一文讀懂5G-A如何賦能低空經濟

文 | 開山

今年，低空經濟首次被寫入政府工作報告，發(fā)展提速。本文介紹低空經濟發(fā)展的驅動因素及發(fā)展現狀，梳理制約低空經濟發(fā)展的痛點和挑戰(zhàn)，重點闡述5G-A通感一體化技術如何針對性助力低空經濟發(fā)展，包括主要功能和核心技術，以及去年以來的試點情況。

01、 低空經濟

“積極打造生物制造、商業(yè)航天、低空經濟等新增長引擎?！薄墩ぷ鲌蟾妗?，2024.3

今年，“低空經濟”被首次寫入政府工作報告，具有里程碑意義。低空經濟指一般在垂直高度1000米以下、根據實際需要延伸至不超過3000米的低空空域范圍內，以?用有人駕駛和無人駕駛航空器為載體，以載人、載貨及其他作業(yè)等多場景低空?行活動為牽引，帶動相關領域融合發(fā)展的綜合性經濟業(yè)態(tài)，涉及低空?行、航空旅游、支線客運、通航服務、科研教育等業(yè)務形態(tài)，覆蓋通用直升機、eVTOL、無人機等飛行器，低空產業(yè)涵蓋低空基礎設施、低空飛行器制造、低空運營服務及低空飛行保障。

驅動因素

首先，市場需求方面，低空出行可以有助于解決30到150公里的高效交通出行需求。據測算，30公里內的公共出行以地鐵、公交車為主，超過150公里則更適合選擇高鐵和飛機，每公里成本大約在0.3-0.7元左右。然而，在30到150公里范圍內，如深圳這樣地處大灣區(qū)、存在跨山跨海等特殊場景的城市，現有交通工具并不能完全滿足需求。低空飛行產品的出現填補了這一空白，可以擴大城際和城市都市圈的出行范圍，成為現有出行方式的補充。

其次，低空空域作為尚未充分開發(fā)的自然資源，具有巨大的經濟潛力。通過數字化手段，可以將低空空域轉化為可量化、可評估、可利用的經濟資源，類似于士地使用權。這種新型生產要素的確立將推動低空空域的深度開發(fā)、流轉和利用，為新經濟的發(fā)展注入強勁動力，產生巨大的經濟和社會價值。

再次，低空經濟產業(yè)具備強大的產業(yè)帶動作用。在傳統(tǒng)基建投資面臨邊際效用遞減的背景下，低空基礎設施有望成為投資的重要選擇。有望充分享受信息化、網絡化、數字化和智能化技術發(fā)展所帶來的紅利，將實體經濟與數字經濟進一步融合，推動經濟發(fā)展。

最后，有望在低空經濟領域率先制定國際標準和規(guī)則。在當前競爭激烈的國際環(huán)境中，低空智能融合基礎設施的全數字化方法已使我國處于技術領先地位。由于發(fā)達國家對基礎設施建設的投入不足，使得我們有機會打破長期依賴外國規(guī)則和標準的局面，加速制定與低空經濟相關的規(guī)則和標準，有助于我國在行業(yè)發(fā)展中取得主動地位，并在全球科技競爭中獲得領先優(yōu)勢。

