隨著低空經(jīng)濟(jì)的興起，5G在構(gòu)建低空智能生態(tài)、助力低空產(chǎn)業(yè)“騰飛”方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。當(dāng)前，5G網(wǎng)絡(luò)主要是針對(duì)地面場(chǎng)景而設(shè)計(jì)，基站天線通常架設(shè)在高處，通過設(shè)定一定的下傾角實(shí)現(xiàn)“由上向下”的輻射，將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)集中覆蓋地面目標(biāo)區(qū)域。低空區(qū)域并非當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)覆蓋區(qū)域，因此，如何提供低空區(qū)域高質(zhì)量的5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，已成為5G賦能低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展亟待解決的重要課題。
低空信號(hào)覆蓋的難點(diǎn)
移動(dòng)通信基站發(fā)射的無線信號(hào)本質(zhì)上是一種電磁波，而電磁波在空間傳播過程中主要會(huì)產(chǎn)生以下三類損耗。空間傳播損耗（路徑衰落）是無線信號(hào)在空間傳播過程中因介質(zhì)特性而產(chǎn)生的一種損耗。這種損耗主要由空氣、水汽、云層等介質(zhì)的吸收、散射和衰減作用引起，損耗程度與傳輸距離、信號(hào)頻率均成正比。因此，當(dāng)信號(hào)傳播距離增大或頻率升高時(shí)，空間傳播損耗將顯著增加。
多徑傳播損耗（快衰落）是無線信號(hào)在傳播過程中因反射、折射、繞射等現(xiàn)象而產(chǎn)生的一種損耗。當(dāng)信號(hào)傳播存在多條路徑時(shí)，這些路徑上的信號(hào)在接收端會(huì)有不同的相位和幅度，導(dǎo)致信號(hào)疊加時(shí)發(fā)生干涉現(xiàn)象，進(jìn)而造成傳輸質(zhì)量下降。
這種損耗在城市復(fù)雜環(huán)境下尤為突出。衰減損耗（慢衰落）是無線信號(hào)在傳輸過程中因材料吸收、散射以及傳輸介質(zhì)中的雜散物質(zhì)等因素導(dǎo)致的一種損耗。不同材料對(duì)于不同頻率的信號(hào)具有不同的衰減特性，如混凝土、金屬等材料對(duì)高頻信號(hào)有較大的衰減作用。在實(shí)際傳播環(huán)境中，建筑物等障礙物也會(huì)引起一定程度的信號(hào)衰減（如表1所示）。
隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，5G網(wǎng)絡(luò)通過波束賦形等技術(shù)在一定程度上降低了多徑傳播損耗。同時(shí)，由于5G網(wǎng)絡(luò)在城區(qū)的站間距更小（通常僅為幾百米），也有效降低了空間傳播損耗，因此，在地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋中，衰減損耗成為更為重要的影響因素。
在低空區(qū)域，由于空曠、無遮擋，無線信號(hào)的主要損耗是空間傳播損耗。相比于地面網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)衰減會(huì)大幅減少。盡管基站天線設(shè)置了下傾角，但天線上旁瓣輻射信號(hào)仍然會(huì)覆蓋低空區(qū)域，加之傳播損耗小，很容易出現(xiàn)多個(gè)基站信號(hào)重疊覆蓋的情況，導(dǎo)致嚴(yán)重的干擾。
表1 無線信號(hào)穿透損耗測(cè)量值（dB）
在某城區(qū)基于現(xiàn)網(wǎng)3. 5GHz頻段5G網(wǎng)絡(luò)的低空實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)網(wǎng)基站工參配置下，低空120m高度處的5G信號(hào)強(qiáng)度表現(xiàn)較好，RSRP（參考信號(hào)的接收功率）普遍高于-95dBm，但SINR（信噪比）表現(xiàn)較差，高于-3dB的比例僅為84.5%，同時(shí)誤碼率也高達(dá)13.6%。由此可見，低空區(qū)域5G信號(hào)覆蓋的電平絕對(duì)值并非瓶頸所在，主要問題在于同頻干擾導(dǎo)致的信噪比較差。因此，低空區(qū)域5G信號(hào)覆蓋需要解決的核心問題是如何形成主導(dǎo)覆蓋，以提升信噪比。
低空信號(hào)覆蓋的解決方案
由于低空區(qū)域空曠、無遮擋，電磁波信號(hào)很難得到有效衰減，因此通過消除雜亂信號(hào)解決同頻干擾問題的路徑很難實(shí)現(xiàn)。并且現(xiàn)有天線技術(shù)上旁瓣信號(hào)抑制能力有限，在確保地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的前提下，也不太可能對(duì)天線工參進(jìn)行大幅度的調(diào)整，因此從源頭上消除雜亂信號(hào)以解決同頻干擾問題的路徑同樣很難實(shí)現(xiàn)。
