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什么是数字空域?探索新领域中的机遇

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你知道吗?将蜂窝连接扩展到天空可以挽救生命,实现未来的可持续交通,包括使用安全的无人机为您上门送货。快来与我们一起探索数字空域,捕捉这一令人兴奋的连接新领域所提供的各种机会。

Director, ICT Strategy & New Business Development

Head of Mission Critical Networks

数字领空

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如今,蜂窝连接几乎无处不在。它改变着我们周围的世界,从智能家居和物联网(IoT)到完全沉浸式虚拟世界,一切皆有可能。事实上,根据最新的《网络覆盖展望移动报告》,3GPP网络现已为全球大约95%的人口提供服务,预计到2028年5G人口覆盖率将达到85%。

不过,尽管移动网络很快就会覆盖地面上绝大部分人类活动,但有一个重要的维度却落在了后面——这是一个充满机遇的新前沿,无论是对商业还是对社会。如果我们真的想要实现一个无限连接无尽可能的未来,我们必须开始展望新的方向。放眼于空域。

欢迎来到令人兴奋的数字空域世界。

什么是数字空域?

当我们谈论数字空域时,我们谈论的是地面上方的连接性——无论是150米的高度,还是5000米以上的高度。

我们今天使用的移动宽带技术,虽然已经广泛部署且在稳健性和能力方面无与伦比,但它是为了支持地面的用户和服务而专门开发和优化的——本质上是2D用例。简单地说,我们现有的3GPP网络基础设施并不将蜂窝和波束指向天空,为自由空域提供信号覆盖。

在只有50米的高度,无线干扰就可能成为一个主要问题。在150米及以上的高度,覆盖范围变得很差,不可靠。这两个问题——信号干扰和不可靠的覆盖——都会导致更低的速率、更高的时延和更多的连接中断。但我们如何才能改善这些问题呢?而且为什么空中移动宽带连接很重要?

图片显示了不同高度的蜂窝关联模式(图片来源:Ericsson Research)

图片显示了不同高度的蜂窝关联模式(图片来源:Ericsson Research)

想象一下,你是一名救护车上的护理人员,正在将一名情况危急的病人运送到重症监护室。在分秒必争的情况下,专科医生能否实施快速诊断将事关病患生死。幸运的是,5G联网救护车可以实时连接患者、救护车工作人员和远程医疗专家——不仅通过语音,还可以通过全高清视频和触觉手套,将零时延的手术带到任何有需要的地方。

但是,如果那个病人是用直升机或飞机空运到救护机构呢?我们的地面服务不断向前发展时,我们的空域服务就要落后了吗?

数字空域技术——现在发展到什么程度了?

说到航空工业,有三种流行的传统通信技术,其中一些已经使用了50多年。

  1. 甚高频(VHF)无线

    VHF在民用飞机通信系统中很常见,本质上是在特定频谱上运行的对讲机语音系统,带宽相当有限,发送数据的能力也非常有限。
  2. 广播式自动相关监视(ADS-B)

    ADS-B是一种监视技术,飞机可以用它向其他飞机和空中交通管理部门通报自己的位置,只能发送飞机的经度、纬度、高度、方向和速度等基本数据。
  3. 卫星

    在高海拔地区和偏远地区,卫星通信一直是获得一定程度的语音和数据连接的唯一途径。毫不意外的是,使用地球静止(GEO)卫星(位于地球高空)的成本非常高——带宽和时延以及服务的成本都很高。近年来,我们还看到了低地球轨道(LEO)卫星的出现,这些卫星向地面传输信号所需的功率更少,为通信服务实现更低的时延,服务成本也低于高轨道卫星。

现在我们了解了在数字空域中运行的一些主要传统技术,让我们来看看3GPP技术可以发挥什么作用,以及为什么它为满足未来的机载需求提供了更好的选择。

3GPP达到新高度

多年来,爱立信一直在研究数字空域中可靠通信的可能性,并认可3GPP连接可以提供的性能和额外功能(如数据发送),特别是在任务关键型通信、无人机操作和管理方面。最后,我们实现了新的突破,这些新技术将会把我们带到更高的高度,并将创造出全新的服务和收入机会。

