【NR技术】 3GPP支持无人机的关键技术以及场景

1 背景

  人们对使用蜂窝连接来支持无人机系统(UAS)的兴趣浓厚，3GPP生态系统为UAS的运行提供了极好的好处。无处不在的覆盖范围、高可靠性和QoS、强大的安全性和无缝移动性是支持UAS指挥和控制功能的关键因素。与此同时，监管机构正在调查安全和性能标准以及注册和许可计划，以开发一个功能良好的私人和民用无人机生态系统，该生态系统可以安全地与商业空中交通、公共和私人基础设施以及一般人群共存。
  3GPP系统可以为无人机系统提供控制平面和用户平面通信服务。可以提供给UAS生态系统的服务示例包括用于指挥和控制(C2)的数据服务、远程信息处理、UAS生成的数据、远程识别以及UAS操作的授权、执行和监管。

2 名词定义

  地面以上(AGL):在无人机的上下文中，它是UAV高度参考附近的地面水平。
  指挥与控制(C2)通信:用户平面链路，用于在无人机控制者与无人机之间传递无人机运行指挥与控制信息的消息。
  无人机系统(UAS):由无人机(UAV)和相关功能组成，包括无人机和控制器之间的指挥和控制(C2)链接，无人机和网络，以及用于远程识别。无人机系统由无人机和无人机控制器组成。
  注:一架无人机可以由不同的无人机控制器控制，但在任何给定时间，一架无人机只受一个无人机控制器控制。确保哪个无人机控制器处于活动状态和控制无人机的机制超出了3GPP的范围。
无人驾驶航空系统交通管理(UTM):一套用于管理一系列自动驾驶操作的功能和服务。
  无人机控制器:无人机控制器使无人机驾驶员能够控制无人机。
  UxNB:机载无人机无线接入节点。它是一个无线接入节点，提供ue的连接，由一架无人驾驶飞行器(UAV)在空中携带。

3 无人机概述

  无人驾驶航空系统(UAS)是无人驾驶飞行器(UAV)(有时称为无人机)和无人机控制器的组合。在某些情况下，无人机是一种没有人类飞行员的飞机。无人机可以由操作员通过无人机控制器进行控制，并且将具有一系列自主飞行能力。无人机与无人机控制器之间的通信系统，在本规范范围内，在某些场景下，由3GPP系统提供。UAS模型还考虑了无人机控制器通过3GPP范围之外的机制与无人机通信的场景。
  无人机的尺寸和重量范围从通常用于娱乐目的的小型轻型飞机到通常更适合商业应用的大型重型飞机。监管要求在这个范围内各不相同，并在区域基础上有所不同。
  UAS的通信需求既包括指挥和控制(C2)，也包括UAS组件与服务3GPP网络和网络服务器之间的上行和下行数据。
  无人机系统交通管理(UTM)用于提供一系列服务，以支持无人机及其运营，包括但不限于无人机识别和跟踪、授权、执行、无人机运营监管，以及存储无人机运营所需的数据。它也允许授权用户(例如，空中交通管制，公共安全机构)查询一架无人机及其无人机控制器的身份和元数据。

3.1 C2 通信

  当使用3GPP网络作为支持UAS服务的传输网络时，考虑以下C2通信通过保证C2通信的QoS来提供UAS服务:
  直接C2通信:无人机控制器与无人机建立直接C2链路相互通信，并利用5G网络提供的配置和调度的无线资源注册到5G网络，进行直接C2通信。
  网络辅助C2通信:无人机控制器和无人机分别注册并建立到5G网络的单播C2通信链路，通过5G网络相互通信。此外，无人机控制器和无人机都可以通过不同的NG-RAN节点注册到5G网络。5G网络需要支持机制来处理C2通信的可靠路由。
  UTM导航的C2通信:无人机已经为自主飞行提供了预定的飞行计划，例如四维多边形阵列，但是UTM仍然与无人机保持着C2通信链路，以便定期监控无人机的飞行状态，用最新的动态限制验证飞行状态，提供路线更新，并在必要时导航无人机。
  一般来说，直接C2通信和网络辅助C2通信由人工操作员使用无人机控制器使用。UTM导航的C2通信用于UTM提供已清除的飞行路线和航线更新。为了保证无人机运行中C2通信的服务可用性和可靠性，特别是当无人机超视距飞行时，从无人机控制器或UTM到无人机的任何C2通信链路都可以建立冗余的C2通信链路。
  出于可靠性和服务可用性的考虑，可以激活多个C2通信，其中一个作为C2通信的备份链路，或者在适用于C2通信的链路之间切换。
  —例如，可以先使用直接C2通信，待无人机进行BLOS飞行时，再切换到网络辅助C2通信。
  -例如，UTM导航的C2通信可以在需要时使用，例如用于空中交通管制，无人机正在接近无无人机区域，并检测到潜在的安全威胁等。
  针对无人机的操作，C2通信中考虑了四种控制模式，在消息间隔、大小和端到端延迟等方面有不同的要求，包括转向航路点、直接操纵杆转向、UTM自动飞行和接近自主导航基础设施。
  -转向航路点:控制消息包含飞行声明，例如航路点，从无人机控制器或UTM发送到无人机。控制方式既可用于直接C2通信，也可用于网络辅助C2通信。
  -直接操纵杆转向:控制信息包含从无人机控制器发送给无人机的方向指令，同时可选的视频流量作为无人机向无人机控制器的反馈。控制方式既可用于直接C2通信，也可用于网络辅助C2通信。
  -UTM自动飞行:控制信息包含预先设定的飞行计划，例如四维多边形阵列，从UTM发送给无人机，无人机随后自主飞行并定期报告位置。该控制方式用于utm导航的C2通信。
  -接近自主导航基础设施:控制信息包含方向指令，例如从UTM到无人机的航路点，高度和速度。当无人机着陆/起飞时，UTM与自主导航基础设施更紧密地协调，例如垂直机场或包裹配送中心。该控制方式用于utm导航的C2通信。