既然無法有效解決低空區(qū)域來自地面網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾問題，采用異頻覆蓋便成為可行的解決方案。異頻覆蓋的前提是具備與地面網(wǎng)絡(luò)不同的可用異頻資源，這需要從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)層面進(jìn)行頻率使用規(guī)劃，可能涉及現(xiàn)有頻率規(guī)劃的調(diào)整或新增頻率的申請(qǐng)。以中國(guó)電信為例，在中國(guó)電信與中國(guó)聯(lián)通5G共建共享的背景下，3.5GHz頻段有2個(gè)100MHz可用帶寬，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行靈活使用；同時(shí)，申請(qǐng)5G毫米波頻段也是值得考慮的選項(xiàng)。
覆蓋方案
在低空異頻覆蓋的實(shí)施方面，基于5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備性能和技術(shù)特性，可以采用以下三種解決方案（如表2所示）。
表2 低空5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的三種解決方案
一是設(shè)備專用模式。為低空覆蓋建設(shè)專用基站，將A AU（有源天線單元）或RRU（遠(yuǎn)端射頻單元）天線的機(jī)械傾角配置為負(fù)值，實(shí)現(xiàn)面向低空的定向覆蓋。該模式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備專網(wǎng)專用，傾角可獨(dú)立按需調(diào)整，不受地面網(wǎng)絡(luò)約束；提供獨(dú)立的空口容量，確保良好的網(wǎng)絡(luò)性能和業(yè)務(wù)體驗(yàn)。其缺點(diǎn)是需要新增軟硬件設(shè)備，建網(wǎng)成本高、周期長(zhǎng)，且資源利用率低。
二是載波專用模式。為低空覆蓋配置專用載波，例如，地面網(wǎng)絡(luò)使用3.5GHz頻段、低空網(wǎng)絡(luò)使用3.4GHz頻段，兩個(gè)100MHz帶寬分別覆蓋地面和低空。該模式的優(yōu)點(diǎn)是可復(fù)用現(xiàn)網(wǎng)AAU設(shè)備，無需新增硬件，獨(dú)立載波可提供獨(dú)立的空口容量，建網(wǎng)成本較設(shè)備專用模式低。該模式的缺點(diǎn)是低空網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)共用AAU時(shí)，機(jī)械傾角需兼顧地面和低空覆蓋，通常設(shè)置為0度，地面和低空分別通過調(diào)整波束數(shù)字傾角控制覆蓋區(qū)域，導(dǎo)致可調(diào)范圍受限；單AAU開通雙載波后，若原單載波時(shí)AAU滿功率發(fā)射，則開通雙載波后原載波功率將減半，可能影響地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋；獨(dú)立載波需新增邏輯小區(qū)，會(huì)增加建設(shè)成本，同時(shí)獨(dú)立載波資源專用可能導(dǎo)致資源利用率偏低。
三是SSB（單邊帶調(diào)制）波束專用模式。在沒有可用獨(dú)立載波的情況下，可選擇地面網(wǎng)絡(luò)的其中一個(gè)頻點(diǎn)，配置部分SSB波束朝向低空覆蓋，以形成一定范圍的主導(dǎo)覆蓋。SSB波束的配置取決于設(shè)備廠家基站的能力和實(shí)現(xiàn)方式，不同廠家設(shè)備的低空覆蓋波束配置存在差異。以華為設(shè)備為例，對(duì)于采用3.5GHz頻段的5G地面網(wǎng)絡(luò)，通常配置7個(gè)SSB水平波束進(jìn)行地面覆蓋，波束垂直半功率角為6度；在低空?qǐng)鼍跋拢赏ㄟ^調(diào)整波束數(shù)字傾角實(shí)現(xiàn)0#、2#、4#、6#號(hào)波束對(duì)地，1#、3#、5#號(hào)波束對(duì)空，或者配置7個(gè)SSB波束的垂直半功率角為12度，機(jī)械和數(shù)字傾角均為0度，此時(shí)上面6度對(duì)空、下面6度對(duì)地，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)波束兼顧空地覆蓋需求。中興通訊設(shè)備支持SSB波束“1+X”特性，其中“1”表示提供水平基礎(chǔ)覆蓋的寬波束，“X”表示提供垂直面拓展覆蓋的窄波束或?qū)挷ㄊ琗波束的數(shù)量可以根據(jù)需要配置為0、1、2或3個(gè)，可以將1波束用于地面覆蓋，X波束則通過配置數(shù)字傾角實(shí)現(xiàn)低空覆蓋。