相關政策及發(fā)展現狀

低空經濟發(fā)展主要集中在北美、亞太和歐洲三大區(qū)域，整體來看以中美最為領先。美國憑借龐大的通用航空產業(yè)及附屬行業(yè)積累了豐富的航空經驗，在航線規(guī)劃、飛行器設計等領域具備較大優(yōu)勢。中國在低空經濟中存在后發(fā)優(yōu)勢，能針對低空飛行特點進行基礎設施的快速鋪開，具備巨大的市場潛力。低空經濟并非近期才提出的概念，早在2010年，中央已經前瞻性的規(guī)劃了我們低空產業(yè)及低空空域的改革，國務院、中央軍委下發(fā)了《關于深化我國低空空域管理改革的意見》，民航局貫徹落實意見要求，制定《通用航空飛行服務站系統(tǒng)建設和管理指導意見（試行）》，明確了飛行服務站建設管理基本要求。2018年，國家空管委批準在四川進行低空空域綜合管理改革試點，形成以地方政府為主導、軍地民三方共同參與的低空管理模式。民航局制定《低空飛行服務保障體系建設總體方案》，規(guī)劃建設國家、區(qū)域和飛行服務站三級服務保障體系。2020年以來，低空空域管理改革試點擴大至湖南、江西和安徽等地。民航局制定專門文件，規(guī)范飛行動態(tài)數據傳輸、低空飛行服務系統(tǒng)技術要求和專業(yè)人員基礎培訓，構建無人駕駛航空法規(guī)標準體系。2021年2月，低空經濟被寫入《國家綜合立體交通網規(guī)劃綱要》，在2022年后，政策提速，基礎研究、產品落地、政策引導三者共振為低空經濟產業(yè)發(fā)展提供支撐，2023年12月，中央經濟工作會議進一步將“低空經濟”提升至“戰(zhàn)略性新興產業(yè)”的高度。隨著一系列政策舉措推進實施，我國低空飛行服務保障體系基本成型。據中國?航局相關數據，截至2023年底，全國建成通用機場449個，完成國家信息管理系統(tǒng)、7個區(qū)域信息處理系統(tǒng)和32個飛行服務站建設，上線民用無人駕駛航空器綜合管理平臺，實現低空飛行監(jiān)管、服務全覆蓋。2023年我國低空經濟規(guī)模已經超過5000億元，2030年有望達到2萬億元。低空經濟產業(yè)快速擴張，其中無人機及其應用是低空經濟的重要形態(tài)。截至2022年底，全國的無人機運營企業(yè)達到1.5萬家，年產值已達1170億元。注冊無人機95萬架，無人機實時?行約為3.86億架次，累計?行時?約為1668.9萬小時。近日，電動垂直起降航空器(eVTOL)“盛世?”公開首次演示?行，從深圳蛇口郵輪母港起?后降落在珠海九洲港碼頭，將單程2.5-3小時的地面?程縮短至20分鐘，該航空器預計將于2026年開啟載人?行，有望在規(guī)?；涞睾髮巫眱r壓至兩三百元。

五大痛點與挑戰(zhàn)

為了實現低空經濟規(guī)?；⒏哔|量、安全可控的發(fā)展，傳統(tǒng)網絡面臨五大挑戰(zhàn)：挑戰(zhàn)一：缺乏高效的技術監(jiān)控手段為了實現低空經濟規(guī)?；?、高質量、安全可控的發(fā)展，需要憑借高效、完備、科學的低空飛行監(jiān)管技術對大密度、高頻次、多類型的低空飛行活動進行監(jiān)控，及時識別與管控不合理和不合法的飛行行為。然而，對于傳統(tǒng)的雷達技術而言，其單站監(jiān)控方式能力有限，難以發(fā)現和應對在雷達顯示器上時隱時現、忽明忽暗的“低慢小”目標。同時，多站組網費用高昂，難以滿足規(guī)模化的低空飛行活動監(jiān)控需求，且受光照條件影響，難以滿足遠距離、全天候的監(jiān)控需求。當前，由于缺乏高效的技術監(jiān)控手段，政府監(jiān)管部門難以第一時間發(fā)現低空空域中“亂飛”、“黑飛”等不合理和不合法的行為，企業(yè)也難以保證其飛行任務的安全性和可靠性。這嚴重阻礙了低空經濟規(guī)模化的步伐。因此，高精度、低時延、全天候的感知技術和支撐無人機與無人機、無人機與地面之間通信的蜂窩技術是實現有效、便捷監(jiān)控和飛行任務管理的基礎，也是亟需突破的主要技術挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)二：缺乏統(tǒng)一的低空飛行監(jiān)控技術標準由于缺乏統(tǒng)一的低空飛行監(jiān)控技術標準，各個地區(qū)各自探索本地的低空空域開放措施和監(jiān)管方案。此過程中，各地容易形成不同的低空空域技術監(jiān)控體系，給未來各地低空飛行監(jiān)控技術的互聯互通埋下隱患。因此亟需研究高效、完備、科學的技術監(jiān)控體系，建立統(tǒng)一的低空監(jiān)控平臺與完備的信息化服務基礎設施，從而為采集和分析低空數據，構建規(guī)?；?、高質量、安全的低空經濟提供技術支撐。挑戰(zhàn)三：亟需低空立體連續(xù)覆蓋無線網絡傳統(tǒng)無線網絡以地面覆蓋為主要目標，而低空信息網絡則需實現對空立體覆蓋。隨著低空經濟的快速發(fā)展，無人機應用對于低空網絡的廣域連續(xù)覆蓋提出了更高的要求。大量的試驗結果表明，盡管當前對地覆蓋的無線網絡利用天線旁瓣對空中有一定的信號覆蓋，但是由于天線旁瓣較多且雜亂、信噪比普遍較差且起伏不定等因素，較難保障無人機全路程連續(xù)業(yè)務服務和不中斷飛行操控。因此，構建一張低空立體連續(xù)覆蓋的無線網絡是低空經濟高質量發(fā)展的基礎，也是亟需攻克的關鍵技術挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)四：需要滿足大上行、低時延業(yè)務需求越來越多的低空無人機業(yè)務將普遍要求有視頻或圖片回傳，甚至是高清視頻回傳，上行速率普遍要求在每秒幾十到幾百兆速率，而對于下行速率要求通常不高，因此無人機業(yè)務具有明顯的上下行不對稱的特性。而傳統(tǒng)對地覆蓋的移動網絡則主要服務于人，以下行業(yè)務為主，移動通信領域以往更多聚焦在提升網絡的下行鏈路容量。因此，如何基于蜂窩移動網絡技術來保障未來大量無人機的大上行、低時延業(yè)務需求是將要面臨的較大挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)五：低空網絡安全不同于傳統(tǒng)航空運輸服務，低空經濟活動更會呈現出“數字化“和“信息化”的特征。此時，低空信息網絡安全問題也是保障低空經濟活動所要解決的關鍵挑戰(zhàn)。由于低空經濟活動復雜，其安全挑戰(zhàn)并不局限于硬件、軟件、通信鏈路和網絡本身，還包括了行器入侵破壞等方面。因此，為了滿足低空經濟活動的需求，需要多方聯合，共同設計更加靈活、智能、安全的信息化服務系統(tǒng)。

