【学习笔记】3GPP支持无人机的关键技术以及场景-3GPP TS 22.125技术报告

目录

引言

1 范围

2 引用

3 定义、符号和缩写

4 UAS概述

5 无人机系统（UAS）远程识别要求

6 无人机使用要求

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引言

这份文件是3GPP TS 22.125 V19.2.0，主要定义了3GPP系统对无人飞行器（UAV）及其系统（UAS）的支持要求，包括远程识别、使用场景、性能要求等。以下是文件的核心内容：

3GPP TS 22.125 V19.2.0 资源下载：

【免费】3GPPTS22.125V19.2.0(2024-06)UncrewedAerialSystem(UAS)sup资源-CSDN文库

1. 范围与概述：
   • 范围：文件明确了使用3GPP系统操作无人飞行器（UAV）的要求，涵盖业务、安全和公共安全需求。
   • 概述：概述了无人飞行器（UAV）和无人飞行器系统（UAS）的基本概念，以及3GPP系统如何为UAS提供控制和用户平面通信服务。
2. 参考模型与通信模式：
   • 参考模型：提供了UAS在3GPP生态系统中的参考模型，包括UAV、UAV控制器、UTM（无人飞行器交通管理）等组件。
   • C2通信模式：详细描述了直接C2通信、网络辅助C2通信和UTM导航C2通信三种模式，每种模式的应用场景和QoS要求。
3. 远程识别要求：
   • UAS身份识别：要求3GPP系统能够支持UTM识别和关联UAV及其控制器，提供UAV和UAV控制器的身份信息。
   • 数据传输与扩展：要求系统能够传输UAV和UAV控制器的详细数据，并支持未来UTM和应用发展的数据扩展。
   • 授权与检测：要求系统支持基于不同认证和授权级别的UAS数据传输，并能够检测未授权操作的UAV。
4. UAV使用场景要求：
   • 网络暴露：要求3GPP系统提供第三方实时监测UAV状态信息的手段，并支持预测和报告网络条件和QoS。
   • 服务限制与UxNB：对UAV上用户设备（UE）的网络服务限制和UxNB（机载无线接入节点）的要求进行了详细说明。
   • C2通信与UAV安全：对C2通信的QoS要求、UAV安全相关的机制以及UTM对UAV通信的控制能力进行了规定。
5. 飞行路径与区域管理：
   • 路径重构与区域配置：要求系统能够根据第三方请求和运营商政策，重新配置网络资源以提供所需的QoS，并支持UTM配置不同的飞行区域。
   • 监测与违规报告：要求系统能够监测UAV飞行路径的偏差和违规情况，并向第三方提供相关信息。
6. 性能要求：
   • KPIs：详细列出了UAV应用、C2通信和定位的性能指标，包括数据速率、端到端延迟、可靠性等。
   • 控制模式与视频辅助：对不同控制模式下的C2通信和视频辅助控制的具体KPI进行了规定。
7. 安全与隐私：
   • 数据保护：要求3GPP系统保护UAS与UTM之间的数据传输，防止身份伪造攻击，并支持身份信息和个人可识别信息的保密性。
   • 隐私保护：在UAS广播识别信息时，要求系统保护UAV所有者、飞行员和运营商的隐私。

这份文件通过详细的技术规范和要求，为3GPP系统支持无人飞行器及其系统的操作提供了全面的指导，旨在促进UAS在商业和民用领域的安全、高效应用。

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技术报告详细分析：

介绍

使用蜂窝网络连接支持无人飞行系统（UAS）的兴趣非常浓厚，而3GPP生态系统为UAS操作提供了极大的便利。无处不在的覆盖范围、高可靠性和服务质量（QoS）、强大的安全性以及无缝移动性是支持UAS指挥和控制功能的关键因素。与此同时，监管机构正在研究安全和性能标准以及注册和许可程序，以开发一个功能完善的私人和民用UAS生态系统，该生态系统可以与商业航空交通、公共和私人基础设施以及普通人群安全共存。