該模式的優(yōu)點(diǎn)是能復(fù)用現(xiàn)網(wǎng)的軟硬件資源，僅需通過參數(shù)調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)，因此成本低、組網(wǎng)速度快。該模式的缺點(diǎn)是與地面網(wǎng)絡(luò)共用AAU時(shí)，機(jī)械傾角須兼顧地面和低空的覆蓋需求，通常設(shè)置為0度，地面和低空分別通過調(diào)整波束數(shù)字傾角控制覆蓋區(qū)域，導(dǎo)致可調(diào)范圍受限；地面和低空共享同一個(gè)邏輯小區(qū)的空口容量，存在資源搶占的風(fēng)險(xiǎn)，網(wǎng)絡(luò)性能和業(yè)務(wù)體驗(yàn)保障難度較大；地面網(wǎng)絡(luò)波束數(shù)量的減少可能影響局部區(qū)域的覆蓋質(zhì)量。
總體而言，上述三種模式均有其適用的場(chǎng)景，在建設(shè)成本、性能體驗(yàn)、空地協(xié)同等方面各有優(yōu)劣，須結(jié)合網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、業(yè)務(wù)需求、投資預(yù)算等多方因素進(jìn)行綜合評(píng)估，因地制宜地選擇合適的部署模式。
駐留方案
采用低頻覆蓋低空，無論選擇哪種模式，都不可避免地涉及地空網(wǎng)絡(luò)協(xié)同問題。由于地面網(wǎng)絡(luò)的無線信號(hào)在低空區(qū)域依然存在，為確保低空用戶優(yōu)先占用低空異頻信號(hào)，并有效規(guī)避地面同頻信號(hào)的干擾，需要分別對(duì)空閑態(tài)、連接態(tài)進(jìn)行互操作設(shè)計(jì)。
在空閑態(tài)下，終端通過重選機(jī)制決定占用哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)和頻段，該機(jī)制主要取決于載頻優(yōu)先級(jí)和信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)3GPP協(xié)議規(guī)定，在空閑態(tài)由低優(yōu)先級(jí)向高優(yōu)先級(jí)載頻重選時(shí)，終端將持續(xù)測(cè)量高優(yōu)先級(jí)載頻，一旦達(dá)到門限即可重選；而由高優(yōu)先級(jí)向低優(yōu)先級(jí)載頻重選時(shí)，終端需要首先達(dá)到異頻測(cè)量門限，即當(dāng)前服務(wù)載頻的RSRP低于設(shè)定門限才能啟動(dòng)異頻測(cè)量，且需要滿足當(dāng)前服務(wù)載頻的RSRP小于設(shè)定門限、異頻的RSRP大于設(shè)定門限兩個(gè)條件才能完成重選。顯然，將低空覆蓋載頻設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)更有利于終端重選。該設(shè)置適用于設(shè)備專用和載波專用模式，但在SSB波束專用模式下，由于需要兼顧地面和低空覆蓋，可能導(dǎo)致地面用戶更容易重選至該載頻，帶來容量壓力，因此不建議采用這種設(shè)置方式。
在連接態(tài)下，終端通過切換機(jī)制維持載頻間的業(yè)務(wù)連續(xù)性，對(duì)于同系統(tǒng)內(nèi)的載頻間切換，一般推薦使用“A2+A5”事件觸發(fā)。A2事件用于觸發(fā)異頻測(cè)量，其規(guī)則是當(dāng)前服務(wù)載頻的RSRP低于設(shè)定門限。A5事件用于觸發(fā)切換判決，其規(guī)則是當(dāng)前服務(wù)載頻的RSRP低于設(shè)定門限1，且目標(biāo)載頻的RSRP高于設(shè)定門限2。以地面3.5GHz主覆蓋、低空3.4GHz主覆蓋為例，當(dāng)無人機(jī)在地面起飛時(shí)占用3.5GHz載頻，為使其升空后盡快切換至3.4GHz載頻，應(yīng)將3.5GHz向3.4GHz切換的A2門限設(shè)置較高（如A2<-70dBm），以便快速啟動(dòng)異頻測(cè)量；同時(shí)，A5門限應(yīng)將門限1設(shè)高、門限2設(shè)低（如門限1<-70dBm、門限2>-106dBm），以便快速觸發(fā)切換判決。當(dāng)無人機(jī)飛行時(shí)，應(yīng)盡量保持占用3.4GHz載頻，避免切換到同頻干擾嚴(yán)重的3.5GHz載頻。此時(shí)，應(yīng)將3.4GHz向3.5GHz切換的A2門限設(shè)置較低（如A2<-110dBm），以避免啟動(dòng)不必要的異頻測(cè)量；同時(shí)，A5門限應(yīng)將門限1設(shè)低、門限2設(shè)高（如門限1<-110dBm、門限2>-80dBm），以避免觸發(fā)不必要的切換判決。
在連接態(tài)下，除了通過異頻切換策略保證終端盡量保持在低空覆蓋載頻外，還要避免低空覆蓋載頻信號(hào)被其他終端占用時(shí)產(chǎn)生的空口資源搶占問題。尤其是在SSB波束專用模式下，由于空地共享容量，低空終端和地面用戶終端共享空口資源，當(dāng)載波負(fù)荷較高時(shí)容易出現(xiàn)資源爭(zhēng)搶。為確保低空終端的業(yè)務(wù)質(zhì)量，可通過專用切片或QoS（服務(wù)質(zhì)量）策略進(jìn)行保障，例如，為低空終端用戶配置獨(dú)立的5QI（5G服務(wù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)符），設(shè)置較高的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，使其具備資源搶占能力，從而確保不被其他終端搶占資源。
