【无人机】低空经济中5G RedCap芯片的技术分析报告

1. 引言

图一. 新基建：低空经济

低空经济作为一种新兴的经济形态，涵盖了无人机、电动垂直起降飞行器（eVTOL）、低空物流、空中交通管理等多个领域。随着5G网络的普及和演进，5G RedCap（Reduced Capability）技术因其低成本、低功耗和适中的性能，成为低空经济中物联网设备的关键技术之一。本报告将重点分析5G RedCap芯片在低空经济中的应用，并探讨5G-A通感融合与空联网技术的融合能力。

2. 低空经济概述

低空经济以无人机和eVTOL等低空飞行器的应用为核心，涉及快递物流、地理测绘、城市管理、应急救援等多个领域。据摩根斯坦利预测，到2040年，全球城市空中交通（UAM）产值可达7万亿美元，显示出巨大的市场潜力。

低空经济对通信网络的需求日益增长，要求网络具备高速率、低时延、广覆盖和高可靠性的特点。5G网络的演进，特别是5G-A（5G Advanced）和未来的6G技术，为低空经济提供了强大的技术支持。

图二. 5G-A应用场景

3. 5G RedCap技术基础

3.1 5G RedCap技术背景

5G RedCap是3GPP在Release 17中引入的一项关键技术，旨在满足中高速物联网应用场景的需求。相较于5G eMBB（增强移动宽带），RedCap通过精简设备能力和降低复杂度，实现了成本和功耗的显著降低，同时保留了适中的数据传输速率和通信能力。

图三. 5G-RedCap

3.2 5G RedCap技术标准与特点

• 技术版本：基于Rel-17的RedCap和基于Rel-18的eRedCap。
• 关键特性：支持最大20MHz带宽、减少天线数和接收通道数、支持半双工模式等。
• 成本优势：相较于5G eMBB，RedCap的成本降幅可达70%。
• 应用场景：工业无线传感器、可穿戴设备、视频监控等。

4. 5G-A通感融合与空联网技术

4.1 通感融合技术分析和应用

4.1.1 通感融合技术概述

通感融合是5G-A及未来6G网络的关键技术，它将通信与感知功能集成到同一网络中，通过共享通信基础设施的频谱资源、空口基数、硬件资源处理单元等，实现类似雷达的感知能力。通感融合的核心在于利用通信基站和其他基础设施同时执行通信和感知任务，提高资源利用效率并降低成本。

图四：通感融合一体化技术实验

2023年5月，华为实现了5G-A立体感知网在低空场景下的无人机航迹准 确追踪等多场景验证，目标识别率达100%，证明5G-A通感基站可实现 探测面0.01m2的目标感知，准确率高达99%，单站探测距离超2km

4.1.2 通感融合的技术挑战与解决方案

技术挑战：

• 感知波束设计：需要设计可动态调整宽度、数量和方向的感知波束，以满足不同场景下的感知需求。
• 波形设计：需要开发同时满足通信和感知需求的波形，如OFDM和LFM波形。
• 干扰管理：通信和感知信号之间的干扰需要有效管理，确保系统性能。
• 算力与同步：通感融合需要强大的算力支持和精确的时间同步。

解决方案：

• 多天线技术：采用大规模天线阵列（ELAA）和AI波束赋形技术，提高方位向的位置精度和波束增益。
• AI与算力技术：利用AI算法进行超分辨感知和数据处理，提升感知精度和效率。
• 时频域资源分配：通过合理的时域、频域和空域资源分配，避免通信和感知间的相互干扰。
• 灵活帧结构：设计灵活的帧结构，支持通信和感知任务的动态调整。

4.1.3 通感融合的应用场景

无人机领域：

• 提升无人机感知定位准确性：通过通感一体化技术，无人机可以在数据传输的同时实现高精度的外部环境感知，提高避障和导航能力。
• 助力低空飞行安全监管：利用通感融合基站构建低空安防系统，实时定位和追踪入侵低空飞行器。

智慧交通领域：

• 交通监控：通过通感基站实现车辆和行人的精确感知与跟踪，提高交通管理的智能化水平。
• 车路协同：结合V2X技术，通感基站可以提供实时路况信息和车辆控制指令，增强车路协同能力。

