【学习笔记】无人机（UAV）在3GPP系统中的增强支持(四)-无人机系统（UAS）命令与控制（C2）通信用例

引言

本文是3GPP TR 22.829 V17.1.0技术报告，专注于无人机（UAV）在3GPP系统中的增强支持。文章提出了多个无人机应用场景，分析了相应的能力要求，并建议了新的服务级别要求和关键性能指标（KPIs）。

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主要内容包括：

1. 无人机高清视频直播：支持4K乃至8K视频实时上传，要求低延迟、高可靠性和精确定位，以避免事故。
2. 无人机作为空中基站：在灾难监测等场景中，无人机携带基站设备，提供临时覆盖，强调快速部署和灵活配置。
3. 无人机命令与控制（C2）通信：定义了直接C2、网络辅助C2等多种模式，强调QoS保障和安全性，以适应不同飞行环境和需求。
4. 无人机与地面用户共存：探讨了无人机与增强型移动宽带（eMBB）用户共享网络资源时的干扰最小化问题。
5. 自主无人机控制：AI系统通过5G网络控制无人机，对上下行传输提出了高带宽和低延迟要求，并需要高精度定位信息。
6. 无人机群管理：支持无人机群在物流等领域的应用，强调群管理和协同作业能力。
7. 服务可用性和体验保障：提出通过边缘计算和路径优化，确保无人机通信服务的低延迟和高可靠性。

文章最后总结了无人机通信服务的潜在要求，并建议3GPP制定相关服务规范，以更好地支持无人机生态系统的发展。

5.3 无人机系统（UAS）命令与控制（C2）通信用例

5.3.1 描述
在Rel-16 ID_UAS的服务要求中，假定无人机系统（UAS）是由人类操作员使用无人机控制器来控制配对的无人机，其中无人机和无人机控制器都通过3GPP网络使用两个单独的连接进行命令和控制（C2）通信。

然而，Rel-16中的ID_UAS服务并未考虑C2通信的关键性能指标（KPI）。

对于UAS操作，首先要考虑的是安全问题，包括与另一架无人机发生空中碰撞的风险、无人机失控的风险、无人机被故意滥用的风险，以及各种UAS用户（例如商业、休闲等）共享空域的风险。因此，为了避免安全风险，当考虑将5G网络作为传输网络时，通过保证C2通信的服务质量（QoS）来提供UAS服务非常重要。

图5.3.1-1展示了这个用例中的四种C2通信模型。

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图5.3.1-1：四种C2通信模型（蓝色箭头表示C2通信链路）

模型A：直接C2；无人机控制器和无人机建立直接的C2链路以进行相互通信，两者都使用5G网络为直接C2通信配置和调度的无线电资源注册到5G网络。

模型B：网络辅助C2；无人机控制器和无人机注册并建立各自的单播C2通信链路到5G网络，并通过5G网络进行相互通信。此外，无人机控制器和无人机可能通过不同的NG-RAN节点注册到5G网络。5G网络需要支持一种机制，以在任何情况下都能可靠地路由C2通信。

模型C：网络辅助双C2；遵循模型B的网络辅助C2模型，为了确保UAS操作的C2通信的服务可用性和可靠性，特别是当无人机在操作员的视线之外（BLOS）飞行时，为无人机提供支持冗余的C2通信链路。

模型D：UTM导航C2；无人机为自主飞行提供了预先安排的飞行计划，但UTM仍然与无人机保持C2通信链路，以便在必要时监视无人机并为其导航。

通常，模型A、模型B和模型C是用于人类操作员使用无人机控制器直接命令和控制无人机飞行。为了避免无人机失控的风险，确保用于C2通信的5G连接至关重要。

相反，模型D是用于使用UTM提供的预先安排的飞行路线间接命令和控制无人机飞行。在这种情况下，UTM需要定期监视飞行状态，并在需要时提供更新以调整路线。

出于可靠性和服务可用性的考虑，可以通过将任何模型组合成一个备份C2通信链路来应用混合C2模型。

• 例如，可以首先使用模型A的直接C2，然后在无人机进行BLOS飞行时切换到模型B的间接C2。
• 例如，当模型B的间接C2通信仅具有弱连接性时，可以使用模型C的网络辅助双C2，5G网络可以启用模型C的双间接C2通信，以确保C2通信的可靠性。
• 例如，模型D的UTM导航C2也可以在需要时利用，例如用于空中交通管制、无人机接近禁飞区以及检测到潜在的安全威胁等。

