5G公网兼顾低空覆盖方案及性能测试

张 琳，张 涛（中国联通研究院，北京 100048）

1 概述

近几年，无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）经过快速发展，在个人消费、植保、测绘、能源、应急保障等领域得到了广泛应用［1-3］。根据民航局发布的《2021 年民航行业发展统计公报》，截至2021 年底，全行业无人机拥有者注册用户达78.1 万个，全行业注册无人机共83.2 万架。全行业无人机有效驾驶员执照12.08 万本。2021 年，参与民航局无人机云交换系统的无人机飞行小时数高达143.6万h［4］。

目前，大量无人机业务使用841～845 MHz、1 430～1 438 MHz等非授权频谱，采用PWM、PPM 等协议的点对点通信的方式［5］。因此仅能围绕地面接收站的一个范围内飞行，无法实现广域的无人机业务。此外由于非授权频谱带宽小、干扰大，点对点通信传输速率较低，无法满足未来大量无人机进行视频回传等高传输速率的业务需求。解决上述痛点的最佳方案就是使无人机联入成熟且覆盖完善的地面网络，实现机上数据的高速传输、远程控制和飞行数据交互、提升飞行的可靠性，更好地实现对低空空域的管理。

根据ITU 分类［6］，无人机业务可包括载荷通信和控制及非载荷通信。载荷通信对应数据传输类业务，如远程直播、安防、巡检、科学观测等，以视频类业务为主。此类业务为单向上行业务，对速率、时延有较高要求，考虑到未来可能需要4K 视频回传，上行业务速率至少要求25 Mbit/s。控制及非载荷通信为无人机安全稳定飞行提供保障，提供遥测数据、航路控制等，对时延要求高、上下行速率要求较低，可靠性要求高。表1所示为典型低空无人机业务需求。

2 5G公网兼顾低空覆盖能力分析

2.1 公网5G兼顾低空覆盖的可行性

采用公网为无人机提供网络覆盖，是希望在不改变现网物理结构和配置的情况下，实现立体网络覆盖。公网典型配置中，通常设置6°的下倾角，AAU 波束主瓣指向地面，基站上方低空区域为旁瓣的指向方向，形成立体覆盖，如图1所示。

图1 公网兼顾覆盖示意

5G 采用的波束赋形技术使AAU 天线的能量更集中，同时使波束主瓣垂直宽度更小。在公网5G基站正常服务地面用户，即波束主瓣指向地面的情况下，对低空的覆盖仅依靠波束的旁瓣。一个典型的公网5G AAU 的天线在垂直方向上的辐射增益如图2 所示［7］。公网设备考虑对干扰抑制的要求，AAU 的旁瓣抑制使波束旁瓣的辐射功率比主瓣低20 dBm甚至更多。

图2 公网基站AAU天线波束垂直方向增益

传播模型方面，标准化组织ITU 和3GPP基于大量实测统计提出了非地面网络的传播模型［8-9］，此外，基于地理几何的理论方法产生了一些无人机传播路径研究成果［10-13］。结果表明传播损耗与建筑物密度、无人机高度、无人机与基站间的夹角存在较大关联。建筑密度低、无人机高度高、仰角大，则视距传输概率大，传输损耗远小于地面网络。在发射功率小的旁瓣覆盖下，终端仍然可以接收到较强的信号。建筑密度高、无人机高度低、仰角小，视距传输可能性降低，但主瓣或靠近主瓣的旁瓣增益较大，仍然可以兼顾覆盖一定的空域范围。

在频率使用方面，与采用非授权频谱相比，采用公网频率安全性和可靠性都更有保障。无人机以上行业务为主，与公网以下行为主的业务结构存在互补性。在干扰方面，地面网络和地面用户受到无人机用户的干扰与受到地面其他用户的干扰并无差别，不需要额外的优化。无人机用户受到的干扰主要是地面用户对无人机下行的干扰。无人机下行仅传输控制消息，对信道条件容忍度高，且无人机用户和地面用户间存在较大空间隔离，干扰的实际影响小。5G-ACIA 发布的白皮书和一些研究中也分析了无人机与公网共享通信频谱是可行的［14-15］。

