1 引言
随着无人机系统（UAS）的发展，其在各个领域的应用越来越广泛，包括军事、商业、医疗、精准农业、公共安全和关键任务应用等。无人机系统由无人机及其控制器组成，二者间采用无线电通信，要实现无人机远程控制和自主操作，需要建立可靠且无处不在的无线连接。
第三代移动通信合作计划（3GPP）一直在积极确定空中通信需求、技术和协议。图1概述了3GPP最近完成和正在进行的无人机通信标准化工作及其进展。在2017年的第76届3GPP无线接入网（RAN）会议上，3GPP对使用增强型长期演进（LTE）提供无人机支持研究给出结论，并公开发布了RP-171050报告，之后发布了3GPP Release 15（Rel-15）技术报告（TR） 36.777。该报告确认，为了优化为无人机服务的网络性能，需要增强LTE支持。报告首先讨论了为实现无人机高效运行，需要为无人机系统开发鲁棒的通信框架，让无人机系统服务能够保持高安全性和授权使用，并体现空域监管要求和动态性。这些因素将使无人机运行与行人、车辆和商业空中交通活动安全共存。3GPP技术规范（TS）22.125讨论了启用无人机系统服务并将其整合到3GPP网络中的要求。
图1 截至2020年9月，3GPP中无人机系统/无人机标准化的进展及完成率。
2019年发布的3GPP TR 22.829确定了几个由5G网络支持的无人机应用和用例，并指出必要的通信和网络性能改进。2020年期间，Rel-17中无人机系统通信和网络标准相关工作项目主要集中在两个方面：第一是支持无人机连接、识别与跟踪（TR 23.754）；第二是支持高效无人机系统运行的应用架构（TR 23.755）。两方面工作都有望在2021年完成。
本文解释了需求背后的动机和建议解决方案并确定了未来挑战和机遇，展示了3GPP将无人机系统整合到新兴蜂窝网络中正在开展的最新标准化工作，内容涵盖主要标准化项目、主要应用以及需求与挑战。主要标准化项目是无人机系统节点远程识别、指控（C2）以及其它通过无人机系统实现的无线应用和服务。另外，本文还描述了3GPP设想的相应解决方案，介绍了三个主要新兴研发平台项目，这些由大型公私合作联合体开发的研发平台项目将利用实验研究和现场试验刺激创新，促进转型实用系统的研发。最后，本文确定了未来研究、开发和标准化所面临的重要挑战，对新兴用例和技术进行了展望。
2 无人机系统识别、控制和无线服务需求
3GPP已经建立了与无人机有效通信的部分需求。首先，无人机系统节点需要进行网络注册和认证，并提供定期状态通知，这通过远程识别完成。主要功能（如指挥控制和其他服务）可通过地面蜂窝网络实现，包括无人机控制者通过网络对无人机进行远程控制以及视频流和监控等常见应用。
（1）无人机系统节点的远程识别
为了实现感知、安全和有效管理或空域飞行，飞机需要向控制塔和空域管理系统提供识别信息和定期在航信息更新。对于无人机来说，这意味着无人机及其控制者都需要支持网络注册并定期向网络确认无人机在网情况，并把这一信息提供给无人机系统交通管理系统（UTM），UTM是由政府机构开发和维护的集中式飞行管理系统。无人机识别方面的需求如下：
· 无人机系统节点应进行网络注册，并向UTM提供将无人机与其控制器关联为无人机系统节点对的信息。
· 传送网络应该能够将无人机始发数据转发到UTM，包括无人机身份、作为用户设备（UE）的能力、品牌和型号、序列号、起飞重量、位置、所有者信息、起飞位置、任务类型、飞行数据和运行状态。
· 传送网络应能够将无人机控制器数据转发到UTM。通常意义上，无人机控制器是一种地面控制站或遥控装置，其数据包含无人机控制器身份、其作为用户设备（UE）的能力、控制器位置、所有者、操作员和飞行员信息以及飞行计划。