4G和5G开启了天空中的机遇

如何构建数字空域的任务关键型移动宽带解决方案将取决于需要覆盖的高度,因为不同海拔高度会有不同的需求。重要的是,在切换蜂窝和编排相邻小区关系时要考虑水平和垂直距离,还必须考虑低时延、高数据吞吐量和需要精确位置精度的用例要求,以及对速度相对较高的飞行器的多普勒效应补偿。

在距离地面较低的高度(低于300米),运营商通常可以利用现有的网络基础设施进行一些增强。然而,在300米以上的更高高度,干扰和切换的问题变得更加严峻,特别是对于高速用例。因此,这些用例通常需要使用额外的专用天空网络进行空中覆盖,还需要向上倾斜的天线和高分辨率波束管理。

不同的高度需要不同的部署选项来实现连接。

不同的高度需要不同的部署选项来实现连接。

Teracom提供了这种专用网络的一个范例。Teracom是一家瑞典国有公司,它获取了无线频谱,并改造了现有的高桅杆无线通信塔基础设施——最初是为无线广播而建造的——以提供全国范围的空地空覆盖。该网络在全国设有约160个站点,平均天线高度为150米,有些天线高达300米(由爱立信5G-ready Massive MIMO提供支持),已成功覆盖海拔5000米及以上的空域

该网络所实现的任务关键型覆盖和数据共享能力已经显示出巨大的价值和潜力。这是最成熟的数字空域市场领域,目前已经出现很多机会。我们将在这里更详细地探讨其中第一个机会。

任务关键型通信用例:机不可失

在公共安全运营方面,实时信息、效率和安全都至关重要。在Teracom的一个试验用例中,他们模拟了一个紧急呼叫,报告森林地区某处发生火灾。过去对于这种类型的紧急呼叫,应急响应人员将派车前往进行调查,并决定需要哪些资源以及需要派遣多少人。

有了3GPP的覆盖,他们能够立即派出一架无人机前往调查。该无人机配备了测定风速、温度和位置的多种传感器,以及视频和红外摄像头,可以实时发回高质量的现场视频,以及环境条件数据。有了5G连接,无人机可以在视距之外执行消防检查任务,并发回数据,以便消防人员做出更好地决策,比如消防所需资源的类型和数量。

了解Ericsson Drone Mobility如何赋能企业无人机提供超越视距的价值(并帮助拯救生命)。

虽然公共安全、搜救行动以及公用事业和基础设施(如铁路)维护等任务关键型领域显然都将受益于这些技术,但这类机会还会进一步扩大。我们已经谈到了医疗领域的可能性——用于任务关键型医疗应用的无人机可以挽救生命,更不用说我们已经实现的联网救护车用例。农业、采矿、石油和天然气、建筑和房地产等行业,甚至我们电信行业,也可以从智能现场监控和维护中获益良多。

无人机来了:我们准备好了吗?

根据Grand View Research的数据,2022年全球商用无人机市场规模估计为298.6亿美元,预计从2023年到2030年将以38.6%的复合年增长率增长。越来越多的行业希望将无人机用于广泛的用途:

  • 农业

    配备传感器和摄像头的无人机可用于监测作物健康,检测营养不足,并识别病虫害。这可以帮助农民优化农药、化肥和水的使用,提高作物产量,并有助于野生动物的保护或控制。
  • 建设

    无人机可用于进行现场勘察,监控施工进度,检查建筑物和基础设施。这可以帮助承包商及早发现问题,减少对昂贵的人工检查的需求。
  • 能源

    无人机可以替代成本更高的直升机,用来检查电力线、风力涡轮机和太阳能电池板,以及监测石油和天然气管道。这可以帮助能源公司更快地识别和解决问题,降低成本,减少事故风险。
  • 物流