4 无人机远程识别要求

4.1 通用要求

（1）3GPP系统应该使UTM能够关联无人机和无人机控制器，并且UTM能够将它们识别为无人机。
（2） 3GPP系统应能够向UTM提供无人机系统的身份。
（3）3GPP系统应使无人机能够向UTM发送无人机数据，这些数据可以包含:唯一身份(这可能是3GPP身份)、无人机的UE能力、制造商和型号、序列号、起飞重量、位置、所有者身份、所有者地址、所有者联系方式、所有者认证、起飞位置、任务类型、航线数据、运行状态。
（4） 3GPP系统应使无人机能够向UTM发送无人机控制器数据，这些数据可以包含:唯一身份(这可能是3GPP身份)、无人机控制器的UE能力、位置、所有者身份、所有者地址、所有者联系方式、所有者认证、无人机操作员身份、无人机操作员执照、无人机操作员证书、无人机飞行员身份、无人机飞行员执照、无人机飞行员证书和飞行计划。
（5）3GPP系统应使UAS能够根据应用于UAS的不同认证和授权级别向UTM发送不同的UAS数据。
注0:根据地区规定，不同的认证授权级别可以是:初始网络接入认证授权、无人机身份认证、无人机飞行计划授权、附加UTM业务认证，如飞行监控、防撞服务等。
（6）随着UTM及其未来支持应用的发展，3GPP系统应支持扩展发送到UTM的UAS数据的能力。
（7）基于规定和安全保护，3GPP系统应允许UAS向UTM发送标识符，标识符可以是IMEI、MSISDN、IMSI或IP地址。
（8） 3GPP系统应使UAS中的UE能够向UTM发送以下标识符:IMEI, MSISDN或IMSI，或IP地址
（9）3GPP系统应该使MNO能够通过以下方式增加发送到UTM的数据:无人机和无人机控制器的基于网络的定位信息。
注1:这种增强可能是基于信任的(即MNO通知UTM无人机位置信息是可信的)，也可能是基于网络信息的附加位置信息，如OTDOA、蜂窝坐标、同步源等。
注2:此要求不适用于UAS与UTM不经过MNO直接控制通信连接的情况，如OTDOA、小区坐标、同步源等。
（10） 3GPP系统应使UTM能够将运营授权的结果通知移动运营商。
（11） 3GPP系统应使MNO仅在存在适当订阅信息的情况下才允许UAS授权请求。
（12）3GPP系统应使无人机能够用无人机及其无人机控制器的实时位置信息更新UTM。
（13） 3GPP网络应该能够向UTM提供无人机及其控制器的补充位置信息。
注3:这种补充可以是基于信任的(即MNO通知UTM无人机位置信息是可信的)，也可以是基于网络信息的附加位置信息。
（14）3GPP网络应支持无人机，相应的无人机控制器同时连接不同的plmn。
（14a）3GPP系统应支持无人机，相应的无人机控制器同时连接不同的plmn。
（15）3GPP系统应为网络提供获取无人机信息的能力，以支持为无人机操作而设计的3GPP通信能力。
（16） 3GPP系统应支持UAS识别和订阅数据，这些数据可以区分UAS与支持UAS的UE以及UAS与不支持UAS的UE。
注4:支持UAS的终端是指支持UTM交互能力和3GPP为UAS提供的某些通信特性的终端。
（17） 3GPP系统应支持UTM检测未经授权操作的无人机。
注5:上述要求涵盖的场景为FFS。
（18） 5G系统应能够检测到连接的终端是机载的，当终端没有空中订阅。
（19）5G系统应能够支持一种机制，使网络运营商能够跟踪没有空中订阅的机载连接UE。
（20）基于运营商和UTM策略，5G系统应能够向UTM提供机载UE的位置和3GPP标识，以满足UTM的请求。
注6:预计UTM将使用3GPP标识和终端位置来确定包含终端的机载物体的位置。