· 在成功认证和授权后，无人机系统节点应能够使用网络传送UTM可能相关的任何其他数据。
· 网络应能向UTM转发无人机及其控制器的实时位置信息更新。因此，无人机系统节点需要以规定时间间隔发送信标。
· 网络需要收集无人机系统标识和订阅信息，以区分具有无人机系统能力的用户设备和不具有无人机系统能力的用户设备（即，常规用户设备）。具备无人机系统能力的用户设备是一种支持无人机系统通信功能的无线电收发信机，不仅可以与UTM有效通信，还可以与其他网络实体和应用服务器通信。
（2）指控通信
可以通过四种指控方式控制无人机不同飞行操作，四种指控模式如下：
· 转向航路点：这一控制消息负责将预定航路点或其他飞行申报从无人机控制器或UTM传至无人机。
· 操纵杆直接控制：控制消息从无人机控制器直接传至无人机，提供经过航路点的飞行方向。
· 通过UTM实现自主飞行：这种控制类型与UTM通过构成飞行计划的一系列预定义4D多边形提供的自主飞行选项相关联。无人机定期反馈位置报告，以便在整个飞行过程中对无人机进行全面跟踪。
· 接近自主导航基础设施：这种控制类型用于无人机自主飞行，基础设施可以提供更新无人机飞行指令，例如下一个航路点、高度和速度，它还可以帮助无人机实现自动起飞和着陆操作。
其中每种模式在数据包间隔、消息大小和端到端延迟等方面都有特定要求，如表1所述。控制链路是双向的，通过这些链路实现无人机控制器、UTM和无人机之间的信息交换。所有无人机终端传输都需要数据包接收反馈或确认，其中可能包含关键无人机飞行控制指令。无人机发出的某些指控数据包不需要确认通信模式。无人机运行期间，指控模式之间的切换需要网络在规定延迟时间内提供支持。对于操纵杆直接控制模式，3GPP建议使用视频反馈。视频反馈要求取决于控制类型：
· 视觉视距（VLOS）操作：480p视频，2Mbps数据速率，30帧/秒，1秒延迟；
· 超视距（BVLOS）操作：720p视频，4Mbps数据速率，30帧/秒，140ms延迟。超视距操作有更严格的视频反馈要求，因为飞行员不能直接看到无人机。
表1 不同指控模式的关键性能指标
（3）其他无线应用和服务
为将无人机系统完全整合到蜂窝网络中，3GPP标准化工作有望支持各种无人机辅助应用或服务。这些服务大多是围绕无人机提供视频和照片定义的，提供环境/态势感知、监视或娱乐服务。表2包含预计将通过无线网络为联网无人机提供的各种上行链路和下行链路服务的关键性能指标（KPI）。表2中提到的服务与无人机运行过程中机载传感器采集的有效载荷数据有关，而不是指控类数据。不同数据类型和服务需要不同服务质量（QoS），服务质量包括吞吐量和延迟指标。
表2 无人机辅助无线服务的关键性能指标
3 支持无人机系统的3GPP通信和网络解决方案
无人机系统通信应用包括无人机提供的指控和无线电接入服务。相应地，通信网络需要为无人机系统提供鲁棒的通信和网络服务。提供这种服务的蜂窝网络能够支持安全和高效的无人机系统运行以及由蜂窝网络提供的广泛覆盖所实现的附加功能和更灵活操作。
（1）无人机系统远程识别
3GPP标准依赖于UTM实体，该实体通过服务于无人机系统节点的移动网络运营商（MNO）接收无人机系统节点认证和证书信息。认证和证书信息由供应商定义，并且可与空中节点或其运营商的状态相关联，或者与预期操作相关联。无人机节点及其运营商访问网络和特定服务所需的所有授权和证书检查将由UTM执行。从3GPP的角度来看，授权和识别无人机系统节点的主要机制是通过空中通信订阅信息和无线电能力。
