Ranplan 低空域场景 无线网络仿真规划探讨（低空经济）

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Ranplan 低空域场景

无线网络仿真规划探讨（低空经济）

      低空经济，就是以航空器为主、低空活动为牵引，以通用航空产业为主导，多产业融合的新经济形态。以民用有人驾驶和无人驾驶航空器为主，以载人、载货及其他作业等多场景低空飞行活动为牵引，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态。这种经济形态，在促进经济发展、加强社会保障、服务国防事业等方面发挥着日益重要的作用。

依据国家2024年1月1日起执行的《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》[1]，低空轨道的场景划分，大致分为如下两类：

1、适飞空域：0-120m的空域，为微型、轻型、小型无人驾驶航空器的适飞空域。

2、管制空域：高120m以上空域，为大型无人机，载人小型飞机、热气球飞行器军用航空超低空飞行空域。

      本文将探讨使用Ranplan Professional工具进行低空经济领域的网络规划与网络部署，主要聚焦于0-3000m空域、飞行器航道的网络规划与网络仿真评估。

针对低空域场景无线网络，主要从如下几个方面考虑：

1、 低空域场景下，环境对信号的影响。

考虑无人机UAVs(Unmanned Aerial Vehicle)在大区域面积组网，天气环境条件对信道的影响，垂直区域空气层对信号环境的影响。根据Ranplan的相关研究，在0-3000m的空域环境下[2，3]，

1）通过分析发现，不同区域的气象环境变化，会对信道产生较大影响，组网方案需要考虑同一集群下的不同天气环境差异。

比如：在同一UAVs的集群下，部分区域是晴朗的气象条件，部分是大雨的气象条件。

2）在0-3000m垂直空域的条件下，空气层对信道的影响。通过分析发现，该高度条件下，UAVs-地面场景，低频段下空气层对信号的影响较小，而在毫米波频段，仅需考虑大气吸收对信号的影响即可[4]。

2、 UAVs的集群分布式组网

把UAVs当做移动性基站和中继设备，考虑集群式组网，进行UAVs的组网研究与试验。

3、 UAVs 在低空域环境下的自动布点能力。

在0-3000m的空域条件下，Ranplan Professional提供UAVs的自动布点规划能力，考虑如下因素：

1）基础信号RSRP的覆盖情况。

2）UAVs的移动性考虑。

     在该空域条件下，平均150km/h的移动速度，考虑多普勒频移的影响。通过研究发现，在该速率条件下，多普勒频移可以作为影响因素，但影响较小[4, 6]。

3） 地球曲率对大面积覆盖条件的影响。

      根据目前UAVs的设计理念，在集群的覆盖组网中，由于覆盖组网面积不是很大，可以不考虑地球曲面带来的影响，地球曲率对UAVs组网规划影响较小[5, 6]。

4、 把RIS技术引入到UAVs组网

RIS（Reconfigurable Intelligent Surface，智能超表面）技术，有着突出的技术特点：

• 无需RF链接
• 无源反射
• 不占用额外的频谱资源
• 增强信号覆盖环境
• 安全通信技术
• 传感与定位
  

  把RIS技术引入到UAVs的组网设计中，利用RIS的特性，除了增加信号覆盖，还可以塑造传播环境，实现感测和定位。

5、 低空域网络规划与仿真的必要性

在0-3000m空域条件下，因为一般飞行器的试飞测试成本很高（几十万到几万不等），为了能够更加灵活，更加经济地进行航道规划和评估模拟，低空域场景引入专业的仿真规划工具，就显得异常重要了。这既是一种可靠的技术手段，又是一种能够有效降低成本的经济措施，基本可以满足低空域场景的规划评估需求。

案例分析

场景描述：

1、高度3000米

2、垂直分层高度50米栅格

3、UAV（终端相对速度）小于等于200公里/小时

4、UAV基站覆盖半径大约100公里 ，设计一个70公里的飞行航道

以单个UAV作为一个移动式基站，在3000米高空，覆盖整个空域航道。

结果及呈现：

航道区域RSRP 3D呈现

Ranplan工具-航道区域RSRP统计及2D呈现

Ranplan工具-航道区域RSRP统计及3D呈现

结 论

      Ranplan工具，通过科学的环境建模和精细化的信道模拟，真实评估低空域的组网分布及无线信号覆盖情况。Ranplan提供的低空域网络评估方案，能够有效的为UAVs组网研究等提供支撑能力。

1、 UAVs通信技术是现代通信技术的一个重要分支，它涵盖了多种技术和协议，旨在确保无人机能够高效、可靠地与地面站或其他无人机进行通信。UAVs 通信技术的重要性在于它能够支持无人机执行各种任务，如监控、物流配送、紧急救援等。Ranplan较早地做了包括LEO低轨道及UAV低空通信技术研究，有成熟的研究应用方案。

2、 新的通信技术的发展，为UAVs组网带来新的特性。高带宽、低延迟的网络特性能够支持更复杂的UAVs应用场景，如高清视频传输、远程控制等。Ranplan可以提供全面的无线通信技术指标评估，仿真评估网络覆盖、容量、时延及可靠性等重要的技术指标，可极大减少组网测试成本。

3、 波束成形（Beamforming）是一种天线技术，通过调整天线阵列中各个天线单元的相位，使得信号在特定方向上增强，而在其他方向上减弱。在 UAVs 通信中，波束成形可以用来提高信号强度，减少干扰，从而提升通信质量。Ranplan可通过建模Massive MIMO设备模型，真实模拟Beamforming技术在网络中的通信质量，同时Ranplan在RIS技术应用和仿真算法上有较成熟研究，完全可用于UAVs低空通信的技术需求。

4、 由于UAVs在空中会有较高概率的视距链路，可以更容易地建立与地面站之间的LOS直视路径，这有助于提高通信链路的质量。在一些特殊的应用场景中，如海上通信，UAVs也可以作为中继节点，帮助延长通信距离或改善通信质量，多中继通信技术可以提高UAVs网络的灵活性和鲁棒性。Ranplan提供全3D的射线追踪传播模型，完全适用于低空全3D区域的通信信道评估，可以提供多样化的UAV组网模拟方案，例如：把UAVs视为基站、 中继、RIS反射面等，为UAVs组网研究提供更好的模拟平台。

5、 自组网是一种无需固定基础设施即可工作的网络，特别适合于UAVs集群通信。UAVs可以形成一个临时的自组网络，彼此之间直接通信或者通过多跳的方式与地面站通信。Ranplan可以基于空中区域和轨迹以无人机集群方式进行自主网络规划和协同，能为低空网络服务提供快速的设计评估或迁移预案。

参考文献：

1. 中国人民政府网https://www.gov.cn/zhengce/content/202306/content_6888799.htm

2. EU Horizon COVER Project: https://cordis.europa.eu/project/id/101086228

3. EU Horizon UNITE Project: https://cordis.europa.eu/project/id/101129618

4. 3GPP TR36.377

5. A. Goldsmith, Wireless Communications. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, 2005. page 35, Eq. (2-18)

6. Ranpan research report: A Survey of Air-to-Ground Propagation Channel Modeling for Unmanned Aerial Vehicles