低空信號(hào)覆蓋的實(shí)踐案例
對(duì)于設(shè)備專用和載波專用模式，基站配置和工程實(shí)施相對(duì)明確。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)空地兼顧的SSB波束專用模式進(jìn)行試點(diǎn)驗(yàn)證。在某城市選擇試點(diǎn)區(qū)域，該區(qū)域地面網(wǎng)絡(luò)主要采用3.5GHz載頻覆蓋，且作為熱點(diǎn)區(qū)域已開通3.4GHz、3.5GHz兩個(gè)5G載頻，故選擇3.4GHz為空地兼顧載頻，具體試點(diǎn)方案配置如表3所示。
表3 某市試點(diǎn)方案主要參數(shù)配置
基于上述方案，現(xiàn)網(wǎng)的波束±3dB點(diǎn)范圍是9—15度。受限于試點(diǎn)設(shè)備支持的SSB波束數(shù)字傾角范圍為-2—9度，方案一對(duì)地的波束±3dB點(diǎn)范圍是3—9度、對(duì)空的波束±3dB點(diǎn)范圍是-5—1度；方案二的波束±3dB點(diǎn)范圍是-6—6度。可以看出，對(duì)空覆蓋的上3dB點(diǎn)方案一是-5度、方案二是-6度，兩者較為接近。
在駐留策略方面，為低空終端配置5QI 70，重選策略同地面網(wǎng)絡(luò)保持一致，切換策略采用“A 2+A5”機(jī)制。其中，3.5GHz向3.4GHz切換配置為A2&A5_1門限-70dBm，A5_2門限-106dBm，切換容易；3.4GHz向3.5GHz切換配置為A2&A5_1門限-110dBm，A5_2門限-80dBm，切換比較難。
在低空120米高度進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和速率測(cè)試，結(jié)果如表4所示。
表4 某市試點(diǎn)方案120m高度的測(cè)試結(jié)果
試點(diǎn)區(qū)域低空測(cè)試結(jié)果表明，SSB波束專用模式顯著改善了低空5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，尤其是信噪比指標(biāo)提升明顯，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率提升了約13個(gè)百分點(diǎn)；上下行速率均保持較好水平，其中上行速率≥25Mbit/s的占比達(dá)98%以上，能夠滿足無人機(jī)等應(yīng)用的上行數(shù)據(jù)回傳需求。
由于SSB波束專用模式采用空地共享載波，因此試驗(yàn)也對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的影響進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果如表5所示。試點(diǎn)區(qū)域地面測(cè)試結(jié)果表明，SSB波束專用模式對(duì)地面5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量未產(chǎn)生明顯影響，網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量和速率指標(biāo)表現(xiàn)平穩(wěn)，較好地實(shí)現(xiàn)了空地網(wǎng)絡(luò)兼顧的目標(biāo)。
表5 某市試點(diǎn)方案地面測(cè)試結(jié)果
結(jié)語
針對(duì)低空5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，本文提出了設(shè)備專用、載波專用、SSB波束專用三種解決方案，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置和空地協(xié)同相對(duì)復(fù)雜的SSB波束專用模式進(jìn)行了試點(diǎn)驗(yàn)證，測(cè)試表明，該模式較好地實(shí)現(xiàn)了低空5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋及空地網(wǎng)絡(luò)協(xié)同。三種模式各有優(yōu)劣，適用于不同場(chǎng)景，可根據(jù)低空經(jīng)濟(jì)具體場(chǎng)景和現(xiàn)網(wǎng)配置情況因地制宜地選擇合適的部署模式。本文研究課題主要滿足了低空通信需求。隨著低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，針對(duì)無人機(jī)等“低慢小”航空器的監(jiān)管需求日益凸顯，5G-A“通感算一體”技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，后續(xù)將圍繞低空“通感算一體”技術(shù)的部署和應(yīng)用展開研究實(shí)踐。(作者：劉通 但德東 陳大明)