图2示出了由3GPP网络注册和授权无人机及其运营商的授权过程。在无人机系统节点获得批准将网络用于无人机控制和其他应用并连接到UTM之后，必须触发应用层的附加认证机制来激活UTM服务，例如无人机防撞系统和实时位置跟踪。如果传入的UTM附着请求与空中通信订阅不匹配，请求将被拒绝，操作将被终止。在称为禁飞区的禁区内时，即使身份或证书得到验证，无人机运行请求也可能被拒绝。无人机系统节点的远程识别可在采集到的关于已部署无人机、当前操作者、具体地理区域等信息的帮助下补充飞行操作执行，这有助于检测可疑行为或防止损害投诉。
图2 无人机系统授权过程
（2）指控通信
指控通信主要是将地面站的控制命令传送到无人机用于飞行操作。它还将遥测数据从无人机传送到地面控制器，以促进有效控制。无人机有许多不同飞行功能，可由地面操作员通过无人机控制器进行管理。此外，无人机和UTM之间可以建立指控链路，用于其他空中交通管理操作。
UTM在空中交通管理中起着至关重要的作用，其通过3GPP网络的部署可分为集中式或分散式UTM。UTM应能够在整个飞行过程中向无人机传送路径信息和飞行许可。通信系统应保持延迟在500毫秒以下，以便从UTM向无人机发送任何路线修改通知。3GPP和UTM系统的集成应能够通过无人机短距离广播实现碰撞规避。
蜂窝网络可以作为传输网络用于辅助不同无人机系统通信服务。为保证可靠性和服务质量，可建立多个链接，增加冗余指控数据链路。图3示出通过蜂窝网络为指控和UTM提供支持。
图3 无人机系统指控通信模式
图中示出三种路径：
· 直接指控通信：该链路直接连接无人机和无人机控制器。只有当两个节点（直接指控链路的端点）都经过身份验证并注册到网络时，此连接才会被激活。考虑到指控通信要求，控制命令将通过网络可能配置和调度的资源来承载。
· 网络辅助指控通信：将在蜂窝网络和无人机之间以及网络和无人机控制器之间建立单播指控通信链路。无人机及其控制器不需要彼此靠近，可以通过相同或不同的无线电接入网络（RAN）注册到网络。
· UTM导航的指控通信：这种类型的连接用于连接UTM地面节点和无人机。通常，大多数UTM导航的指控链路将通过3GPP网络服务器间接建立。这种类型的通信用于监控无人机飞行状态，验证其是否符合规定，提供飞行路径更新，跟踪无人机导航，以及在需要时提供飞行导航命令等。
应该注意的是，转向航路点和操纵杆直接控制数据包可以通过直接指控通信链路或网络辅助指控通信链路传送，而第二节中描述的其他两种基本指控模式，由UTM导航的指控通信系统提供。
（3）无人机的RAN支持作用
目前，研发界已经广泛研究了将现代无线电作为无人机有效载荷部署，特别是用于低空飞行无人机。这些无线电的目标是为众多应用建立宽带数据链路，包括地面RAN的空中支持节点。这种做法的驱动力是无人机能够在三维空间导航，并以最小限制以及较低部署和维护成本在适当位置盘旋。无人机的这种应用可以支持不同代蜂窝网络。3GPP将这种空中无线电节点称为机载无线电接入节点（UxNB）。UxNB可用于扩展覆盖范围或增加蜂窝系统容量，可在灾难中或应急情况下实现快速部署，例如，在通信基础设施可能失效地点支持疏散行动，或在拥挤活动（如音乐会或体育赛事）中按需提供容量。UxNB节点可以实现空中基站（ABS）、空中中继（AR）或隔离的演进通用陆地RAN（E-UTRAN）解决方案，如图4所示。搭载UxNB的无人机飞行到需要无线服务的指定区域，然后悬停在那里，实现与地面用户的无线连接。根据服务需求，可能需要建立回传。
UxNB在开始其基站功能之前，需要得到网管系统授权，并根据具体操作、目标和内外参数调整其配置。UxNB可以在给定时间内使用特定频谱资源服务于特定地理区域。UxNB的飞行时间受各种因素影响，这些因素会缩短其运行时间，包括UxNB尺寸、机载电池、货物、空气动力学和授权空域法规。因此，建议协助UxNB节点空中任务的3GPP系统支持UxNB状态的密切监视和报告，包括无人机功耗、位置、轨迹和任务以及环境条件。这种持续监控和报告将有助于在更长时间内实现给定任务所需QoS，可以通过管理UxNB动态位置变换来实现。
