5G公网兼顾低空覆盖方案及性能测试.pdf
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1、2024/01/DTPT1 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h4。目前,大量无人机业务使用841845 MHz、1 4301 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
2、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5G公网兼顾低空覆盖方案及性能测试Sc
3、heme and Performance Testing for LowAltitude Coverage Using 5G Public Network关键词:5G;无人机;覆盖能力;低空覆盖doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2024.01.012文章编号:1007-3043(2024)01-0054-07中图分类号:TN929.5文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):摘要:介绍了采用5G公网兼顾低空覆盖的方案。分析了采用5G公网兼顾低空覆盖方案的可行性及可能存在的问题,根据低空覆盖需求针对性提出优化的兼顾覆盖的优化方案,并进行了测试验证。最后根据测
4、试结果分析,给出不同高度条件下,采用公网兼顾低空覆盖的应用建议。Abstract:It introduces the scheme of using 5G public network for low altitude coverage,analyzes the feasibility,possible problems,andimpact on network performance.According to the needs of low altitude users,a scheme for optimizing public networks forlow altitude cove
5、rage is proposed and tested.Based on test results and analysis,it provides application suggestions of using5G public network for low altitude coverage under different altitude conditions.Keywords:5G;Unmanned aerial vehicle;Coverage capability;Low altitude coverage张琳,张涛(中国联通研究院,北京 100048)Zhang Lin,Zh
6、ang Tao(China Unicom Research Institute,Beijing 100048,China)基金项目:国家重点研发计划(2020YFB1806705)收稿日期:2023-11-15张琳,张涛5G公网兼顾低空覆盖方案及性能测试网络优化Network Optimization引用格式:张琳,张涛.5G公网兼顾低空覆盖方案及性能测试 J.邮电设计技术,2024(1):54-60.54邮电设计技术/2024/01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
7、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。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5GAAU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
8、比主瓣低20 dBm甚至更多。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
9、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
10、,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,图1公网兼顾覆盖示意表1典型低空无人机业务需求图2公网基站A
11、AU天线波束垂直方向增益业务无人机远程控制普通视频业务4K高清视频业务上行速率500 kbit/s4 Mbit/s25 Mbit/s下行速率500 kbit/s500 kbit/s500 kbit/s对应场景测控、植保等巡检、安防大型赛事、演出的拍摄直播等主要高度100 m及以下300 m及以下100 m及以下主瓣300 m以下旁瓣覆盖100 m以下主瓣兼顾覆盖20100-10-20-30-40-5030020406080 100 120 140 160 180 200增益/dB垂直面角度/张琳,张涛5G公网兼顾低空覆盖方案及性能测试网络优化Network Optimization552024
12、/01/DTPT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
13、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。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89 m/s。图4为不同高度上的无人机终端接收到的RSRP统计值,
14、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 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
15、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。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
16、%,200m高度上约为65.0%,300 m高度上约为57.3%。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图3测试路线示意图45QI9不同高度上RSRP统计表2兼顾覆盖与切换相关配置配置参数5QI同频(A3)切换门限/dB同频(A3)切换监测时延/ms地面用户9(默认)3320空中用户9(默认)3320300 m200 m150 m0.9-1050.80.70.60.50.40.30.20.101.0-100-95-90-85-80-75-70-65-60F(x)RSRP/dBm张琳,张涛5G公网兼顾低空覆盖方案及性能测试网络优化Network
17、 Optimization56邮电设计技术/2024/01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。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
18、据是在终端接入远距离 2.1GHz 5G基站泄露信号时获得的。速率变化与接入小图5不同高度上RSRP与接入小区变化对应图65QI9不同高度业务速率测试值(b)200 m高度RSRP与接入小区变化对应(a)150 m高度RSRP与接入小区变化对应-65RSRP/dBm114.36114.36114.36114.36114.36114.36114.36114.36114.36114.37114.37114.37114.37114.37114.37114.37114.38114.38114.38400-70-75-80-85-90-95-105-60-10018016014012010080小区号小
19、区号RSRP2060经度/450-65RSRP/dBm114.36114.36114.36114.36114.36114.37114.37114.37114.37114.37114.37114.37114.37114.37114.38114.38114.38114.38114.38114.38400350300250200150100500小区号-70-75-80-85-90-95-100-60小区号RSRP经度/700-65RSRP/dBm114.36114.36114.36114.36114.37114.37114.37114.37114.37114.38114.38114.38114.3
20、8114.38114.38114.38114.38114.38114.38114.386005004003002001000小区号-70-75-80-85-90-95-105-60-100小区号RSRP经度/(c)300 m高度RSRP与接入小区变化对应0.90.80.70.61.05F(x)0.50.40.30.20.10PDCP/(Mbit/s)10150300 m200 m150 m速率/(Mbit/s)114.36114.36114.36114.36114.36114.36114.36114.36114.36114.37114.37114.37114.37114.37114.37114
21、.37114.38114.38114.3840018016014012010080小区号2060小区号PDCP速率221614121086024421820经度/45040035030025020015010050小区号小区号PDCP速率1214108642114.36114.36114.36114.36114.36114.37114.37114.37114.37114.37114.37114.37114.37114.38114.38114.38114.38114.38114.38114.3800速率/(M bit/s)70018114.36114.36114.36114.36114.3711
22、4.37114.37114.37114.37114.37114.37114.38114.38114.38114.38114.38114.38114.38114.38114.386005004003002001000小区号16141210860204小区号PDCP速率2速率/(Mbit/s)(a)150 m高度PDCP速率与接入小区变化对应(b)200 m高度PDCP速率与接入小区变化对应(c)300 m高度PDCP速率与接入小区变化对应经度/经度/图7不同高度上行PDCP速率与接入小区变化对应张琳,张涛5G公网兼顾低空覆盖方案及性能测试网络优化Network Optimization57202
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