随着低空经济的兴起，5G在构建低空智能生态、助力低空产业“腾飞”方面发挥了关键作用。当前，5G网络主要是针对地面场景而设计，基站天线通常架设在高处，通过设定一定的下倾角实现“由上向下”的辐射，将网络信号集中覆盖地面目标区域。低空区域并非当前5G网络的重点覆盖区域，因此，如何提供低空区域高质量的5G网络信号覆盖，已成为5G赋能低空经济发展亟待解决的重要课题。
低空信号覆盖的难点
移动通信基站发射的无线信号本质上是一种电磁波，而电磁波在空间传播过程中主要会产生以下三类损耗。空间传播损耗（路径衰落）是无线信号在空间传播过程中因介质特性而产生的一种损耗。这种损耗主要由空气、水汽、云层等介质的吸收、散射和衰减作用引起，损耗程度与传输距离、信号频率均成正比。因此，当信号传播距离增大或频率升高时，空间传播损耗将显著增加。
多径传播损耗（快衰落）是无线信号在传播过程中因反射、折射、绕射等现象而产生的一种损耗。当信号传播存在多条路径时，这些路径上的信号在接收端会有不同的相位和幅度，导致信号叠加时发生干涉现象，进而造成传输质量下降。
这种损耗在城市复杂环境下尤为突出。衰减损耗（慢衰落）是无线信号在传输过程中因材料吸收、散射以及传输介质中的杂散物质等因素导致的一种损耗。不同材料对于不同频率的信号具有不同的衰减特性，如混凝土、金属等材料对高频信号有较大的衰减作用。在实际传播环境中，建筑物等障碍物也会引起一定程度的信号衰减（如表1所示）。
随着移动通信技术的发展，5G网络通过波束赋形等技术在一定程度上降低了多径传播损耗。同时，由于5G网络在城区的站间距更小（通常仅为几百米），也有效降低了空间传播损耗，因此，在地面网络覆盖中，衰减损耗成为更为重要的影响因素。
在低空区域，由于空旷、无遮挡，无线信号的主要损耗是空间传播损耗。相比于地面网络，信号衰减会大幅减少。尽管基站天线设置了下倾角，但天线上旁瓣辐射信号仍然会覆盖低空区域，加之传播损耗小，很容易出现多个基站信号重叠覆盖的情况，导致严重的干扰。
表1 无线信号穿透损耗测量值（dB）
在某城区基于现网3. 5GHz频段5G网络的低空实际测试中发现，在现网基站工参配置下，低空120m高度处的5G信号强度表现较好，RSRP（参考信号的接收功率）普遍高于-95dBm，但SINR（信噪比）表现较差，高于-3dB的比例仅为84.5%，同时误码率也高达13.6%。由此可见，低空区域5G信号覆盖的电平绝对值并非瓶颈所在，主要问题在于同频干扰导致的信噪比较差。因此，低空区域5G信号覆盖需要解决的核心问题是如何形成主导覆盖，以提升信噪比。
低空信号覆盖的解决方案
由于低空区域空旷、无遮挡，电磁波信号很难得到有效衰减，因此通过消除杂乱信号解决同频干扰问题的路径很难实现。并且现有天线技术上旁瓣信号抑制能力有限，在确保地面网络覆盖质量的前提下，也不太可能对天线工参进行大幅度的调整，因此从源头上消除杂乱信号以解决同频干扰问题的路径同样很难实现。
既然无法有效解决低空区域来自地面网络的同频干扰问题，采用异频覆盖便成为可行的解决方案。异频覆盖的前提是具备与地面网络不同的可用异频资源，这需要从移动网络的整体架构层面进行频率使用规划，可能涉及现有频率规划的调整或新增频率的申请。以中国电信为例，在中国电信与中国联通5G共建共享的背景下，3.5GHz频段有2个100MHz可用带宽，可在一定范围内进行灵活使用；同时，申请5G毫米波频段也是值得考虑的选项。
覆盖方案
在低空异频覆盖的实施方面，基于5G网络的设备性能和技术特性，可以采用以下三种解决方案（如表2所示）。
表2 低空5G网络覆盖的三种解决方案
一是设备专用模式。为低空覆盖建设专用基站，将A AU（有源天线单元）或RRU（远端射频单元）天线的机械倾角配置为负值，实现面向低空的定向覆盖。该模式的优点是设备专网专用，倾角可独立按需调整，不受地面网络约束；提供独立的空口容量，确保良好的网络性能和业务体验。其缺点是需要新增软硬件设备，建网成本高、周期长，且资源利用率低。