4.2 无人机传输管理

注意:以下要求对集中式和分散式UTM都有效。
（1）3GPP系统应为UTM提供向无人机提供航线数据以及飞行许可的机制。
（2）3GPP系统应能够以小于500ms的延迟将从UTM接收到的路由修改信息发送到UAS。
（3） 3GPP系统应能够以小于500毫秒的延迟将从UTM接收到的通知发送到无人机控制器。
（4）基于MNO政策和/或监管要求，3GPP系统应使UTM能够接管用于控制无人机的通信。
非集中的无人机系统传输管理
（1） 3GPP系统应使无人机能够广播以下数据，以识别近距离区域内的无人机，以避免碰撞:例如，根据不同的法规要求，无人机类型，当前位置和时间，飞行路线信息，当前速度，运行状态等需要的无人机身份。
（2） 3GPP系统应能够支持无人机通过网络连接向其他无人机发送信息，以识别自己是无人机。
（3）3GPP系统应使无人机能够在其身份信息广播中保护无人机所有者、无人机飞行员和无人机操作员的隐私。
（4） 3GPP系统应使一架无人机能够在短距离内从其他无人机接收本地广播通信传输服务。
（5）无人机应能够在3GPP网络覆盖范围内或覆盖范围外使用直接无人机到无人机的本地广播通信传输服务。
（6）当发送和接收无人机由相同或不同的plmn提供服务时，无人机应能够使用直接的无人机到无人机本地广播通信传输服务。
（7）3GPP系统应以高达320公里/小时的相对速度支持直接无人机到无人机的本地广播通信传输服务。
（8）3GPP系统应支持无人机到无人机的直接本地广播通信传输服务，具有50-1500字节的可变消息有效载荷，不包括与安全相关的消息组件。
（9） 3GPP系统应支持直接无人机到无人机的本地广播通信传输服务，支持最大600米的范围。
（10） 3GPP系统应支持直接无人机到无人机的本地广播通信传输服务，该服务可以以每秒至少10条消息的频率传输消息。
（11）3GPP系统应支持直接无人机到无人机的本地广播通信传输服务，该服务可以以最多100ms的端到端延迟传输消息。
安全
（1）3GPP系统应保护UAS和UTM之间的数据传输。
（2）3GPP系统应防止UAS身份的欺骗攻击。
（3）3GPP系统应允许在应用层的UAS和UTM之间发送的数据不可否认。
（4）3GPP系统应支持为UAS和UTM之间的不同连接以及通过这些连接传输的数据提供不同级别的完整性和隐私保护的能力。
（5）3GPP系统应支持与无人机系统和个人可识别信息相关的身份保密保护。
（6）3GPP系统应支持UAS流量的监管要求(例如合法拦截)。

5 无人机使用要求

5.1 概述

  除了无人机相关需求之外，3GPP还可以通过在各种商业和政府部门使用低空无人机来支持广泛的应用和场景。3GPP系统支持各种无人机应用的新服务水平要求和关键KPI指标已被确定和指定，例如与指挥和控制(C2)、有效载荷(如摄像头)和机载无人机无线电接入节点操作相关的服务要求和关键KPI指标。

5.2 无人机服务的网络监控

（1） 3GPP系统应提供允许第三方请求和获取无人机状态信息(例如，无人机位置、通信链路状态)的实时监控手段。
（2）根据运营商的政策，3GPP系统应提供向第三方提供有关无人机在特定地理区域和/或特定时间的服务状态信息的方法。
注:服务状态是指网络是否能够向无人机提供具有一定QoS的通信服务。
（3）根据运营商的政策，5G系统应能够支持一种预测、监控网络状况和QoS(例如比特率、延迟、可靠性)的方法，并在无人机预期飞行持续时间的特定时间，沿着连续的地理规划飞行路径向第三方报告。

5.3 无人机机载ue的使用限制

（1）3GPP网络应能够支持UE机载无人机基于网络的3D空间定位(例如，高度30~300m)。
（2）3GPP系统应能够在无人机机载终端进入未授权终端提供连接服务的区域(例如，由于海拔高度)之前，通知授权第三方连接服务可能停止。

5.4 UxNB的要求

（1）5G系统应能够支持UxNB，以提供增强和更灵活的无线覆盖。
（2）3GPP系统应能够提供合适的手段来控制UxNB的运行(如启动运行、停止运行、更换UxNB等)。
（3） 3GPP系统应能够提供最小化UxNB功耗的方法(例如优化运行参数、优化流量交付)。
（4）3GPP系统应能够最大限度地减少干扰，例如由UxNB改变位置引起的干扰。