2.2 公网兼顾低空覆盖的主要挑战

低空兼顾覆盖的主要挑战分为3 个方面：公网覆盖能力对无人机飞行高度的限制、天地同频带来的干扰问题和移动性管理问题。

对无人机飞行高度的限制主要是由于旁瓣覆盖能力受限，在不改变现网工参的条件下，300 m 可能是公网兼顾覆盖的极限。如果要对更高的空域高度进行覆盖，最有效的解决方案包括调整公网下倾角，采用定制化天线和针对空中覆盖的波束赋形算法等。

地面对空覆盖传播路径主要为视距传输，遮挡少，空中无人机终端可收到周边多个小区信号，且各小区信号功率差别不大，相互构成较强的干扰。地面业务目前以下行为主，所以干扰主要是下行干扰，对于低空无人机上行以视频传输为主的业务影响有限。但由于低空是公网兼顾覆盖，上行时隙有限，上行的资源总量有限，需要较高的信噪比和有用信号功率来维持高的调制编码效率，从而保障业务速率。此外，下行的低信噪比还会影响信令传输，造成掉话等问题。

低空视距传输，各小区信号差距不大，除了带来干扰问题，也会带来移动性管理的问题。目前公网配置的切换规则，候选小区比服务小区RSRP 高3 dB 即开启测量，测量延迟为320 ms。低空与地面在传播环境上存在显著不同，视距传输使空中无人机收到的多个小区信号强度差别很小，如果采用与公网相同的移动性策略，无人机终端将在小区间频繁切换，影响网络服务质量。

3 公网兼顾低空覆盖方案

3.1 测试环境和配置说明

公网5G低空覆盖能力测试在某市进行，模拟无人机巡河业务场景，按照业务实际使用情况，由无人机搭载测试终端，沿某条河河面飞行，全程3 km，具体测试飞行路线如图3 所示。在不同高度测试网络能力，设定无人机飞行高度分别为150、200、300 m。现网5G基站采用3.5 GHz 频段、100 MHz 带宽、32T32R 的AAU。4G 基站为2.1 GHz、带宽20 MHz、4T4R。测试终端为配置基于骁龙SDX55 的5G 通信模组的无人机，单发单收，天线增益为0 dB。空中用户与地面用户配置完全相同，如表2所示。

图3 测试路线示意

表2 兼顾覆盖与切换相关配置

3.2 覆盖测试

测试在150、200、300 m 3 个高度上进行，采用无人机终端用户与地面网络用户相同的配置，测试当天约有3 级阵风，无人机对地飞行速度为8～9 m/s。图4为不同高度上的无人机终端接收到的RSRP 统计值，由图4 可知，3 个高度上均满足RSRP＞-105 dBm，整体的覆盖情况满足终端接入的要求。同时从测试结果可以看出，覆盖信号强度整体随着无人机终端高度的升高而降低，150 m 与200 m 高度上的覆盖明显优于300 m。这主要是因为旁瓣覆盖发射功率有限，可以认为300 m 及以下高度，公网兼顾低空覆盖可稳定地为无人机终端用户提供服务。

图4 5QI9不同高度上RSRP统计

图5 是在不同高度上随着无人机飞行测量到的RSRP 与接入小区变化的对应情况。图5（a）和图5（b）分别为150 m高度和200 m高度上测量到的变化，可以看出，在RSRP 小幅下降但仍然大于-85 dBm，即覆盖良好的情况下，仍然频繁地发生切换。这是由于公网的移动性策略是基于覆盖制定，尽可能使覆盖更好的小区来服务用户。在网络的规划建设中，公网基于地面地形地貌特点选择站址，规避多小区大范围重叠问题，终端收到的多个小区信号强度有比较大的差别，不容易产生频繁切换，但由于空中的覆盖遮挡较少，无人机终端收到的信号强度差异不大，采用与公网相同的策略不可避免产生频繁的不必要的切换。300 m高度上测试得到的RSRP 值整体较低，且切换前后测试RSRP 值变化不大，主要在几个小区间反复切换，也是不必要的切换。