    无人机可用于自动递送包裹和货物,使递送更快、更高效、更可持续。这适用于偏远或难以到达的地区,但在道路交通繁忙的城市和郊区也很适用。
  • 矿业

    无人机可用于调查矿区和监测库存,以及检查设备和基础设施。这可以帮助矿业公司降低成本,提高安全性和生产率。

使用无人机执行任务关键型和大众市场的包裹递送,将减轻对地面车辆运输的需求,减少道路交通流量和碳排放,实现更可持续的解决方案。另外,大都市的移动基础设施和服务已经达到极限。在通往自动交通的道路上,一系列解决方案已经出现。公共交通、自主交通、自动驾驶汽车和拼车服务对于应对这些挑战至关重要,它们提供了更高效、可持续和公平合理的交通选择。

创新的解决方案很快就会出现,现有趋势已经表明,在未来两到三年内,预商用的有人驾驶空中出租车可能会出现。今天的无人机可能还在收集数据,但明天它们就会用来运送货物,而后还将用来乘载我们。

许多用例所需的功能已经通过5G网络得到了验证,例如TDC和爱立信的合作试点项目及后续测试,在去年的一项GSMA Foundry案例研究中已经有所体现。

3GPP的作用

正如之前在一篇关于无人机互联网的博客文章中所讨论的那样,早在2016年就已经有相关的3GPP研究项目,探索了使用现有LTE网络为低空无人机提供连接的可行性。它们也承认了与干扰和移动性相关的挑战,特别是在无人机或无人驾驶飞行器(UAV)的密度增加之后。

无线频谱资源的可用性也是为无人机提供可靠通信服务的关键因素。目前,大多数无人机使用的是未经许可的频谱,随着新用例的出现和无人机数量的增加,这些频谱将不足以满足未来的需求。同样需要注意的是,各个国家/地区的频谱使用情况各不相同,一些国家/地区在这方面仍然缺乏监管。

尽管如此,3GPP连接为无人机提供了现有通信技术无法实现的广泛好处,其中最重要的是实现实时数据共享和持续连接。网络能力开放应用程序编程接口(API)将支持服务质量(QoS)动态控制、无人机识别、无人机位置跟踪、3D覆盖地图和地理SIM密度(geographic SIM density)。所有这些都将提高航空业的安全性和效率,并节约成本。

3GPP API的使用还将为航空和移动网络行业之间的合作创新开辟新的机会,从而开发出能够进一步增强数字空域生态系统的新产品和服务。Ericsson Drone Mobility已经成功地展示了如何利用一些电信API,如QoS和SIM密度,使无人机飞行安全可靠。

爱立信子公司Vonage是一家领先的通信平台即服务(CPaaS)提供商和网络API聚合商,它已经与移动网络运营商和应用服务提供商合作,帮助提供支持5G的各种API,如位置、按需提供的服务质量(QoS on Demand)、安全和其他网络感知API,这些API可以在全球范围内被航空和无人机行业使用。

但是,为了充分发挥UAV技术的潜力,我们必须首先解决大量飞机将给空中交通管理(ATM)带来的挑战,更具体地说,如何满足UAV交通管理(UTM)的要求,无论是现在还是未来。

空域管理:未来的主要用例,始于现在

如今的ATM仍然是一个全靠人工的过程。飞行员通过VHF联系空中交通管制人员,受其引导确定降落的地点和时间。但如果再引入无人机,事情就会变得更加复杂。在不久的将来,无人机用户将需要提前向UTM发送请求,说明他们的预期出发和到达地点,并获取他们必须遵守的飞行路线和时间段。随着现有的或新的专有技术赋能指挥和控制连接,无人机也许可以将必要的信息传达给一个统一的ATM/UTM。