02、 通感一體化技術

5G-Advanced是5G與6G之間承上啟下的重要階段，據IMT-2020(5G)推進組發(fā)布的《5G-Advanced場景需求與關鍵技術白皮書》，5G-A面向六大主要應用場景：沉浸實時、智能上行、工業(yè)互聯、通感一體、千億物聯和天地一體，進一步增強網絡、終端、云等端到端技術能力，支撐數字、智慧、綠色低碳社會基礎設施的構建。

其中，通信感知一體化技術（Integrated Sensing and Communication，ISAC）是5G-A網絡側關鍵技術之一，具體指通信網絡實現通信感知一體化，這為低空管理中航空器的偵測提出了新路徑。

優(yōu)勢

通感一體化技術的主要優(yōu)勢在于：

1. 與傳統(tǒng)雷達探測的范圍相比，通過5G+多基站協同探測方式可以縮小感知盲區(qū)，實現整個區(qū)域全覆蓋。5G-A頻段和一般雷達相比，頻率較低，更容易繞過障礙物，從而實現在建筑物較多的情況下更好的覆蓋。通感一體化基站的探測距離可超過1.5千米，探測精度達到亞米級，這意味著在基站覆蓋范圍內，感知到的目標物位置和實際位置誤差小于1米；

2. 成本低、部署快。由于基站覆蓋率較高，不需要重復建設，只需增加一個面向空域的通信基站即可，通感一體技術成本和部署速度具備明顯優(yōu)勢。如中國工程院鄔院士表示：“在不改變5G基站天線仰?的前提下，低空探測空間高度近600米，這將避免低空專網的重復建設，有助于城市對‘低慢小’?行物的識別和管理?！保?/p>

3. 節(jié)省頻譜資源。使用的都是已授權的通信頻段，無需另外劃分頻段；

4. 基站通感一體的無線信號發(fā)射功率極低，不會對居民健康造成影響，干擾小。

關鍵技術

目前，基于5G-Advanced空口的ISAC關鍵技術主要包括六大技術方向：

1. 通感一體化波形與信號設計：在5G-A通感標準化中，波形設計可以分為兩個主要研究方向：基于現有波形的一體化波形適配性研究，新型通感一體化波形設計及研究。基于現有通信和感知波形，如OFDM、FMCW、LFM等，通過分析這些波形在通信和感知的能力，形成單一波形或者復合波形，從而實現通感融合波形的需要；

2. 多天線感知技術：方位向的位置精度受限于天線陣列的孔徑，因此，在硬件技術上需要采用大規(guī)模的天線陣列以提升方位向的位置精度和波束增益。目前，主流技術方向包括高隔離大規(guī)模天線陣列、天線分組和虛擬子陣列、稀疏MIMO陣列；

