无人机增强型LTE连接技术解析

# 无人机增强型 LTE 连接技术解析 ## 1. 无人机应用与 LTE 研究背景 无人机在当今社会具有巨大的社会经济效益潜力。它在自然灾害救援中发挥着重要作用，如在龙卷风、野火、飓风等灾害发生期间或之后，用于搜索、救援和恢复任务。同时，无人机的商业应用也在迅速发展，涵盖包裹配送、关键基础设施检查、监视、农业等领域。 为了充分发挥无人机应用的潜力，广域连接被认为是最关键的技术组件之一。特别是与超视距（VLOS）无人机的指挥和控制通信，对于无人机操作安全和执行航空规则至关重要。许多无人机应用场景都需要连接性，例如实时图像或视频的传输。 2017 年，3GPP 启动了一项关于增强型 LTE 对飞行器支持的研究。该研究聚焦于连接飞行器与连接地面设备的新方面，主要包括以下几点： - 传播信道特性 - 下行链路干扰 - 飞行器作为受害者 - 上行链路干扰 - 飞行器作为干扰源 - 切换性能 - 飞行器识别 研究得出结论，在 Release 15 之前的 LTE 网络已经能够为飞行中的无人机提供服务。然而，随着飞行无人机数量的增加，一些挑战也随之出现。因此，3GPP 在 Release 15 中采取行动，引入了增强功能，以更有效地服务无人机，并更好地管理未来更多飞行无人机连接到 LTE 网络时对地面设备的影响。Release 15 针对的是地面以上最大高度 300 米（AGL）、最大速度 160 公里/小时的飞行器。 ## 2. 传播信道特性 无人机所经历的传播信道特性与地面设备有很大不同。了解这种差异有助于深入认识潜在的无人机通信问题。 ### 2.1 视距（LOS）概率 当无人机处于建筑物和树木上方时，它与基站天线的视距（LOS）概率要大得多。在农村宏蜂窝环境中，随着无人机飞行高度的增加，LOS 概率也会增加。而当无人机远离基站时，其与基站天线之间的仰角减小，信号路径上出现障碍物的概率增加，从而导致 LOS 概率降低。 ### 2.2 路径损耗 在视距传播信道中，信号路径上没有物体导致穿透、折射、衍射和反射损耗，因此在相同距离下，其总路径损耗比非视距（NLOS）信道小。例如，在农村宏蜂窝环境中，50 米高度的无人机在视距信道下的路径损耗斜率比地面设备在非视距信道下的小。地面设备在距离基站 680 米处经历 110 dB 的路径损耗，而相同的路径损耗在无人机距离基站 7380 米时才会出现。 ### 2.3 基站天线模式 在蜂窝网络中，基站天线通常向下倾斜以提供良好的地面覆盖，这有助于减轻小区间干扰，但对于空中覆盖并非最优。以下是基站天线模式的相关特点： - **水平（方位角）天线模式**：以 8 个天线元件组成的列为例，扇形天线模式旨在在所需的扇形覆盖区域内提供足够的天线增益，该区域在水平方向上跨越以视轴（0°）为中心的某些方位角。相邻扇区之间有重叠区域，以确保地面设备在当前服务扇区信号强度下降之前能够切换到相邻扇区。 - **垂直天线模式**：天线向下倾斜 3°，视轴指向 87°仰角方向。在视轴上方小于 10°仰角处存在一个零点，该方向上的天线增益非常小，比峰值天线增益低 35 dB 以上。从零点进一步增加仰角，天线增益相对于零点有所增加，但仍比视轴方向的最高天线增益低 15 dB 以上。这些垂直旁瓣可以覆盖飞行在基站天线高度以上的无人机，尽管旁瓣中的天线增益比主瓣低 10 - 25 dB，但无人机在视距下经历的路径损耗降低可以弥补这种天线增益的降低。然而，天线模式在某些仰角处的零点给无人机通信带来了更大的挑战，当无人机在一定高度飞行一定距离时，仰角会发生变化，可能会进入当前服务小区的天线零点。 ## 3. 连接挑战 上述传播信道特性给无人机连接蜂窝网络带来了诸多挑战： ### 3.1 下行链路干扰 由于较高的 LOS 概率和降低的路径损耗，飞行在一定高度以上的无人机可能会从更多小区接收到信号强度良好的下行链路信号。除了服务小区的信号外，其他信号都会产生干扰，导致无人机成为小区间干扰的受害者，难以维持良好的下行链路信号与噪声加干扰比（SINR）。例如，在农村宏蜂窝场景下，假设所有小区都满载的最坏情况下，无人机的 SINR 比地面设备低得多。 ### 3.2 上行链路干扰 同样由于较高的 LOS 概率和降低的路径损耗，飞行在一定高度以上的无人机的上行链路信号可能会到达更多小区，对许多小区造成干扰。一些无人机应用场景需要无人机传输较大的上行链路有效载荷，如视频流量，这会显著降低网络的上行链路容量。以下表格展示了不同无人机密度对地面设备上行链路性能的影响： | 每小区提供的流量 [Mbps] | 无人机密度 | 资源利用率 [%] | 第 5 百分位地面用户吞吐量 [Mbps] | 中等地面用户吞吐量 [Mbps] | 平均地面吞吐量 [Mbps] | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | 3.85 | 无无人机（Case 1） | 20.00 | 7.59 | 20.20 | 18.17 | | 3.85 | 每 10 个扇区 1 架无人机（Case 2） | 20.00 | 7.59 | 20.00 | 18.06 | | 3.85 | 每个扇区 1 架无人机