3GPP系统可以为UAS提供控制平面和用户平面通信服务。可以为UAS生态系统提供的服务包括指挥和控制（C2）数据服务、远程信息处理、UAS生成的数据、远程识别以及UAS操作的授权、执行和监管。

1 范围

本文件规定了通过3GPP系统操作无人驾驶飞行器（UAV）的要求。这包括满足与3GPP订阅相关的UAS远程识别和跟踪的业务、安全和公共安全需求的要求。

2 引用

下列文件包含了构成本文件规定的条款，通过本文本中的引用而成为本规定的组成部分。

• 引用是具体的（通过发布日期、版本号等标识）或非具体的。
• 对于具体引用，后续修订不适用。
• 对于非特定引用，适用最新版本。在引用3GPP文档（包括GSM文档）的情况下，非特定引用隐式地指与本文档相同版本中的该文档的最新版本。

3 定义、符号和缩写

3.1 定义

就本文件而言，适用3GPP TR 21.905中给出的术语和定义以及以下内容。如果本文件中定义的术语与3GPP TR 21.905中的定义有冲突，则以本文件中的定义为准。

地面以上高度（AGL）：在UAV的上下文中，它是指UAV相对于附近地面的高度。

指挥和控制（C2）通信：用户平面链路，用于在UAV控制器和UAV之间传达包含UAV操作指挥和控制信息的消息。

无人驾驶飞行系统（UAS）：由无人驾驶飞行器（UAV）和相关功能组成，包括UAV与控制器之间、UAV与网络之间的指挥和控制（C2）链路，以及用于远程识别。UAS由UAV和UAV控制器组成。

注意：UAV可以由不同的UAV控制器控制，但在任何给定时间，UAV仅由一个UAV控制器控制。确保哪个UAV控制器处于活动状态并控制UAV的机制不属于3GPP的范围。

无人驾驶飞行系统交通管理（UTM）：一组用于管理一系列自动驾驶车辆操作的功能和服务。

UAV控制器：UAS的UAV控制器使无人机飞行员能够控制UAV。

UxNB：机载UAV的无线接入节点。它是一种无线接入节点，为UE提供连接，由无人驾驶飞行器（UAV）在空中携带。

3.2 符号

就本文件而言，适用以下符号。

3.3 缩写

就本文件而言，适用3GPP TR 21.905中给出的缩写以及以下内容。如果本文件中定义的缩写与3GPP TR 21.905中的定义有冲突，则以本文件中的定义为准。

• BVLOS：超视距
• C2：指挥和控制
• Remote ID：远程识别
• UAS：无人驾驶飞行系统
• UAV：无人驾驶飞行器
• UTM：无人驾驶飞行系统交通管理

4 UAS概述

4.1 一般信息
无人飞行系统（UAS）是无人机（UAV，有时也称为无人机）和无人机控制器的组合。无人机是没有机上飞行员的飞行器，在某些情况下，无人机可以由操作员通过无人机控制器进行控制，并具有一系列自主飞行能力。在本规范范围内，以及在某些场景中，无人机与无人机控制器之间的通信系统由3GPP系统提供。UAS模型还考虑了无人机控制器通过3GPP范围之外的机制与无人机通信的场景。

无人机的尺寸和重量范围从小型轻便飞机（通常用于娱乐目的）到大型重型飞机（通常更适合商业应用）。监管要求因范围和地区而异。

UAS的通信需求涵盖了指挥和控制（C2）以及UAS组件与服务的3GPP网络和网络服务器之间的上行和下行数据。适用的C2通信模式在4.2条中描述。

无人飞行系统管理（UTM）用于提供一系列服务，以支持UAS及其运营，包括但不限于UAS的识别和跟踪，授权，执行，UAS运营的监管，以及存储UAS运营所需的数据。它还允许授权用户（例如，空中交通管制，公共安全机构）查询无人机及其无人机控制器的身份和元数据。