但随着无人机数量的持续增长(势在必行),与ATM的全面协同成为必要前提(以实现共享空域),未来将需要与UTM进行全面、高度自动化的集成。对于安全的交通管理来说,自动化和人工智能将是绝对必要的,包括监控所有飞机和无人机的位置,它们的去向,还有如果出现问题会造成什么后果。

预备,出发:无人机竞赛开始了

无人机的全球竞赛才刚刚开始,但欧盟已经处于有利地位,它已经制定了清晰的路线图。监管框架已经到位(包括UTM的要求),以确保无人机安全、顺利且无航空干扰地引入。

根据欧洲无人机战略2.0概述的愿景,“到2030年,无人机及其所需的生态系统将被接纳,成为欧盟公民生活的一部分。”到那时,人们期望目前的U-space监管框架(和高容量UTM)在欧盟地区得到完全推行,并且“额外的先进U-space服务将在几个成员国中支持大规模的无人驾驶飞机运营。这种无人机的运营方式,将是高度自动化和数字连接的、可负担的、安全可靠和环保的”

U-space框架实施时间表。

U-space框架实施时间表。

从2023年1月起,欧盟法规(称为U2)允许无人机超越视距(BVLOS)操作,这需要无人机与远程操作员之间建立永久连接。如今,如果一架无人机失去位置数据或控制信号质量不佳,它将在几秒钟内进入紧急模式,并进行紧急降落。如果一架无人机不知道自己所在位置,也不知道该做什么,那么这架无人机就需要快速降落。

正如Ericsson Drone Mobility在爱立信和TDC NET联合5G创新中心中所展示的那样,3GPP网络不仅可以帮助确保可靠的连接,还可以为UTM系统提供SIM密度信息,从而更好地了解地面人员流动,确定下方地面风险。

5G网络对BVLOS飞行尤其有利。为了让无人机与其他航空载具在相同的空间飞行,我们需要确保它至少与传统航空载具一样安全(最好能更安全)。全自动UTM系统和BVLOS无人机的永久连接(需要移动宽带连接)对于确保同时空中大量飞行器的超高安全水平的管理至关重要。

随着航空业的转型,需要一种新的可扩展的通信和ATM方法。有了5G,我们将能够利用波束赋形(将无线能量定向到特定方向,比如指向飞机,即便飞机在高速移动)等新技术,实现高效、可靠的覆盖,准备好满足新的用例。当然,这一发展将需要大量的工作和支持。对我们来说,很明显的一点是,具有可预测的覆盖范围和功能的高性能3D无线网络,将为实现先进的自动化无人机应用以及更安全、更智能和更可持续的数字空域提供最佳解决方案。

这就是为什么我们已经在开发关键技术、产品和服务以使运营商和企业成功实现数字空域的变现,并与更广泛的生态系统展开合作以了解需求。我们也在推动3GPP超越传统移动宽带的标准化,为现代航空业提供全面的解决方案。

您将如何利用这片广阔天空?

数字空域作为一个范例,展示了一个新的潜在蜂窝生态系统(以及一个优秀的5G用例),使运营商可以从中获利。接下来的问题是,您将在其中扮演什么样的角色?

您将只为空中用例提供3GPP连接,还是会走得更远?您是否会开放来自网络的高价值信息和功能,以支持新服务?您是否将与政府或其他运营商合作投资任务关键型基础设施,还是为即将到来的令人兴奋的无人机商业用例提供无人机管理服务?您能否帮助支持未来各个国家/地区在ATM和UTM系统方面的需求?

无论您选择捕捉什么样的机会,您都需要现在就采取行动,避免错失机会。现在就开始思考您的策略,因为在数字空域,一切皆有可能。

了解更多

阅读案例研究,详细了解Teracom和爱立信为任务关键型机载操作进行的5G-ready空地空连接试验

了解更多有关Ericsson drone mobility如何支持数字空域的信息。

在我们最近的博客文章中,探索互联航空的未来,以及引领我们走向这个未来的道路。

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