根据[6]，基于具有地面无线电站（GRS）的系统架构来重复遥控飞行系统（RPAS）的信号，已经根据流量类型确定了上行链路和下行链路C2通信的通信速度（以bps为单位）要求，例如：

• 从RPAS到GRS（下行链路）：遥测（7595 bps）、导航显示数据（1137 bps）、ATC语音（4800 bps）、ATS数据（59 bps）、天气（27770 bps）。
• 从GRS到RPAS（上行链路）：遥控（4563 bps）、导航辅助设置（666 bps）、空中交通管制-语音（4800 bps）、空中交通管制-数据（49 bps）。

已经表明，C2通信的要求将极大地取决于端到端通信路径中无人机UAS服务所需的流量类型。因此，[6]中定义了四个服务类别，以支持一到多种流量类型。

同样，如图5.3-1所示，可以通过3GPP网络为C2通信考虑不同类型流量的带宽和延迟KPI。原则上，需要考虑以下流量类型：

• 指令与控制：使用C2通信从无人机控制器/UTM向无人机发送指令。此类型的C2通信包括两个不同的子类，以反映无人机与无人机控制器/UTM之间的不同距离，包括视距（VLOS）和非视距（Non-VLOS）。这种VLOS流量类型的延迟需要考虑指令传输时间、人的反应时间和辅助媒体，例如视频流传输延迟。因此，VLOS的可持续延迟比Non-VLOS的短。

• 遥测C2：使用C2通信进行监控事件报告。带宽和延迟要求并不重要。

• 实时C2：使用C2通信进行远程指令，所需的延迟需要考虑端到端的C2通信路径（上行链路和下行链路）以及操作员的反应时间。

• 视频流C2：使用C2通信通过3GPP网络或无人机控制器将实时视频流从无人机上传到UTM。在后一种情况下，端到端的C2通信路径需要在上行链路和下行链路中均支持带宽和延迟要求。根据视频流的分辨率，所需的带宽会有所不同。但是，延迟要求很关键，如果使用模型A/B/C，则需要考虑人的反应延迟。

• 情境感知报告C2：使用C2通信报告配置的监控事件，例如检测到的可识别对象，以及由于检测到的无法识别的物体/障碍物（例如鸟类、风筝、外星人、不明飞行物等）而触发的紧急事件警报。在后一种情况下，可能会随警报一起发送视频片段。

Table 5.3.1-1 shows the KPIs for the considered use cases for C2 communication:

Traffic Type for C2	Bandwidth	Latency
Command and Control	0.001 Mbps	VLOS: 10 ms Non-VLOS: 360 ms
Telemetry	0.012 Mbps w/o video	1 sec
Real-Time	0.06 Mbps w/o video	100 ms
Video Streaming	4 Mbps for 720p video 9 Mbps for 1080p video [30 Mbps for 4K Video]: optional	100 ms
Situation Aware report	1 Mbps	10-100 ms