二是载波专用模式。为低空覆盖配置专用载波，例如，地面网络使用3.5GHz频段、低空网络使用3.4GHz频段，两个100MHz带宽分别覆盖地面和低空。该模式的优点是可复用现网AAU设备，无需新增硬件，独立载波可提供独立的空口容量，建网成本较设备专用模式低。该模式的缺点是低空网络与地面网络共用AAU时，机械倾角需兼顾地面和低空覆盖，通常设置为0度，地面和低空分别通过调整波束数字倾角控制覆盖区域，导致可调范围受限；单AAU开通双载波后，若原单载波时AAU满功率发射，则开通双载波后原载波功率将减半，可能影响地面网络覆盖；独立载波需新增逻辑小区，会增加建设成本，同时独立载波资源专用可能导致资源利用率偏低。
三是SSB（单边带调制）波束专用模式。在没有可用独立载波的情况下，可选择地面网络的其中一个频点，配置部分SSB波束朝向低空覆盖，以形成一定范围的主导覆盖。SSB波束的配置取决于设备厂家基站的能力和实现方式，不同厂家设备的低空覆盖波束配置存在差异。以华为设备为例，对于采用3.5GHz频段的5G地面网络，通常配置7个SSB水平波束进行地面覆盖，波束垂直半功率角为6度；在低空场景下，可通过调整波束数字倾角实现0#、2#、4#、6#号波束对地，1#、3#、5#号波束对空，或者配置7个SSB波束的垂直半功率角为12度，机械和数字倾角均为0度，此时上面6度对空、下面6度对地，实现同一个波束兼顾空地覆盖需求。中兴通讯设备支持SSB波束“1+X”特性，其中“1”表示提供水平基础覆盖的宽波束，“X”表示提供垂直面拓展覆盖的窄波束或宽波束，X波束的数量可以根据需要配置为0、1、2或3个，可以将1波束用于地面覆盖，X波束则通过配置数字倾角实现低空覆盖。
该模式的优点是能复用现网的软硬件资源，仅需通过参数调整即可实现，因此成本低、组网速度快。该模式的缺点是与地面网络共用AAU时，机械倾角须兼顾地面和低空的覆盖需求，通常设置为0度，地面和低空分别通过调整波束数字倾角控制覆盖区域，导致可调范围受限；地面和低空共享同一个逻辑小区的空口容量，存在资源抢占的风险，网络性能和业务体验保障难度较大；地面网络波束数量的减少可能影响局部区域的覆盖质量。
总体而言，上述三种模式均有其适用的场景，在建设成本、性能体验、空地协同等方面各有优劣，须结合网络现状、业务需求、投资预算等多方因素进行综合评估，因地制宜地选择合适的部署模式。
驻留方案
采用低频覆盖低空，无论选择哪种模式，都不可避免地涉及地空网络协同问题。由于地面网络的无线信号在低空区域依然存在，为确保低空用户优先占用低空异频信号，并有效规避地面同频信号的干扰，需要分别对空闲态、连接态进行互操作设计。
在空闲态下，终端通过重选机制决定占用哪个网络和频段，该机制主要取决于载频优先级和信号强度。根据3GPP协议规定，在空闲态由低优先级向高优先级载频重选时，终端将持续测量高优先级载频，一旦达到门限即可重选；而由高优先级向低优先级载频重选时，终端需要首先达到异频测量门限，即当前服务载频的RSRP低于设定门限才能启动异频测量，且需要满足当前服务载频的RSRP小于设定门限、异频的RSRP大于设定门限两个条件才能完成重选。显然，将低空覆盖载频设置为高优先级更有利于终端重选。该设置适用于设备专用和载波专用模式，但在SSB波束专用模式下，由于需要兼顾地面和低空覆盖，可能导致地面用户更容易重选至该载频，带来容量压力，因此不建议采用这种设置方式。
