在空中建構 3GPP 網路

無處不在的行動連接正在改變我們周圍的世界。目前，3GPP網路覆蓋了全球約95%的人口。然而，這種覆蓋本質上仍是2D平面的，主要服務於地面使用者和服務。

數位空域關注的是空中連接技術，服務項目包括無人機、空中計程車等無人飛行器（UAV），以及直升機和商用飛機等。這些飛行器在不同高度運行，從地面直至3000公尺以上的空域。為了建設更安全、更智慧、更永續的數位空域，具有可預測覆蓋能力的高效能3D無線網路是最佳解決方案，可以同時支持可載人和無人航空領域的各類應用案例。

空域連接急需轉型升級

目前航空業主要使用三種傳統通訊技術，其中有些技術已使用超過50年。這些技術包括用於語音通訊的超高頻（VHF）無線通訊、用於定位的廣播式自動回報監視（ADS-B），以及提供基礎資料連接的衛星通訊。雖然近期隨著低軌衛星（LEO）的引入，衛星通訊在頻寬、延遲及服務成本等方面有所改善，但總體成本仍然很高。
 
為滿足可預測且可靠的資料通訊的需求，業界近年來一直在探索3GPP技術如何將這些能力帶到數位空域。例如，安全連接和低延遲使其有望為任務關鍵型通訊、無人機營運和管理帶來新的可能，例如超視距（BVLOS）飛行等。

大規模無人機應用必須具備超視距飛行能力。目前，在低空無人機運行區域尚無空中交通管理（ATM）通訊，因為ATM的職責主要是監控受控空域，而低空多為非受控空域。然而，隨著無人機活動日益增多，其規模預計將超過現有可載人航空活動，這使得空域管理變得尤其重要。無人機交通管理（UTM）系統需要實現高度自動化，能夠安全地處理大量無人機作業，為無人機操作人員提供全套服務，並與ATM系統實現交互操作。

行動網路在賦能無人機交通管理（UTM）系統方面具有獨特的優勢，不僅能實現大規模超視距飛行，還可提供多種其他服務。例如，利用SIM卡密度資料規劃航線，避開人口密集區域。

目前，機場周邊和繁忙航線的空域資源較為稀缺，隨著無人機作業量的增加，擁擠區域數量將會進一步成長。借助充足可靠的資料、自動化和技術效能，可以透過縮短飛行器通過間隔來提高空域利用效率，從而增加空域容量——舉例來說，將通過間隔從3分鐘縮短到2分鐘，就能將空域容量增加三分之一。3GPP連接是低空無人機、中空空中計程車和電動垂直起降（eVTOL）飛行器等的關鍵賦能技術，為整個先進空中交通（A AM）領域提供支援。它不僅為 eVTOL提供安全靈活的連接，還能支援在新建垂直起降機場實現精確著陸等功能。

開啟數位空域，助力任務關鍵型應用案例

從通訊的角度來看，數位空域可以分為三個高度空域，每個層級都有其特定的案例和服務方式。低空空域（300公尺以下）主要用於各類無人機應用；中空空域（300-3000公尺）主要服務於通用航空、國防，以及未來的電動垂直起降和先進空中交通；高空空域（3000公尺以上）則主要用於國防和商用航空。

在300公尺以下的低空空域，各產業正在積極探索將無人機應用於各類任務關鍵型作業和企業應用，例如：

• 軌道交通：無人機可用於軌道交通路線勘測、工程進度監控和基礎設施檢查，有助於及早發現問題，減少人工巡檢成本。
• 公用設施：無人機可替代成本高昂的直升機，對電力線路、風力發電機和太陽能電池板進行檢查，還能監測油氣管道，不僅能更快速地發現和解決問題，還能降低成本和事故風險。
• 物流：使用無人機自動配送包裹和貨物，可以使配送更快速、更高效、更永續，有助於減少二氧化碳排放，提升社會包容性。
• 醫療衛生：在分秒必爭的緊急情況下，無人機可以快速運送電擊器或將血液樣本送往醫院、實驗室或現場，幫助挽救生命。
• 公共安全：員警和消防等急救人員可利用無人機更好地瞭解情況，做出即時決策。
• 農業：配備感測器和攝影鏡頭的無人機可以監測農作物生長狀況，幫助農民優化農藥、化肥和灌溉水的使用，提高作物產量，  同時幫助野生動物保護或管控。

Teracom商用3GPP空-地-空（AGA）網路的經驗啟示

瑞典電信商Teracom為民營與公有國家關鍵基礎設施企業提供覆蓋全國的3GPP空中網路。

Teracom的網路設計理念新穎，充分利用現有的高電視發射塔（高度可達300公尺），並在全國160個站點部署了支持5G的2.3GHz大容量廣域頻譜。

主要部署場景是實現空中的最大細胞覆蓋範圍。經實地驗證，其網路可為直升機、飛機和無人機等飛行器提供最遠90公里的資料連接服務。已測試的案例包括緊急救援任務、醫療運輸，以及各類關鍵通訊的狀態感知功能(situational awareness)應用，如利用高畫質即時影像和紅外線熱成像攝影鏡頭進行遠端搜救，以及基於即時資料對空氣品質、火情、煙霧和天氣變化進行持續監測。