4.2 C2通信
当使用3GPP网络作为支持UAS服务的传输网络时，以下C2通信被认为是通过保证C2通信的服务质量来提供UAS服务的：

直接C2通信：无人机控制器和无人机建立直接的C2链路以进行相互通信，并且两者都使用5G网络为直接C2通信配置和调度的无线电资源注册到5G网络。

网络辅助C2通信：无人机控制器和无人机注册并建立各自的单播C2通信链路到5G网络，并通过5G网络进行相互通信。此外，无人机控制器和无人机可能通过不同的NG-RAN节点注册到5G网络。5G网络需要支持一种机制来处理C2通信的可靠路由。

UTM导航C2通信：无人机已获得预定的飞行计划（例如，4D多边形数组）以进行自主飞行，但是UTM仍然与无人机保持C2通信链路，以便定期监视无人机的飞行状态，使用最新的动态限制验证飞行状态，提供路线更新，并在必要时为无人机导航。

通常，直接C2通信和网络辅助C2通信是由使用无人机控制器的人类操作员使用的。UTM导航C2通信由UTM用于提供清除的飞行路线和路线更新。为了确保UAS操作C2通信的服务可用性和可靠性，特别是当无人机在操作员的视线之外（BLOS）飞行时，可以为从无人机控制器或UTM到无人机的任何C2通信链路建立冗余的C2通信链路。

出于可靠性和服务可用性的考虑，可以激活多个C2通信，其中一个作为C2通信的备份链路，或者在适用的C2通信链路之间进行切换。

• 例如，可以首先使用直接C2通信，然后在无人机进行BLOS飞行时切换到网络辅助C2通信。
• 例如，可以在需要时利用UTM导航的C2通信，例如用于空中交通管制，无人机正在接近禁飞区，以及检测到潜在的安全威胁等。

在C2通信中，针对无人机操作考虑了四种控制模式，它们对消息间隔、大小和端到端延迟等有不同的要求，包括转向航点、直接操纵杆转向、UTM自动飞行和接近自主导航基础设施。

• 转向航点：控制消息包含从无人机控制器或UTM发送到无人机的飞行声明（例如航点）。该控制模式既用于直接C2通信，也用于网络辅助C2通信。
• 直接操纵杆转向：控制消息包含从无人机控制器发送到无人机的方向指令，同时可选地从无人机向无人机控制器提供视频流量作为反馈。该控制模式既用于直接C2通信，也用于网络辅助C2通信。
• UTM自动飞行：控制消息包含从UTM发送到无人机的预定飞行计划（例如，4D多边形数组），然后无人机进行自主飞行并定期报告位置。该控制模式用于UTM导航C2通信。
• 接近自主导航基础设施：控制消息包含从UTM发送到无人机的方向指令（例如，航点、高度和速度）。当无人机着陆/起飞时，UTM与自主导航基础设施（例如，垂直起降场或包裹配送中心）进行更紧密的协调。该控制模式用于UTM导航C2通信。

5 无人机系统（UAS）远程识别要求

• 5.1 总则
  [R-5.1-001] 3GPP系统应使无人机交通管理（UTM）能够将无人机（UAV）和无人机控制器关联起来，并使UTM能够将其识别为无人机系统（UAS）。

  [R-5.1-002] 3GPP系统应能够向UTM提供UAS的身份信息。

  [R-5.1-003] 3GPP系统应使UAS能够向UTM发送无人机数据，这些数据可以包括：唯一身份标识（这可能是3GPP身份）、无人机的UE能力、制造商和型号、序列号、起飞重量、位置、所有者身份、所有者地址、所有者联系信息、所有者证书、起飞位置、任务类型、路线数据、运行状态。

  [R-5.1-004] 3GPP系统应使UAS能够向UTM发送无人机控制器数据，这些数据可以包括：唯一身份标识（这可能是3GPP身份）、无人机控制器的UE能力、位置、所有者身份、所有者地址、所有者联系信息、所有者证书、无人机操作员身份、无人机操作员执照、无人机操作员证书、无人机飞行员身份、无人机飞行员执照、无人机飞行员证书和飞行计划。