在连接态下，终端通过切换机制维持载频间的业务连续性，对于同系统内的载频间切换，一般推荐使用“A2+A5”事件触发。A2事件用于触发异频测量，其规则是当前服务载频的RSRP低于设定门限。A5事件用于触发切换判决，其规则是当前服务载频的RSRP低于设定门限1，且目标载频的RSRP高于设定门限2。以地面3.5GHz主覆盖、低空3.4GHz主覆盖为例，当无人机在地面起飞时占用3.5GHz载频，为使其升空后尽快切换至3.4GHz载频，应将3.5GHz向3.4GHz切换的A2门限设置较高（如A2<-70dBm），以便快速启动异频测量；同时，A5门限应将门限1设高、门限2设低（如门限1<-70dBm、门限2>-106dBm），以便快速触发切换判决。当无人机飞行时，应尽量保持占用3.4GHz载频，避免切换到同频干扰严重的3.5GHz载频。此时，应将3.4GHz向3.5GHz切换的A2门限设置较低（如A2<-110dBm），以避免启动不必要的异频测量；同时，A5门限应将门限1设低、门限2设高（如门限1<-110dBm、门限2>-80dBm），以避免触发不必要的切换判决。
在连接态下，除了通过异频切换策略保证终端尽量保持在低空覆盖载频外，还要避免低空覆盖载频信号被其他终端占用时产生的空口资源抢占问题。尤其是在SSB波束专用模式下，由于空地共享容量，低空终端和地面用户终端共享空口资源，当载波负荷较高时容易出现资源争抢。为确保低空终端的业务质量，可通过专用切片或QoS（服务质量）策略进行保障，例如，为低空终端用户配置独立的5QI（5G服务质量标识符），设置较高的调度优先级，使其具备资源抢占能力，从而确保不被其他终端抢占资源。
低空信号覆盖的实践案例
对于设备专用和载波专用模式，基站配置和工程实施相对明确。因此，本文重点针对空地兼顾的SSB波束专用模式进行试点验证。在某城市选择试点区域，该区域地面网络主要采用3.5GHz载频覆盖，且作为热点区域已开通3.4GHz、3.5GHz两个5G载频，故选择3.4GHz为空地兼顾载频，具体试点方案配置如表3所示。
表3 某市试点方案主要参数配置
基于上述方案，现网的波束±3dB点范围是9—15度。受限于试点设备支持的SSB波束数字倾角范围为-2—9度，方案一对地的波束±3dB点范围是3—9度、对空的波束±3dB点范围是-5—1度；方案二的波束±3dB点范围是-6—6度。可以看出，对空覆盖的上3dB点方案一是-5度、方案二是-6度，两者较为接近。
在驻留策略方面，为低空终端配置5QI 70，重选策略同地面网络保持一致，切换策略采用“A 2+A5”机制。其中，3.5GHz向3.4GHz切换配置为A2&A5_1门限-70dBm，A5_2门限-106dBm，切换容易；3.4GHz向3.5GHz切换配置为A2&A5_1门限-110dBm，A5_2门限-80dBm，切换比较难。
在低空120米高度进行5G网络覆盖和速率测试，结果如表4所示。
表4 某市试点方案120m高度的测试结果
试点区域低空测试结果表明，SSB波束专用模式显著改善了低空5G网络覆盖质量，尤其是信噪比指标提升明显，无线网络覆盖率提升了约13个百分点；上下行速率均保持较好水平，其中上行速率≥25Mbit/s的占比达98%以上，能够满足无人机等应用的上行数据回传需求。
由于SSB波束专用模式采用空地共享载波，因此试验也对地面网络的影响进行了评估，评估结果如表5所示。试点区域地面测试结果表明，SSB波束专用模式对地面5G网络覆盖质量未产生明显影响，网络覆盖质量和速率指标表现平稳，较好地实现了空地网络兼顾的目标。
表5 某市试点方案地面测试结果
结语
针对低空5G网络覆盖需求，本文提出了设备专用、载波专用、SSB波束专用三种解决方案，并对网络配置和空地协同相对复杂的SSB波束专用模式进行了试点验证，测试表明，该模式较好地实现了低空5G网络覆盖及空地网络协同。三种模式各有优劣，适用于不同场景，可根据低空经济具体场景和现网配置情况因地制宜地选择合适的部署模式。本文研究课题主要满足了低空通信需求。随着低空经济的发展，针对无人机等“低慢小”航空器的监管需求日益凸显，5G-A“通感算一体”技术展现出显著优势，后续将围绕低空“通感算一体”技术的部署和应用展开研究实践。(作者：刘通 但德东 陈大明)
