【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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