  [R-5.1-005] 3GPP系统应使UAS能够根据不同的身份验证和授权级别向UTM发送不同的UAS数据，这些级别应用于UAS。

  注0：根据地区法规，不同的身份验证和授权级别可以是：初始网络访问身份验证和授权、UAS身份验证、无人机飞行计划授权、额外的UTM服务身份验证，如飞行监控、防撞服务等。

  [R-5.1-006] 3GPP系统应支持随着UTM及其支持的应用程序在未来的发展，扩展发送到UTM的UAS数据的能力。

  [R-5.1-007] 根据法规和安全保护，3GPP系统应使UAS能够向UTM发送以下标识符：IMEI、MSISDN、IMSI或IP地址。

  [R-5.1-008] （此要求）无效

  [R-5.1-009] 3GPP系统应使移动网络运营商（MNO）能够使用以下信息来增强发送到UTM的数据：基于网络的无人机和无人机控制器的定位信息。

  注1：这种增强可以是基于信任的（即MNO通知UTM，无人机位置信息是可信的），或者它可以是基于网络信息的额外位置信息，如OTDOA、小区坐标、同步源等。

  注2：本要求不适用于UAS和UTM之间具有直接控制通信连接的情况，该连接不通过MNO，如OTDOA、小区坐标、同步源等。

  [R-5.1-010] 3GPP系统应使UTM能够向MNO通报运营授权的结果。

  [R-5.1-011] 3GPP系统应使MNO仅在存在适当的订阅信息时才允许UAS授权请求。

  [R-5.1-012] 3GPP系统应使UAS能够使用无人机和无人机控制器的实时位置信息更新UTM。

  [R-5.1-013] 3GPP网络应能够向UTM提供无人机及其控制器的补充位置信息。

  注3：此补充可能基于信任（即MNO通知UTM，无人机位置信息是可信的），或者它可能是基于网络信息的额外位置信息。

  [R-5.1-014] 3GPP网络应支持无人机和相应的无人机控制器同时连接到不同的PLMN。

  [R-5.1-014a] 3GPP系统应支持无人机和相应的无人机控制器同时连接到不同的PLMN。

  [R-5.1-015] 3GPP系统应为网络提供获取UAS信息的能力，这些信息关于其对UAS操作设计的3GPP通信能力的支持。

  [R-5.1-016] 3GPP系统应支持UAS识别和订阅数据，这些数据可以区分具有UAS功能UE的UAS和不具有UAS功能UE的UAS。

  注4：具有UAS功能的UE是指支持与UTM交互功能和3GPP为UAS提供的某些3GPP通信功能的UE。

  [R-5.1-017] 3GPP系统应支持UTM检测未经授权的无人机操作。

  注5：上述要求涵盖的场景有待进一步研究。

  [R-5.1-018] 当UE没有空中订阅时，5G系统应能够检测到连接的UE处于空中状态。

  [R-5.1-019] 5G系统应能够支持一种机制，使网络运营商能够跟踪没有空中订阅的空中连接UE。

  [R-5.1-020] 根据运营商和UTM政策，5G系统应能够向UTM提供空中UE的位置和3GPP身份，以满足UTM的请求。

  注6：3GPP身份和UE位置预期将由UTM用于确定包含UE的空中物体的位置。

5.2 UAS交通管理

5.2.1 概述
注：以下要求对于集中式和分散式UTM均有效。
[R-5.2.1-001] 3GPP系统应提供一种机制，使UTM能够向无人机提供路线数据和飞行许可。
[R-5.2.1-002] 3GPP系统应能够在500毫秒以内的延迟将从UTM接收到的路线修改信息传递给UAS。
[R-5.2.1-003] 3GPP系统应能够在500毫秒以内的延迟将从UTM接收到的通知传递给无人机控制器。
[R-5.2.1-004] 根据MNO策略和/或法规要求，3GPP系统应使UTM能够接管用于控制无人机的通信。

