3GPP的通感用例和需求分析-2

今天我们继续来看3GPP定义的通感用例。在3GPP的通感用例和需求分析-1中，详细分析了智能家居入侵者检测以及高速公路上的入侵者检测的场景和需求，这些都属于针对物体的监测和跟踪的用例。除此之外，还有针对环境和运动方面的监测用例。

物体的监测和跟踪：Object?detection and tracking；环境监测：Environment?monitoring；运动监测：Motion?monitoring；

今天我们接着来了解另外一类物体的监测和跟踪：无人机相关用例。

01、无人机飞行轨迹追踪用例

无人机，简称UAV（Unmanned aerial vehicle）。目前各种商业无人机（commercial UAVs）服务正逐渐兴起。商用无人机通常按照预先设定的航线飞行，遵循规定的位置、高度、速度和方向。例如，包裹递送无人机（package-delivery UAV）从包裹寄件人处飞行至包裹收件人处；任务执行（例如环境监测）无人机从无人机机场飞行至目标区域。

对于这些商用无人机来说，航线至关重要。它们的飞行路线由无人机服务运营商、无人机管理部门或无人驾驶航空系统服务供应商(USS )/非螺旋桨航空系统交通管理 ( UTM ) 进行优化和批准。通常，它们的飞行距离最短，需避开禁飞区，并与障碍物（例如建筑物、树木、山丘）和其他商用无人机保持安全距离。

虽然无人机配备了传感器，来保持它可以沿着航线飞行，但外部的无人机飞行轨迹追踪功能仍然是必要的，因为这些传感器有时会受到限制。例如，摄像头会受到光照的影响；无人机载雷达会受到降雨或降雪的影响等。如果发生这些事件，无人机将无法正确判断自身的位置、高度或速度，从而无法遵循追踪的航线。

虽然目前已有专用的无人机监视设备和雷达，但由于可用场地不足、安装和维护成本高，其大规模部署面临很大挑战。相比之下，使用5G系统可以提供一种经济有效的方法来追踪这些无人机，例如，无处不在的5G网络基础设施可以更好地追踪每架无人机的飞行轨迹。

具体来说，5G RAN可以依靠无线电感知来获取无人机位置和运动信息（例如距离、角度），并将3GPP感知数据发送到位于5G系统中的感知处理单元。如下图所示，连接到5G RAN的UE可以配置为辅助感知操作，从而增加感知覆盖范围，提供更多定位参考点，并提高感知结果的准确性和鲁棒性。这种改进是由于UE的密度高于基站，这增加了某些UE位于与无人机距离比与5G RAN距离更短的位置的可能性（例如，无人机位于两个5G RAN中间，而UE位于无人机下方），或者考虑到无人机在不同反射方向上的雷达截面 (RCS) 变化，某些UE位于比5G RAN具有更大RCS的反射方向上。

5G感知处理单元可以从一个或多个网络基础设施收集感知数据。可信第三方应用（例如无人机服务运营商、无人机管理部门、USS/UTM）提供无人机飞行轨迹追踪服务。

服务流程的举例如下：

某无人机运营商/UTM在5G网络覆盖区域提供包裹递送服务，向5G网络运营商订购无人机飞行轨迹追踪服务。

无人机运营商/UTM向5G网络运营商提供待感知无人机特征、时间和空间（涵盖管制的无人机飞行航线及可能的偏离航线地点）的无人机飞行轨迹追踪服务。

当指定时间开始时，5G网络运营商在指定空间启动无人机飞行轨迹追踪功能，直至指定时间结束。

无人机操作员控制UAV#1，并按照规定的飞行路线飞往包裹投递目的地。

通过无线电感知，一组5G基站和UE探测到无人机#1，然后估算其位置和运动相关指标（例如距离、角度）以及目标物体是否在覆盖范围内，从而生成3GPP感知数据。5G RAN和UE随后将3GPP感知数据发送到 5G感知处理单元。

在某些情况下，在飞行过程中，如果基于感知和位置信息检测到 UAV#1?离开了旧基站的覆盖范围并进入了新基站的覆盖范围，则旧基站可以停止无线电感知并以省电模式运行。新基站将启动并持续感知 UAV#1，直到其超出覆盖范围。需要注意的是，可以根据5G感知处理单元估计的 UAV 位置和速度来判断 UAV#1?是否离开了基站的覆盖范围。因此，网络可以根据此信息决定在某些基站中激活或停用感知功能。在其他情况下，网络可以根据指定的时间段配置基站感知操作的启动和停止。在其他情况下，无人机在飞行过程中，基于位置信息、飞行轨迹、感知需求、网络状况（例如网络负载）等，如果检测到当前监测UAV#1?的基站的感知覆盖范围减弱，或有新的基站可以提供更好的感知覆盖范围来监测UAV#1，则可以触发主动感知切换。这将有利于感知服务的连续性。