3. AI和算力技術：5G-A的蜂窩通信網絡中的接入網和核心網都具備強大的運算處理能力，因此可以采用內嵌AI的高維超分辨感知技術和通感融合算力技術，排除噪聲干擾，以提高目標特征的分辨能力和識別準確率，并且根據每種感知技術或算法的特性和需求，以及網絡的總體運算資源狀況，制定出最合適的資源分配方案；

4. 組網技術：組網技術是一種將多臺電子設備連接在一起，形成可互相通信和共享資源的網絡系統(tǒng)的技術。通感一體化的組網架構主要包括了網絡大腦、感知控制功能、通信控制功能、計算控制功能、用戶控制功能等功能實體，以及計算節(jié)點、通信節(jié)點、感知節(jié)點和終端節(jié)點等資源實體；

5. 時頻域感知資源分配技術：通過時域、頻域或空域通信和感知分離設計，可以有效避免感知與通信間的相互干擾，同時可以通過合理分配資源盡可能保證通信用戶、感知用戶以及一體化用戶間的公平性，便于通感業(yè)務的協調聯動，進而提升通感系統(tǒng)的整體性能；

6.通感融合信道建模：信道建模是指無線信號從發(fā)送端傳輸到接收端的過程。傳統(tǒng)的信道建模方法可能無法滿足5G-A的需求。5G-A需要重新思考傳統(tǒng)的隨機信道建模方法，針對感知評估需求做出創(chuàng)新，具體模型方向包括隨機信道模型、確定性信道模型，以及混合信道模型。

03、 基于通感一體的低空網絡系統(tǒng)

基于通感一體的蜂窩網絡覆蓋已成為低空網絡系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一，據中國電信《通感一體低空網絡白皮書》，在總體架構上，低空網絡系統(tǒng)依托蜂窩移動通信網絡、物聯網、云計算等基礎設施，形成通信、感知、計算一體化的智能互聯低空數字化服務體系。

低空網絡系統(tǒng)包含通信、感知、智算三個主要功能，其基本功能和性能指標如下：

1. 通信功能及性能要求

通信能力旨在滿足低空網聯無人機多樣化通信功能，包含基礎的接入、數據/指令轉發(fā)、信息上報、身份標識認證等。對于網聯無人機的身份認證尤為重要，是無人機有效監(jiān)管的基石。針對網聯無人機，需要提供數據傳輸和控制指令傳輸等基礎通信能力保障。無人機載荷采集的圖像和視頻數據、無人機全球定位系統(tǒng)（GPS）及傳感器獲得的位置信息、姿態(tài)信息可以按周期或實時上報給各個低空業(yè)務平臺和低空管控平臺。飛行系統(tǒng)能夠將對無人機的控制指令精準傳送給無人機，指導其按要求行駛或應對緊急情況。無人機通信方式可能包括5G/4G和其他寬帶/窄帶無線通信方式。根據業(yè)務場景的具體需求，無人機可以配置不同的的通信方式。對于應急通信、航道控制等要求高可靠、低時延場景和對于高清（HD）視頻傳輸、巡檢監(jiān)控等大帶寬場景，5G技術在速率、時延、覆蓋等方面具有明顯優(yōu)勢，可實現網聯無人機高效可靠的通信保障。根據3GPP TS22.125無人機應用的性能需求：- 對與8K視頻直播，要求達到上行100Mbps數據速率，端到端時延200ms，下行600Kbps數據速率，端到端時延20ms；- 對于通過高清視頻的遠程無人機控制，要求達到上行25Mbps數據速率，端到端時延100ms，下行300Kbps數據速率，端到端時延20ms。