5.2.2 分散式UAS交通管理
[R-5.2.2-001] 3GPP系统应使无人机能够在短距离区域内广播以下数据，以识别无人机并避免碰撞：例如，根据不同法规要求所需的无人机身份、无人机类型、当前位置和时间、飞行路线信息、当前速度、操作状态。
[R-5.2.2-002] 3GPP系统应支持无人机通过网络连接传输消息，以向其他无人机表明自己的无人机身份。
[R-5.2.2-003] 3GPP系统应使无人机在广播身份信息时保护无人机所有者、飞行员和操作员的隐私。
[R-5.2.2-004] 3GPP系统应使无人机能够从其他近距离的无人机接收本地广播通信传输服务。
[R-5.2.2-005] 无人机应能够在3GPP网络覆盖范围内或范围外使用直接的无人机到无人机本地广播通信传输服务。
[R-5.2.2-006] 当发送和接收无人机由相同或不同的PLMN服务时，无人机应能够使用直接的无人机到无人机本地广播通信传输服务。
[R-5.2.2-007] 3GPP系统应支持相对速度高达320公里/小时的直接无人机到无人机本地广播通信传输服务。
[R-5.2.2-008] 3GPP系统应支持具有50-1500字节可变消息负载的直接无人机到无人机本地广播通信传输服务，不包括与安全相关的消息组件。
[R-5.2.2-009] 3GPP系统应支持范围高达600米的直接无人机到无人机本地广播通信传输服务。
[R-5.2.2-010] 3GPP系统应支持能够每秒传输至少10条消息的直接无人机到无人机本地广播通信传输服务。
[R-5.2.2-011] 3GPP系统应支持端到端延迟最多为100毫秒的直接无人机到无人机本地广播通信传输服务。

5.3 （此项为空）

5.4 安全
[R-5.4-001] 3GPP系统应保护UAS和UTM之间的数据传输。
[R-5.4-002] 3GPP系统应防止对UAS身份的欺骗攻击。
[R-5.4-003] （此项为空）
[R-5.4-004] （此项为空）
[R-5.4-005] 3GPP系统应支持对与UAS相关的身份和个人身份信息的保密保护。
[R-5.4-006] 3GPP系统应支持UAS流量的法规要求（例如，合法监听）。

6 无人机使用要求

6.1 一般要求
除了与无人机相关的要求外，3GPP还可用于支持各种商业和政府部门中低空无人机在多种应用和场景中的广泛使用。已经确定并规定了3GPP系统支持各种无人机应用的新服务级别要求和关键绩效指标（KPI），例如与指挥控制（C2）、有效载荷（例如摄像机）和无人机上无线电接入节点的操作相关的服务要求和KPI。

6.2 无人机服务网络暴露
[R-6.2-001] 3GPP系统应提供手段，允许第三方请求和获取无人机状态信息的实时监测（例如，无人机的位置、通信链路状态）。
[R-6.2-002] 根据运营商的政策，3GPP系统应提供手段，向第三方提供有关某一地理区域和/或某一时间无人机服务状态的信息。
注：服务状态是指网络是否能为无人机提供具有一定服务质量的通信服务的信息。
[R-6.2-003] 根据运营商的政策，5G系统应能够支持一种方法，以预测、监测网络条件和QoS（例如比特率、延迟、可靠性），并在无人机的预期飞行持续时间的特定时间，沿其连续的地理计划飞行路径向第三方报告。

6.3 无人机上机载UE的服务限制
[R-6.3-001] 3GPP网络应能够支持基于网络的3D空间定位（例如，高度30~300m）无人机上的UE。
[R-6.3-002] 3GPP系统应能够在无人机上的UE进入未授权连接服务的区域（例如，由于高度原因）之前，通知授权的第三方可能停止连接服务。

6.4 UxNB要求
[R-6.4-001] 5G系统应能够支持UxNB提供增强和更灵活的无线电覆盖范围。
[R-6.4-002] 3GPP系统应能够提供适当的手段来控制UxNB的操作（例如开始操作、停止操作、更换UxNB等）。
[R-6.4-003] 3GPP系统应能够提供手段来最小化UxNB的功耗（例如优化操作参数、优化流量传输）。
[R-6.4-004] 3GPP系统应能够最小化干扰，例如由UxNB改变其位置引起的干扰。