图4 UxNB部署场景
UxNB的另一种新兴应用是提供本地路由和基于邻近的服务（ProSe），如3GPP TS 24.334中所述。UxNB可以在没有网络覆盖的偏远地区的地面用户之间建立ProSe群组通信。在这样的场景中，部署的UxNB将作为一个空中基站，并提供一个带或不带回传连接的RAN。在后一场景中，UxNB将允许UxNB服务区域内用户设备之间通过建立内部IP网络进行通信。另一方面，UxNB提供的带回传链路的独立E-UTRAN可以支持从本地网络到外部IP网络（如互联网）的选定IP业务的外部路由。3GPP标准化目前将这种应用限制在LTE的E-UTRAN上，但未来可能会为下一代RAN提供支持。
在空中部署UxNB节点的巨大潜力和好处激励着研究人员和工业界定义一套服务并实现标准化。这些服务将通过优化运行参数、UxNB路径规划和服务交付，降低UxNB功耗。此外，考虑和监控已部署UxNB节点和地面蜂窝用户之间的射频干扰对于有效网络运行非常重要。
如前所述，UxNB的最大弱点是运行时间短，因此，优化UxNB节点更换管理以实现不间断服务供应非常重要。在未来下一代蜂窝网络基础设施设计中，需要考虑的另一主要挑战是天线系统的放置和朝向，以便为在不同高度飞行的空中UE提供覆盖。由于将有采用不同规范和具备不同特征的不同类型的用户设备，特别是有具备无人机系统能力的用户设备和不具备无人机系统能力的用户设备，网络需要能够同时对其进行处理，并确保能够满足所需QoS协议。
4 研究挑战和机遇
无人机完全融入新兴蜂窝网络的根本挑战仍有待解决。未来主要研究方向包括：
（1）精确定位服务
在蜂窝系统中使用无人机引入了需要通过网络支持的新设备类别。因此，将会有不同的订阅，包括提供不同服务和不同收费政策。无人机节点将通过3GPP中纳入的用于区分无人机用户设备和地面用户设备的高度参数与默认用户设备区分开来。近年来，无人机定位问题受到研究界的极大关注。这一问题的研究中解决方案可基于测量方式分为三组：基于视觉的、基于惯性导航系统的和基于无线信号的解决方案。基于视觉的技术利用机载摄像机为无人机定位和导航提供所需信息。基于视觉的解决方案的实时定位可以通过支持同步定位和建图以及迭代最近点技术组合来实现。基于惯性导航系统的解决方案旨在利用惯性测量单元监控设备方向、位置和速度，但经过一定时间飞行后，其在无人机上的性能会下降。无线信号定位机制依赖于利用射频特性增强定位和导航服务。目前用于定位技术的射频参数分别是接收信号强度指标、到达时间差、往返时间、到达方向或角度以及超宽带。这些技术的鲁棒应用可能需要组合使用传感器数据和信号处理方法，并需要基础和实验研究及标准化。
（2）多无人机管理
小型无人机的电池寿命短和有效载荷能力有限是它们的主要弱点。这限制了其实际用途。因此，大多数目前或提议的无人机部署都是采用多架无人机或无人机蜂群，这样它们就可以相互替换，而不会降低服务性能。因此，必须有一种低延迟主动可扩展管理系统来控制任务移交和角色转换。此外，无人机的特殊特性，如机动范围广和轨迹动态，可视为网络管理的关键任务。因此，某些5G支持技术，如软件定义网络和网络功能虚拟化提供的切片和网络软件化，可视为单架或多架无人机管理的有前途解决方案。虽然这些技术允许灵活使用网络和定制网络服务，但如何确保无人机控制和数据通信的隔离、资源可用性和QoS保证将是未来几年研发界的重要课题。
（3）安全性