5.5 C2通信

（1）3GPP系统应支持具有预定义C2通信模型所需QoS的C2通信(例如，在无人机和无人机控制器之间使用直接的ProSe通信，在UTM和无人机之间基于飞行计划的UTM导航C2通信)。
（2）当在C2通信模型之间切换时，3GPP系统应支持具有所需QoS的C2通信。
（3）3GPP系统应支持一种机制，使UTM能够以预定义的C2通信模型所需的QoS请求监视C2通信(例如，在UAV和UAV控制器之间使用直接的ProSe通信，UTM和UAV之间使用UTM导航的C2通信)。

5.6 UAV安全

（1）5G系统应支持确定UTM是否支持法规要求的方法，例如无人机与无人机控制器之间的最大VLOS距离。
注:此要求适用于无人机和无人机控制器同时接入3GPP网络的情况。
（2）根据运营商的政策，5G系统应能够支持一种方法，向UTM和无人机提供5G系统收集或生成的信息(例如，基于传感结果)，包括3GPP无人机与其他飞行物体(可以是未使用3GPP连接的无人机)之间的位置或相对距离。
（3）5G系统应能够跟踪无人机控制器，无论连接类型如何。
（4）基于移动运营商政策和/或监管要求，5G系统应能够在5G系统检测到特定无人机状况或事件时通知UTM，以便UTM能够控制无人机通信(例如，当检测到违反禁区或无人机之间的最大距离时)。

5.7 飞行路线和区域管理

（1）基于第三方请求和运营商政策，5G系统应能够重新配置网络资源，以沿着无人机计划的飞行路径(例如在特定的地理区域和时间)提供所需的QoS。
（2）5G系统应能够支持UTM配置无人机应用设置和通信QoS可能不同的空中飞行区域的机制，并为网络和无人机提供识别这些飞行区域的手段。
（3） 5G系统应能够支持UTM向网络和无人机提供策略信息的机制，包括无人机应用设置和在特定空中飞行区域应用的通信QoS，例如基于特定地理位置的无人机所指示或可用的飞行区域类型。
（4）根据运营商的政策，5G系统应能够支持一种监控方法，并向第三方提供有关无人机飞行路径和时间的偏差和违规信息。

注:偏差可以是与原飞行计划有关的地点和/或时间。违规行为可以是与飞行计划一起提供的或通过其他方式已知的禁区。注:偏差可以是与原飞行计划有关的地点和/或时间。违规行为可以是与飞行计划一起提供的或通过其他方式已知的禁区。

5.8 UTM协助要求

（1）根据运营商的政策，5G系统应能够根据预测的网络条件和QoS(如比特率、延迟、可靠性)，向UTM提供无人机服务需求能够或不能满足的地理区域信息。
（2）基于第三方请求，5G系统应能够协助UTM通过机制向第三方提供替代的无人机飞行路径，例如，基于所需的航路点、QoS和禁区。
（3） 5G系统应能够支持UTM或其他授权第三方的业务使能层暴露机制，为无人机应用提供配置信息，以便在一个主PLMN连接和一个备用PLMN连接之间路由和切换流量，例如为了C2通信可靠性和冗余目的，或者同时在不同的PLMN连接上路由不同的流量，例如C2流量通过一个PLMN，其他数据通过第二个PLMN。
注1:上述要求可扩展到一个网络为PLMN，一个网络为NPN的场景。
注2:对传统网络选择没有影响。
注3:假设无人机在每个PLMN上的流量处理受NW控制机制的约束(例如，根据MNO路由优先级、可用QoS/NW资源等)。
（4）在用户同意和国家或地区法规的前提下，基于运营商和UTM政策，5G系统可能能够向UTM提供使用5G无线传感获得的空中物体位置，以满足UTM的请求。
注4:空中目标位置预计将被UTM用于确定空中目标的位置。

6 UAS参考模型

图1 3GPP UAS模型

在UAS参考模型中:

• UAS由一架无人机和一架无人机控制器组成
  -无人机通过蜂窝连接连接
  -无人机可以通过3GPP移动网络连接的无人机控制器进行控制
  -无人机可以由无人机控制器控制，不通过3GPP移动网络连接，使用不在3GPP范围内的C2接口
  通过3GPP移动网络连接的无人机控制器可以控制一架或多架无人机
• UAS与UTM交换应用程序数据流量
  注:存在几种类型的无人机控制器，例如手持无人机控制器，pc / ws和自动或手动功能，这些都是UTM的一部分。确保哪个无人机控制器处于活动状态和控制无人机的机制超出了3GPP的范围。

7 参考文献

3GPP 22.155