6.5 C2通信
[R-6.5-001] 3GPP系统应支持具有所需QoS的C2通信，用于预定义的C2通信模型（例如，使用无人机和无人机控制器之间的直接ProSe通信，基于UTM和无人机之间的飞行计划的UTM导航C2通信）。
[R-6.5-002] 在C2通信模型之间切换时，3GPP系统应支持具有所需QoS的C2通信。
[R-6.5-003] 3GPP系统应支持一种机制，使UTM能够请求监视具有所需QoS的C2通信，用于预定义的C2通信模型（例如，使用无人机和无人机控制器之间的直接ProSe通信，UTM和无人机之间的UTM导航C2通信）。

7 性能要求

7.1 为无人机应用提供的服务的KPI
5G系统应能够为无人机提供服务性能要求，如表7.1-1所示。
表中无人机发起的QoS指的是上行链路数据（例如从无人机到网络侧）的QoS。无人机终止的QoS指的是下行链路数据（例如从网络侧到无人机）的QoS。
5G系统传输的数据包括安装在无人机上的硬件设备（如摄像机）收集的数据，例如图片、视频和文件。也有可能传输一些软件计算或统计数据，例如无人机管理数据。5G系统传输的服务控制数据可能基于应用触发器，例如无人机上设备的开关、旋转、提升和降级控制。各种无人机应用可能同时需要不同的上行和下行QoS。5G系统可以在同一地区同时向地面上的其他用户提供服务（例如，TS 22.261 [4]第7.1节中定义的农村和城市场景的KPI），而不会降低服务质量。

Table 7.1-1 KPIs for services provided to the UAV applications

7.2 无人机指挥与控制的KPI

无人机可能采用多种飞行指挥与控制模式。指挥与控制（C2）通信指的是双向通信，这可能包括控制无人机本身操作所需的视频。C2消息可以与无人机控制器、UTM或两者进行通信，可能是周期性的，也可能不是。无人机控制器和UTM通信可能基本上同时发生，但所需的QoS不同。如果需要，任何特定任务的通信（例如，用于区域监控的高清视频）都是额外的。本条款中列出了不同的控制模式及其典型的KPI。5G系统应支持无人机在至少离地面120米/400英尺的高度运行，例如，服务应提供至离地面高达3000英尺的特点。

Table 7.2-1 KPIs for command and control of UAV operation

Table 7.2-2 KPIs for video used to aid UAV control.

7.3 定位性能要求

下表7.3-1列出了典型场景及其对水平和垂直精度、可用性、航向、延迟和UE速度的定位要求。

注：“TS 22.261中相应的定位服务水平”一栏将表7.3-1中列出的场景映射到TS 22.261[4]中定义的服务水平。

Table 7.3-1: Positioning performance requirements

7.4 其他要求

[R-7.4-001] 5G系统应支持一种机制，用于在UAS操作的C2通信模式之间进行切换，例如从间接C2通信切换到直接C2通信，并确保断开时间低于延迟要求。

[R-7.4-002] 3GPP系统应支持无人机控制器与无人机之间以及UTM与无人机之间的并发通信，这些通信可能需要不同的KPI。

[R-7.4-003] 3GPP系统应能够在无人机控制器或UTM的请求下，在[500ms]内切换KPI。

附录A（信息性）：UAS参考模型

A.1 3GPP生态系统中的UAS参考模型

图B.1-1：3GPP生态系统中的UAS模型。

在UAS参考模型中：

• 本例中，UAS由一个无人机（UAV）和一个无人机控制器组成
• 无人机通过蜂窝连接进行连接
• 无人机可以由通过3GPP移动网络连接的无人机控制器进行控制
• 无人机可以由不通过3GPP移动网络连接的无人机控制器控制，使用不在3GPP范围内的C2接口
• 通过3GPP移动网络连接的无人机控制器可以控制一个或多个无人机
• UAS与UTM交换应用数据流
  注：存在几种类型的无人机控制器，例如手持式无人机控制器、PC/WS以及作为UTM一部分的自动或手动功能。确保哪个无人机控制器处于活动状态并控制无人机的机制不在3GPP的范围内。