此外，根据无人机系统（UAS）服务的类型，某些流量可能需要在C2通信中享有更高的优先级，以便对紧急事件做出响应，例如突然有鸟群靠近等。

`5.3.2 前提条件
操作员打开无人机和无人机控制器的电源。无人机和无人机控制器分别注册到5G网络。

5.3.3 服务流程
5G网络为无人机和无人机控制器建立各自的会话，这些会话可用于与无人机交通管理系统（UTM）进行通信，并作为无人机系统的默认C2通信。
作为注册程序或服务请求程序的一部分，无人机和无人机控制器向UTM请求无人机系统操作，并指示预定义的服务类别或所需的无人机系统服务，例如导航辅助服务和天气等。
UTM授权无人机和无人机控制器的无人机系统操作，提供授权的无人机系统服务，并为无人机系统分配一个临时的无人机系统ID。UTM向5G网络提供无人机系统C2通信所需的信息，例如服务类别、无人机系统服务的流量类型、授权的无人机系统服务所需的QoS以及无人机系统服务的订阅。
在请求与5G网络建立C2通信时，无人机和无人机控制器会使用分配的无人机系统ID向5G网络指示首选的C2通信模型（例如模型B）。
如果需要创建额外的C2通信连接或更改现有数据连接的配置以进行C2通信，则5G网络会根据无人机系统的授权服务信息和C2通信中所需的QoS和优先级，修改或分配一个或多个C2通信流量的QoS流。

5.3.4 后置条件
在5G网络上，C2通信中所需的QoS支持下，UAS操作成功。

5.3.5 现有功能部分或完全覆盖用例功能
5G系统应支持无人机与无人机控制器之间使用预定义的C2通信模型（例如直接C2、网络辅助C2、网络辅助双C2和UTM导航C2模型）进行命令和控制（C2）通信的机制。
5G系统应支持无人机与UTM之间的C2通信机制，以监视无人机状态以及UTM导航。
5G系统应支持一种机制，为无人机与无人机控制器之间的一个或多个C2通信会话提供所需的QoS、优先级，并确保可靠性。
5G系统应支持C2通信的端到端完整性和机密性。

5.3.6 支持用例的潜在新要求
[P.R.5.3-001] 5G系统应启用无人机与无人机控制器之间的命令和控制（C2）通信，无论在网络覆盖范围内还是网络覆盖范围外，都能进行直接C2通信。
[P.R.5.3-002] 3GPP系统应为UTM通过飞行计划驾驶无人机提供C2通信。
[P.R.5.3-003] 3GPP系统应提供一种机制，允许UTM跟踪通过飞行计划飞行的无人机。5G系统应支持一种与UTM交互的机制，以获取C2通信所需的UAS服务信息，例如服务类别、流量类型、所需的QoS和服务授权等，以识别流量并执行差异化的流量策略。
[P.R.5.3-004] 5G系统应提供一种机制，允许UTM配置C2通信的流量参数，例如与相同或不同应用程序相关的流量流、流量类型，并相应地请求差异化的QoS。
[P.R.5.3-005] 5G系统应支持一种机制，供UTM配置监视事件和相应的操作，例如向网络发送监视报告、向网络发送紧急报告以及在无人机上执行紧急操作，例如转向、返回无人机控制器或特定位置等。
[P.R.5.3-006] 5G系统应支持一种机制，使UTM能够使用无人机与无人机控制器之间任何预定义的C2通信模型来监视C2通信，并在检测到配置的监视事件时执行操作，例如接近无人机禁飞区或情况感知事件，例如发生闪电/龙卷风等。
[P.R.5.3-007] 5G系统应支持一种机制，以便在C2通信中为单个UAS或多个UAS之间的不同UAS服务设置优先级。
[P.R.5.3-008] 5G系统应支持一种机制，以便在UAS操作中切换C2通信模式，例如从网络辅助C2通信切换到直接C2通信，并确保断开连接时间低于[10]毫秒。
[P.R.5.3-010] 5G系统应支持C2通信中的定期数据流量，例如遥测，所需带宽为[0.012] Mbps。
[P.R.5.3-011] 5G系统应支持C2通信中的实时流量，例如遥控指令，所需带宽为0.06Mbps，所需延迟小于[100]毫秒。
[P.R.5.3-012] 5G系统应支持C2通信中的视频流量，所需带宽为4Mbps至30Mbps，延迟小于[100]毫秒。
[P.R.5.3-013] 5G系统应支持C2通信中的情况感知报告流量，所需带宽为1 Mbps，延迟为[10-100]毫秒。

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