图5 不同高度上RSRP与接入小区变化对应

3.3 上行速率测试

图6 为不同高度上的PDCP 速率统计值。整体而言，随着高度上升，满足上行5 Mbit/s 的视频应用需求的百分比下降。150 m 高度上此百分比为81.1%，200 m高度上约为65.0%，300 m高度上约为57.3%。

图6 5QI9不同高度业务速率测试值

图7 所示为不同高度上行PDCP 速率与接入小区变化的对应关系，3 个高度上均存在一些采样点的速率为0的情况。结合图7（a）和图7（b）所示的小区切换情况和速率的关系，可以看出150 m和200 m高度上速率的降低与小区切换存在明显关系。在某一个小区提供稳定覆盖的测试路径上，上行PDCP 速率维持在一个较高的水平，而切换前后，速率有明显的下降，在形成稳定覆盖后恢复。

图7 不同高度上行PDCP速率与接入小区变化对应

而图7（c）所示的300 m 高度无人机可以测量到的小区数较少，终端未发生频繁切换，长时间保持接入同一个小区，速率的保持性优于150 m 和200 m 高度。但其整体速率较差，这是由于在终端稳定接入且RSRP＞-100 dBm 的情况下，速率有一定的降低。经过与工参对比，这些测试数据是在终端接入远距离2.1 GHz 5G 基站泄露信号时获得的。速率变化与接入小区的对应关系如图7（c）所示。

3.4 测试主要结论

从测试结果可以看出，在300 m 及以下高度，覆盖基本满足无人机接入需求。但由于对空传输以直射为主，终端收到的各小区信号强度差异不大，因此采用公网配置的基于覆盖的切换策略，致使空中无人机终端产生了大量不必要的切换。

同时，测试结果显示大量的切换与无人机终端PDCP速率的下降存在明显的关联。在150 m 和200 m的高度上，在不发生切换由一个小区稳定服务的情况下，其速率基本稳定。切换前后则发生了速率的剧烈变化。在300 m 高度，空中无人机终端还面临着切换到2.1 GHz频段引起的速率下降问题。

4 兼顾低空覆盖优化方案及测试验证

4.1 5G公网兼顾低空覆盖优化方案

从测试结果来看，在300 m 及以下高度，公网兼顾低空覆盖信号强度满足无人机终端接入需求，速率的突然下降主要是由不必要的切换造成的。5G 公网的切换规则是按照符合地面传播特性和用户分布特征进行配置，空中传播特性和无人机终端的特点与地面终端存在显著不同，需要区分地面用户和无人机用户，分别配置专有的切换策略。

不改变公网环境，区分用户业务的一个有效的方案是通过5QI 实现的，根据3GPP 规定［16］，使用5QI 描述5G QoS 特性，如调度权重、准入阈值、队列管理阈值、链路层协议配置等。现网所有业务优先级配置为5QI=9，是Non-GBR 类型的，业务保障要求较低。GBR类型业务拥有更高的优先级，可提供更好的业务保障能力，如5QI=1，2，3，4，也有扩展的5QI=65～67，71～76。根据低空业务需求，可以选择具体的5QI 值。由于目前无人机业务以视频直播为主，对网络资源要求较高，倾向于配置GBR类型的5QI参数，实现资源倾斜。

实现区分地面和空中业务后，依托无人机业务的单独5QI，配置单独的切换策略，以提高切换难度，使无人机用户在网络覆盖较好的情况下稳定保持在一个小区内进行业务。现网配置基于A3事件的切换，有2 个主要参数：开启切换测量的服务小区和候选小区间RSRP 差值、测量判决的延迟时间。在现网设备实现上，开启切换测量的服务小区和候选小区间RSRP差值参数可按需配置。测量判决的延迟时间参数可选值包括160、320、640、1 280、2 560、5 120 ms 等。地面配置的默认切换参数为：同频切换A3事件服务小区和邻区的RSRP 差值为3 dB。延迟时间设置为320 ms。对于空中业务，为降低不必要的切换，提高切换难度，适当提高上述2个参数的门限值。