5G传感处理单元从一个或多个RAN和UE收集无人机3GPP感知数据，并估计其位置和速度，并将感知结果（例如无人机位置、速度）实时发送给无人机操作员和/或UTM。

根据接收到的传感结果，无人机操作员和/或UTM追踪UAV#1?的飞行轨迹。一旦UAV操作员和/或UTM检测到偏离航线事件，则会进一步控制UAV#1?的飞行轨迹。

UAV#1?沿着追踪的飞行路线将包裹运送到目的地，或者其偏离航线的行为被感知到。

无人机飞行轨迹追踪传感结果性能要求

所以在这个用例中，5G系统应能够支持RAN和UE感知感兴趣的空中无人机的特征，包括生成与物体的位置和运动指标相关的3GPP感知数据。并可以暂时关闭不参与感知和通信操作的发射器和接收器，或者调整感知操作参数（例如感知频率）。并且根据运营商的政策，5G网络可为运营商提供安全手段，向可信第三方公开所需感知服务区域位置的感知服务可用性信息。5G系统应能够提供支持感知服务连续性的手段，等等。以下是性能需求KPI：

场景：无人机飞行轨迹追踪置信度：不适用定位估计精度：1-2米（水平/垂直）速度估计精度：1-2米/秒（水平/垂直）范围感知分辨率：1m x 1m ~10m x 10m?速度感知分辨率：1m/s x 1m/s ~ 10m/s x 10m/s?最大感知服务延迟：100~1000 ms刷新率：1Hz漏检率：5%误报率：5%

02、无人机入侵检测感知用例

无人机广泛应用于航拍、警务、城管、农业、地质、气象、电力、抢险救灾等各种场景。特别是未来的智慧城市，大量的无人机将被用于改善我们日常生活的质量，包括工业巡检、治安巡逻、货物运输、视频直播等。然而，这也给无人机监管带来了巨大的挑战，原因如下：

1 ）低空无人机具有数量多、体积小、飞行区域广、广泛用于执行复杂多样任务的特点，如果仅使用传统的雷达系统，无人机监管将变得非常困难。

2 ）无人机可能会有意或无意地侵入某些禁飞区（如机场、军事基地），并导致严重后果，如使用摄像头泄露保密或私人信息、阻塞飞行路线上的其他无人机交通等。

那么5G无线信号可用于提供通信的无线接入，同时还可以生成用于物体检测的传感数据，例如感知特定区域内非法飞行的无人机的存在或接近程度。5G系统可以通过处理感知数据并输出感知信息（例如相对位置、高度、距离、速度、方向）来提供感知服务。在这种情况下，5G系统可用于在无人机非法飞行禁区场景中感知无人机入侵，包括轻轨、机场、政府设施、研究机构、高铁站、临时演出场地以及其他永久或临时禁区等。

此外，考虑到无人机进入禁区是违法的，甚至无人机本身也可能是违法的，这种感知操作不需要无人机的配合。这意味着无人机可能不知道这种感知操作。当多架无人机出现在同一禁区时，5G系统可以感知多架无人机的存在或接近。下图展示了无人机与轻轨碰撞风险（一级）。

另一个例子是航线保护区入侵检测：无人机航线碰撞事故（二级）。与宽阔的禁飞区（例如机场、军事基地）相比，无人机的飞行路线由UTM预先分配，在给定的时间段内，垂直和水平空间受到限制，并且通常更窄更长，对入侵者的位置要求更严格。此类空间路线应受到保护，以防止非法或未合作的无人机发生碰撞和非法使用。

以下图为例，飞行路线的特征可以虚拟化为一个横截面积为40 x 20米的3D隧道，5G系统应在空间和时间上连续监控或感应该隧道，以检测是否存在未经授权的使用。如果在给定的无人机路线上检测到非法无人机，5GS将触发入侵警报，UTM将采取进一步措施，警告已分配该路线的无人机可能重新规划路线或采取其他必要行动。

例如，有三架无人机（A、B、C）在禁区周围飞行。无人机A飞入物流无人机的航线保护区并被检测到，并以所需的精度进行密切跟踪；当无人机B和无人机C在轻轨附近飞行被检测到，并以所需的精度进行密切跟踪。在感知领域，5G系统实时向UTM上报感知结果，并持续感知。

USS /UTM 可以触发向无人机发送警告信息，通知控制器根据移动网络传感信息的分析结果，对目标进行预警。或者，USS/UTM将触发无人机对抗措施，阻止无人机在物流无人机的禁飞区或航线保护区内飞行。

无人机入侵检测感知结果性能要求如下：

场景：户外无人机入侵检测（一级）置信度：95%定位估计精度：≤10m（水平/垂直）速度估计精度：不适用距离感知分辨率：10m?速度感知分辨率：5m/s?最大感知服务延迟：≤1000 ms刷新率：≤1Hz漏检率：≤5%误报率：≤5%
（二级）置信度：95%定位估计精度：≤5m（水平/垂直）速度估计精度：不适用距离感知分辨率：10m?速度感知分辨率：5m/s?最大感知服务延迟：≤1000 ms刷新率：≤1Hz漏检率：≤5%误报率：≤5%

（未完待续）

3GPP的通感用例和需求分析-1