2. 感知功能及性能要求

感知能力旨在利用無線信號實現對目標無人機或環(huán)境的主動感知功能。通過有效提取無人機等動態(tài)目標以及環(huán)境等靜態(tài)目標對無線信號特征的影響，低空網絡能夠實現對低空飛行目標的測距、測角、測速、定位、追蹤等功能。這些信息可輔助實現無人機的入侵檢測和碰撞規(guī)避，對無人機進行路徑追蹤，進而實現遠程監(jiān)控等。對于具備飛行資質的合法無人機，網聯無人機將按照監(jiān)控要求通過通信網絡定期上報位置、狀態(tài)等飛行信息。非網聯無人機信息則可從航線申報信息系統(tǒng)獲取飛行路線和無人機型號參數。低空網絡的感知功能將通過無線感知技術判斷每一架可識別無人機位置和軌跡數據，并與前述無人機預知信息進行比對和聯合分析，則可有效偵測不具備飛行資質的非法無人機，進而實施有效驅離，以保證低空空域安全。根據3GPP TR22.837性能需求：- 對于無人機入侵檢測，要求達到5-10m定位精度，感知時延小于1000ms，不超過5%的漏檢率和虛警率；- 對于無人機防撞，要求達到1m水平定位精度，感知時延小于500ms對；- 于無人機飛行路徑跟蹤，要求達到1-10m的距離分辨率和1-10m/s的速度分辨率。感知功能的實現是基于網絡物理資源。在通感一體化系統(tǒng)中，感知功能與通信功能共享物理資源，可根據業(yè)務場景需求進行時域、頻域、空域的資源動態(tài)管理和多維度復用。低空網絡需要具備靈活的資源配置能力，考慮不同應用場景的業(yè)務指標進行通信和感知資源分配，實現感知和通信資源的協同優(yōu)化，從而提高頻譜資源的利用效率，在保證通信性能的同時最大程度提升感知性能。

3. 智算功能

智算能力旨在為低空網絡提供可靠的智能計算功能，實現基于圖像、聲音及相關數據的智能處理，以支持低空系統(tǒng)中業(yè)務預測、故障診斷和飛行決策等功能。針對無人機獲得的傳感器數據、視頻數據進行智能計算和分析，提供無人機狀態(tài)異常檢測、非法入侵監(jiān)測等多樣化低空業(yè)務保障能力。通過對無人機等目標的特征提取與分析，實現目標種類的識別。通過對無人機的位置跟蹤以及其歷史運動軌跡的分析，預測其未來的軌跡及可能駐留的小區(qū)。低空網絡集成了無人機及用戶的基礎數據、無人切采集上報的數據、第三方服務數據等信息，要求網絡具備全面、高效、智能的數據處理和計算能力。智算功能的實現是基于算力資源，這很大程度上決定低空網絡服務的性能和效率。算力資源的分布和協同也將對低空網絡系統(tǒng)的時延產生決定性影響。因此，需要靈活調度計算資源、存儲資源以及網絡資源，實現云、邊、端協同的低空信息網絡。

04、 發(fā)展提速

去年以來，5G-A助力低空經濟發(fā)展明顯加速，全國多處啟動試點并完成驗證，5G-A通感一體賦能低空經濟已進入快速發(fā)展的新階段。2023年10月，在IMT-2020(5G)推進組的組織下，業(yè)界首個5G-A通感融合演示驗證測試完成，此次驗證采用了毫米波頻段和4.9GHz頻段，涵蓋室內和室外環(huán)境，驗證場景包括無人機、交通、入侵檢測、呼吸檢測等多種通感融合典型應用場景。

圖4 5G-A通感融合組網驗證，來源：IMT-2020(5G）推進組今年3月，全球首個5G-A智慧機場通感一體基站在云南保山云瑞機場建成開通。該項目將5G-A通感一體技術應用于防范機場入侵，能自動識別預警潛在的安全隱患，包括無人機、飛鳥、車輛和人員活動等。在杭州錢塘江邊、亞運村里、奧體中心旁的5G-A通感一體示范項目中，在錢塘江畔實現約3平方公里的連片覆蓋的通感一體化關鍵技術驗證，突破了通信感知融合、感知連片組網、自適應干擾協同、多模型智能融合，雷視聯動等關鍵技術瓶頸，實現了低空無人機飛行軌跡、速度、經緯度等飛行數據精確感知。同時，北京、海南、江西等省市均有大量的5G-A通感一體試驗項目陸續(xù)進行，無人機管理和低空經濟試點是大部分項目的核心，為進一步擴大規(guī)模應用奠定了基礎。

參考文獻

1. 《政府工作報告》，國務院，2024年

2. 《通感一體低空網絡白皮書》，中國電信，2024年

3. 《5.5G商用元年已來，新技術有望催生新場景》，招商證券研究所，2024年

4. 《2024中國低空經濟行業(yè)研究報告》，億歐智庫，2024年

5. 《低空網絡信息服務能力白皮書》，中國移動，2023年

6. 《高質量建設低空飛行服務保障體系》，宋志勇，2024年

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