本次测试选择5QI、切换门限、判决延迟的配置如表3所示。

表3 优化的5G公网兼顾低空覆盖配置

4.2 优化方案测试

4.2.1 覆盖测试

测试在150、200、300 m等3个高度上进行，无人机终端用户与地面网络用户采用不同的移动性管理配置，由于当天有阵风，无人机对地飞行速度为6～9 m/s。图8 所示为不同高度上的RSRP 统计值，3 个高度上空地不同配置基本满足RSRP＞-105 dBm 的规划指标。200 m 和300 m 的测试数据中出现RSRP=-140 dBm 数值，为终端未检测到RSRP 数据而返回的数值。原因是面向空中用户的切换配置提高了空中终端切换的难度，可能会造成一直不满足切换条件直至弱覆盖掉线再重连接的情况。

图8 优化方案5QI4不同高度上的RSRP统计值

切换与RSRP 的对比情况则如图9 所示。图9（a）和图9（b）显示，在150 m 和200 m 高度上，测试到的RSRP 值较长时间维持大于-90 dBm，并且切换频次明显较少。图9（c）说明在300 m 高度上，产生了多次的切换和较长时间无连接的情况。与空地相同配置的情况相比，空地用户基于不同5QI 分别配置移动性参数的情况，在终端可搜到较多小区的150 m和200 m高度上，有更稳定的网络覆盖。但在网络覆盖较差的300 m高度上，则发生了更多的切换和掉线。

图9 优化方案不同高度上RSRP与接入小区变化对应

4.2.2 上行速率测试

图10为空地不同配置下不同高度上的PDCP速率统计。从图10 可以看出，与空地相同配置的情况相似，上行PDCP 速率随着高度上升整体呈下降趋势。但在150 m高度上PDCP速率大于5 Mbit/s的百分比大幅提升至100%，200 m 高度上的百分比为69.4%，300 m高度上的百分比为57.7%。

图10 5QI4不同高度业务速率测试值

图11为切换与速率变化的对比分析。图11（a）显示在150 m 高度切换更少，速率长期维持在较高水平；图11（b）显示200 m 高度在单一小区稳定覆盖的区域速率较为稳定，在切换较频繁的区域，仍然不能长期将速率维持在较高水平；图11（c）显示300 m 高度无人机终端切换较频繁，速率不稳定。这主要是由于300 m 高度无人机可服务小区数量少，很容易触发切换测量。同时空地不同配置时，增加了空中用户切换难度，在服务小区弱覆盖而邻区覆盖性能也较差的情况下，无法满足空中用户的切换条件，致使终端掉线。

图11 优化方案不同高度上行PDCP速率与接入小区变化对应

4.2.3 测试主要结论

从测试结果可以看出，在150 m 和200 m 高度，采用空地不同配置情况下，空中无人机终端切换频率降低，覆盖的稳定性得到了一定提升。在300 m 高度上，空地不同配置与空地相同配置相比，并没有带来覆盖的提升和切换频次的降低。同时，150 m和200 m的高度上，通过空地不同配置，降低了切换频次，整体提升了测试区域内的上行PDCP速率。在300 m高度上，在稳定覆盖的区域，也保持较高速率，但空地不同配置也提升了终端掉线的风险。

4.3 应用建议

综合2 种配置方式的测试结果，建议300 m 及以下低空用户可以采用公网兼顾覆盖。对于空中用户在300 m 以下高度，公网基站密集程度较高的区域，建议采用地面与空中用户配置不同5QI，并基于5QI配置不同切换参数的方案。对于300 m 高度或公网站址稀疏区域，空中可以和地面采用相同的配置。

5 结束语

本文分析了5G 公网兼顾低空覆盖的可行性及部署方案，开展了基于公网兼顾覆盖的无人机终端测试验证。根据对低空覆盖的问题分析和不同高度开展的试验测试，对空地用户相同配置和空地用户不同配置的2 种方案的性能进行了对比，给出了基于测试结果的公网5G兼顾低空覆盖的应用建议，为面向低空无人机用户的网络部署和优化提供了参考。