基站双载波配置，且对空覆盖使用的第二载波与公网对地基站的第二载波同频，整体网络形成双载波空地同频组网。

图3   双载波空地同频方案示意图

在地面网络均开通双载波配置的前提下，该方案设计的主要优点在于不需要新增额外的频谱资源，因此不会增加额外的网络投资。然而，正因为其空地同频的特点，空地之间可能会存在一定的同频干扰，尤其是在高密度低空应用场景中，这种干扰可能会影响通信质量。此外，由于空地一体基站的第二载波同时用于空地通信，这可能会导致地面网络容量的降低，增加网络拥塞的风险。尽管如此，双载波空地同频方案在频谱资源日益紧张的背景下，提供了一种现实可行的解决方案。在未来，随着频谱资源的进一步紧缩，该方案可能成为低空通信的主要选择。

4.4  方案对比分析

通过对比分析上述3种空地一体组网方案，可以看出单载波空地异频方案由于不增加额外的网络投资，适用于现有资源受限但需要实现基本低空覆盖的情境。双载波空地异频方案虽然增加了一定的网络投资，但是该方案在提供低空覆盖能力的同时，对地面网络影响较小，且一定程度上增加了地面网络的容量，适用于对地面覆盖需求较高，且现网覆盖能力不希望受基站改造影响的场景。双载波空地同频方案则在不增加频谱资源消耗的情况下，实现了空地一体组网模式，但是需面对可能的同频干扰和网络拥塞风险。

针对未来低空通信网络的发展，本文提出的3种方案均具有不同的应用前景。在实际部署中，方案的选择应根据具体的网络需求、资源条件和应用场景进行综合考量。例如，在频谱资源紧张且地面网络已经开通双载波的情况下，双载波空地同频方案可能是更为理想的选择；而在需要高可靠性和低干扰的场景中，双载波空地异频方案则可能更加适合。

未来，随着低空经济的进一步发展和低空通信需求的不断增加，空地一体组网的建设将面临更多的技术挑战。这些挑战不仅包括频谱资源的分配、网络干扰的管理，还涉及网络的优化和用户体验的提升。因此，在推动空地一体组网方案的实际应用时，需进一步加强对这些技术问题的研究和探索，以确保通信网络的稳定性、可靠性和可持续发展。

综上所述，本文提出的3种空地一体组网方案为低空通信网络的发展提供了多种选择和可能性。合理的方案设计和实施不仅可以有效应对当前的技术挑战，还能为未来低空通信的持续发展奠定坚实基础。

5  结束语

本文通过深入分析低空经济的行业驱动力、低空通信标准化进程以及空地一体组网的技术挑战，提出了3种空地一体组网方案，为低空通信网络的发展提供了多种选择和可能性。随着低空经济的进一步发展，空地一体组网的建设将面临更多的技术挑战和市场需求。因此，未来的研究和实践需要进一步加强对于低空通信网络稳定性、可靠性以及用户体验的探究和优化。期待未来低空经济能够在确保安全、高效和可持续发展的前提下，进一步释放潜力，为社会带来更多创新和价值。

Air-ground integrated communication network builds the foundation for low-altitude economy

YU Jinyang¹, ZHANG Ji², LI Xiao¹, DING Xue¹, XU Xiaohang¹, XIE Weiliang¹

（1. Mobile and Terminal Technology Research Institute, China Telecom Research Institute, Beijing 102209, China；

2. School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China）

Abstract: The low-altitude economy is an emerging comprehensive economic form driven by low-altitude flight activities. Firstly, the industry driving forces of the low-altitude economy are studied, including four aspects: market, technology, policy, and regulation. Secondly, the research progress in the low-altitude field by standardization organizations such as ITU, 3GPP, IEEE, and CCSA is examined. Finally, in response to the technical challenges faced in air-ground networking, three commercial air-ground integrated communication networking solutions are proposed: single-carrier air-ground frequency-different scheme, dual-carrier air-ground frequency-different scheme, and dual-carrier air-ground frequency-same scheme, providing multiple options and possibilities for the development of low-altitude communication networks.

Keywords: air-ground integration; low-altitude economy; air-ground networking scheme; low-altitude communication

本文刊于《信息通信技术与政策》2024年 第11期

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