工业互联领域：

• 工业控制：在工业自动化场景中，通感融合技术可以提供高精度定位和低时延通信，满足工业控制的需求。
• 远程运维：通过无人机搭载通感设备，实现远程巡检和故障排查，提高运维效率。

4.2 空联网（A2X）技术分析和应用

4.2.1 空联网技术概述

空联网（A2X）技术允许无人机设备之间、或无人机与其他设备之间直接通信，无需通过蜂窝网络进行连接。这种直接通信功能可以提供低延迟通信，支持无人机在复杂环境下的自主飞行和避障。

4.2.2 空联网的技术优势

• 低延迟通信：A2X技术可以显著降低通信延迟，提高无人机在紧急情况下的响应速度。
• 自主避障：通过无人机之间的直接通信，实现飞行中的自主避障，提高飞行安全性。
• 扩展覆盖：在蜂窝网络覆盖不足的区域，A2X技术可以提供稳定的通信连接。

4.2.3 空联网的应用场景

城市空中交通（UAM）：

• 空中出租车：通过A2X技术实现车辆间的实时通信，支持编队飞行和自主调度。
• 空中物流：无人机在执行配送任务时，可以利用A2X技术进行空中避障和路径规划。

图五：空联网赋能低空飞行器通信

应急救援：

• 灾情勘察：无人机通过A2X技术组建临时通信网络，快速回传灾区现场信息。
• 物资投送：在灾区通信中断的情况下，无人机可以通过A2X技术实现精准投送救援物资。

军事领域：

• 集群作战：无人机集群通过A2X技术实现信息共享和协同作战，提高作战效率。
• 侦察监视：利用A2X技术实现无人机之间的实时数据交换，提高侦察监视的准确性和实时性。

5. 5G RedCap芯片在低空经济中的应用

5.1 应用场景

• 无人机通信：支持无人机的高清视频传输、遥控指令接收等。
• 低空安防：通过无人机搭载RedCap芯片，实现低空区域的实时监控和入侵检测。
• 物流配送：应用于无人机快递物流，提供稳定可靠的通信保障。

5.2 芯片特性与优势

• 低功耗：满足无人机等低空飞行器的长时间续航需求。
• 低成本：降低终端设备的整体成本，推动低空经济的规模化应用。
• 广覆盖：支持多频段操作，提升低空区域的通信覆盖能力。

5.3 主流芯片厂商动态

• 高通：推出骁龙X35和X32平台，支持4G/5G双模。
• 联发科：计划发布全新平台，针对消费和行业领域。
• 紫光展锐：V517芯片支持5G LAN、高精度授时等行业特性。

6. 关键案例分析

6.1 中国移动的低空网络试验

中国移动携手华为、中兴等设备商，在多地开展5G RedCap低空网络试验，验证其在无人机通信、低空安防等领域的应用效果。试验结果表明，5G RedCap芯片能够满足低空经济对高速率、低时延通信的需求。

6.2 中国电信的无人机监控项目

中国电信利用5G RedCap技术，在多地部署无人机监控系统，实现对重点区域的实时监控和入侵检测。通过RedCap芯片的低功耗和广覆盖特性，显著提升了监控系统的运行效率和可靠性。

7. 技术挑战与未来展望

7.1 技术挑战

• 标准化进程：5G RedCap和5G-A通感融合技术的标准化工作尚在进行中，需要产业界共同努力推动。
• 成本问题：尽管RedCap芯片的成本已经显著降低，但仍需进一步优化以满足大规模商用的需求。
• 覆盖范围：低空区域的复杂环境对通信网络的覆盖范围提出了更高要求。

7.2 未来展望

• 技术融合：5G-A通感融合与空联网技术的进一步融合，将显著提升低空经济的智能化水平。
• 市场应用：随着技术的不断成熟和成本的进一步降低，5G RedCap芯片将在低空经济领域得到广泛应用。
• 政策支持：政府将继续出台相关政策支持低空经济的发展，推动相关技术的研发和应用。

8. 结论

5G RedCap芯片凭借其低成本、低功耗和适中的性能优势，成为低空经济中物联网设备的关键技术之一。通过融合5G-A通感融合与空联网技术，可以显著提升低空飞行器的通信和感知能力，推动低空经济的智能化发展。未来，随着技术的不断成熟和市场的不断扩大，5G RedCap芯片将在低空经济领域发挥更加重要的作用。