由于无人机在支持不同应用领域的各种用例方面显示出巨大潜力，因此在让这些节点高效执行任务的同时加强其安全性变得至关重要。空中节点易受攻击，例如未授权访问和控制、窃听无人机和地面控制站之间传输的数据、干扰全球定位系统信号或无人机通信链路，以及位置和身份欺骗攻击。因此，要提供安全可靠的无线链接和不同级别的完整性和隐私保护机制必须用实践中要强制执行的强制性标准提供支持。研究界研究了各种选项，希望为无人机系统通信提供一种安全、韧性、可自配置框架。这些选项包括区块链解决方案，作为一种针对无人机网络软件化攻击的防御体系。为了提高无人机通信的保密性和完整性，特别是在应用层，已经提出了跨层认证和相互认证机制。此外，物理层安全技术，如人工噪声传输和中继，可用于无人机为地面网络提供辅助。
5 研发平台
无人机系统通信研究和标准化仍处于早期阶段，正在建立重要研发项目和试验台。它们对于无人机性能要求研究以及支持实际场景中各种用例的技术和协议解决方案的评估是非常必要的。在受控但类似生产的环境中获得可重复实验结果，反过来也将加速通信标准的进步。
（1）空中先进无线试验和研究平台（AERPAW）
自2019年以来，美国根据先进无线研究平台（PAWR）计划正在建设空中先进无线试验和研究平台（AERPAW）。AERPAW是一个独特的大型试验台，能够为无人机进行先进的无线技术和系统试验。AERPAW的目标是支持全球5G和后5G无线研究，包括连接的3D移动性、频谱敏捷性和安全性以及3D网络拓扑等。因此，AERPAW将提供商业级5G技术和网络以及软件无线电接入，这些软件无线电可以编程实现许多不同波形和协议。它们将部署在几个固定节点上，并可作为无人机有效载荷。将采用模拟器和沙盒支持新无线电、网络和实验的开发和试验台前期部署。
（2）5G！Drones
2019年6月，欧洲启动了一项为期三年的名为5G！Drones的项目。学术界与工业界联手，包括网络运营商和研究中心，在5G网络上测试无人机用例。该项目中考虑的用例包括：无人机交通管理、公共安全和态势感知。这些试验旨在验证空中服务支持能力，并提供反馈，提高所选用例的5G系统性能。5G！Drones是欧盟委员会资助的第五代基础设施公私合作计划（5GPPP）第三阶段的一部分。
（3）5G-DIVE
2019年10月，来自欧盟和中国台湾的供应商、服务提供商、网络运营商、中小企业、学术界和研究中心建立了5G-DIVE项目。5G-DIVE项目计划对不同5G技术进行现场和现实测试，以确保在将这些技术提升到更高水平之前，实现技术优势和商业价值主张。这些试验主要关注工业4.0用例，例如数字孪生应用和实时视频分析，以实现零缺陷制造。第二条路线侧重于自主无人机侦察，包括无人机编队导航和无人机捕获图像智能处理。5G-DIVE由欧盟通过H2020计划资助。
6 结语
无人机系统技术正在提供创新解决方案，以支持公共、私营和军事部门的各种应用。无人机系统的优势不仅来自于它们面向任务的使用方式，还来自于它们可作为一个通用平台用于许多不同用途，包括网络支持。这已经由3GPP实现，3GPP正在进一步细化地面蜂窝网络以支持3D移动用户和网络。本文概述了3GPP将无人机系统节点组网并将之集成到蜂窝网络中作为终端用户或RAN支持节点的标准化工作；介绍了3GPP针对4G LTE的最初工作项目，并涵盖了截至2020年年中的5G网络最新标准化活动；讨论了无人机的无人机系统节点注册、指控和无线服务要求。此外，本文还讨论了无人机系统的新兴和未来用例，以及缩小基础研究、标准化、开发和部署之间差距的实验和现场试验。最后，阐述了三条重要研究路线，并讨论了机遇、挑战和正在进行的工作。这项研究在类似生产环境的试验平台上进行演示，将推动未来标准化研究，推进先进无线技术新用例以及通信/网络、控制和应用领域的创新。
