5G低空网络部署研究

孙 一，吴 威，潘文苹，赵 静

（河南省信息咨询设计研究有限公司，河南 郑州 450000）

1 5G低空网络覆盖需求分析

2013年，全球民用无人机市场规模约20亿美元，之后的5年在消费级无人机的带动下，行业基本保持着每年35%以上的同比增速稳步成长。自2018年起，伴随工业级无人机应用的兴起，民用无人机市场进入爆发式增长期，在2020年前后增速达到顶峰。预计到2025年，全球民用无人机市场规模将达到1 475亿美元，年均复合增长率达43%。

预计到2025年，我国民用无人机市场产值将达到1 800亿人民币，约占全球无人机市场份额的17.5%。工业级无人机行业应用服务将占据市场的绝对份额，市场规模达1 500亿元人民币，其中农林植保、安防巡检、测绘以及物流将成为我国无人机行业应用的主要场景[1]。

随着民用无人机的快速发展，行业应用对无人机数据链提出了越来越高的要求。5大低空无人机通信链路技术对比分析如表1所示。对比现有的5大低空无人机通信链路技术可以看出，基于移动网络的通信链路技术具有明显的优势。尤其是5G网络采用的Massive MIMO技术，具有大带宽、低时延、高可靠以及大连接的特点，将成为无人机数据传输链路新的解决方案[2]。

表1 5大低空无人机通信链路技术对比分析

2 5G低空网络多方案链路预算分析

从行业实际应用要求的角度出发，评估5G低空网络对空组网的通用性能因素，计划在某地建设5G低空应用测试空域。其中，测试空域主要用于满足5G行业应用无人机、通航飞机以及直升机的测试场景模拟，计划覆盖高度100～1 000 m（间隔100 m），边缘速率应达到20 Mb/s。这样可以模拟任何一种无人机和通航飞机行业应用的实际场景，也为估算5G对空覆盖的传输模型提供了条件。测试空域主要提供模拟巡线和物流应用场景，计划长度50 km，高度3 000 m。由于主要用于物流无人机，因此对边缘速率要求不高，1 Mb/s的边缘速率已经可以完全满足要求。该测试空域除测试外，也计划用于实际的无人机物流运输。

5G低空网络规划的流程包括网络规划需求分析、网络链路预算、规模估算、站址选择、覆盖容量仿真以及无线参数规划等步骤。其中，链路预算能够获得网络覆盖范围，评估无线通信系统的覆盖能力，是网络建设初期的重要任务。链路预算的结果直接影响网络建设成本和运营性能，对无线网络规划具有重要的指导作用[3]。

5G低空网络多方案链路预算通过对比Uma-NLOS以及Aster射线跟踪模型，选取不同频率和收发能力的设备进行链路覆盖能力分析，从而得到最适合5G低空覆盖的空间模型。以64T64R为例的Uma-NLOS和Aster射线跟踪模型如表2所示。

表2 Uma-NLOS和Aster射线跟踪模型（以64T64R为例）

图1、图2、图3、图4、图5和图6分别为100 m、500 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m高度5G低空速率仿真结果，面区域95%覆盖率对应的边缘速率如表3所示，线区域3 000 m高度上行速率仿真统计结果如表4所示。从输出结果可以看出，5G低空覆盖效果。

图1 100 m高度仿真结果

图2 500 m高度仿真结果

图3 1 000 m高度仿真结果

图4 1 000 m高度仿真结果

图5 2 000 m高度仿真结果

图6 3 000 m高度仿真结果

表3 面区域95%覆盖率对应的边缘速率

表4 线区域3 000 m高度上行速率仿真统计结果

从仿真结果可以看出，无人机飞行高度在100～1 000 m，上行速率大于20 Mb/s的覆盖率满足95%。无人机飞行高度3 000 m，上行速率大于6 Mb/s的覆盖率超过93%。

3 5G低空覆盖快速部署方案

根据5G低空网络多方案链路预算分析结果，结合某地现网4G基站分布情况，最终提出5G低空覆盖选用3.5 GHz频段64T64R 5G NR设备进行网络覆盖部署。考虑到3.5 GHz频段后续的eMBB网络建设带来的邻区干扰，额外预留2～3 dB的余量。实际覆盖半径按照5～6 km估算，站间距按照7.5～10 km估算。对于线状覆盖区域，可以考虑AAU背向对打；对于面状覆盖区域，建议按照1站3扇区进行站址规划。研究结果应用于某地5G低空网建设，建设站点如图7所示，其中圆形图标为现网4G站点，三角形图标为选中5G低空覆盖站点。

图7 某地5G低空覆盖建设站点示意图

4 结 论

本文对比现有5大低空无人机通信链路技术，确定选用5G技术可以满足无人机低空需求；对比Uma-NLOS和Aster射线跟踪模型，选取不同频率和不同收发能力设备进行链路覆盖能力计算，最终提出选用3.5 GHz频段64T64R 5G NR设备用于5G低空网络覆盖。该研究结果应用于某地5G低空网建设获取了5G低空网络无线空中传输模型，积累了5G低空网络建设经验，促进了5G技术更好地应用于无人机行业。