如圖29所示，實際飛行測試主要在中高空空域進行。由於常規地面網路主要為地面覆蓋而設計，在高空空域表現出類似細胞邊緣的效能不足，覆蓋效果欠佳。相比之下，Teracom的AGA網路展現出良好的覆蓋效能。一個顯著的效能差異體現在切換次數上。常規網路在15分鐘內進行了15次切換，而AGA網路僅需3次，這表示AGA網路的表現更為穩定一致。

測試證明，針對空中場景進行專門優化後，3GPP技術能夠在中高空域提供所需的可靠且可預測的連接。這為未來創新鋪平了道路，也為無人駕駛飛行器（UAV）和先進空中交通（AAM）的發展帶來了新的機會。

在直升機飛行的中空空域，數位連接為空中救護等任務關鍵型應用案例帶來了新的可能。目前在地面救護中，連網救護車的出現使患者、救護人員和遠端醫療專家能夠進行即時溝通。這不僅限於語音通訊，還包括在緊急情況下進行高畫質影像和資料共享。透過拓展這一領域，最危急的患者也能獲得同等水準的連接和服務。

電氣化技術的進步正在改進飛行器設計，推動電動垂直起降飛行器快速發展。產業趨勢分析顯示，可載人空中計程車有望在未來兩到三年內問世，初步試驗已經開始。

高空空域主要用於商用客機和國防航空。這一領域可以利用非地面網路（NTN）的優勢，將5G 3GPP技術整合到衛星中，與 AGA 3GPP網路形成互補，透過使用相同晶片的終端來推動實現統一解決方案和規模經濟。該領域正在經歷轉型升級，新技術不斷出現，其中機上娛樂和乘客連接等服務將率先迅速發展。

建構空中3GPP網路

如何為數位空域建構任務關鍵型行動寬頻解決方案，取決於所需覆蓋的地面以上高度以及具體產業案例。在設計時需要考慮細胞切換和相鄰細胞干擾的水平和垂直因素。同時還需要考慮案例對延遲、資料吞吐量和定位精度的要求，以及對商業航班等高速飛行器的都卜勒效應補償。在低空空域，電信商通常可以利用現有網路基礎設施，透過增加5G M-MIMO和波束成形等增強技術來解決干擾問題。然而，在300公尺以上的高空，尤其是在高速場景下，干擾問題和切換挑戰變得更加突出。這將需要部署專門的3GPP空中網路來覆蓋空域。
 
無線頻譜資源的可用性對確保與無人駕駛飛行器（UAV）的可靠通訊至關重要。目前大多數無人機使用未授權頻譜，但隨著新應用案例的出現和無人機數量的增加，這種方式將不足以滿足未來需求。值得注意的是，各國的頻譜狀況各不相同。在一般情況下，可以透過利用電信商現有的頻譜，並調整其網路來支援UAV運行。

低空空域的創新

隨著先進空中交通（AAM）和電動垂直起降（eVTOL）領域不斷探索各類UAV應用案例，低空到中空空域已成為各項活動和創新的熱點。3GPP連接提供現有通訊技術無法實現的廣泛優勢，尤其是支援即時資料共用和持續連接。
 
透過網路API，這些優勢可以得到進一步加強。網路API可以實現服務品質的動態控制、無人機身份識別、無人機位置追蹤、3D覆蓋地圖繪製和地理SIM卡密度監控等功能，從而為航空業帶來安全性、效率和成本節約優勢。定位是確保UAV安全的一個關鍵領域。由於三D 衛星定位容易受到誤導和遮蔽，網路可在驗證位置方面發揮重要作用，並在出現問題時提供備用解決方案。地面專用解決方案可以提供1公尺以內的定位精度，這在電動垂直起降飛行器的起降區域尤為重要。相比之下，公共網路的定位精度在10公尺左右。

如圖30所示，符合CAMARA和GSMA開放閘道標準的API將為航空業和行動網路產業的創新與合作創造新機會，並將推動新產品和服務的開發，進一步加強數位空域生態系統。

數位空域的未來

高效能的3D 無線網路具有可預測的覆蓋範圍和能力，將實現先進的自動化無人機應用和創新的先進空中交通，可打造更安全、更永續的數位空域。

隨著5G-Advanced的持續發展、非地面網路（NTN）的完善以及6G的引入，數位空域的應用潛力將不斷擴展。這包括整合感測與通訊等新功能，支援數位空域中的沉浸式體驗和感測應用。這項功能將實現類似雷達的功能，能夠探測空中未帶有SIM卡的物體。