低空经济（Low-Altitude Economy，简称LAE）是利用1000米以下空域进行飞行活动，创造商业和社会价值的新经济形式。涉及有人和无人驾驶飞机在非地面网络（NTN）中进行，推动物联网（IoT）、人工智能（AI）、交通运输、物流、旅游、农业和灾害监测等领域的应用。低空经济引起全球关注。美国联邦航空管理局与国家航空航天局合作制定建设标准和智能管理服务，加拿大交通部则设立LAE安全法规。欧盟的欧洲航空安全局负责监管相关政策，英国民航局也制定了相应规则。中国民航总局发布政策，吸引大疆创新、亚马逊Prime、顺丰快递和Autel Robotics等公司参与。
6G网络将整合地面和非地面网络（卫星和飞机），创建综合空地网络（IAGN），包括地面和空中基站、用户设备，以及支持低空经济的基础设施。需开发数字管理服务系统，提供飞行计划、导航和监控服务。![]()
CNPC在综合空地网络（IAGN）中作为通信链路，对飞机控制和导航至关重要（图1）。它操作在低数据速率，但要求高可靠性、安全性和低延迟。控制站需实时发送命令给非/半自主飞行器，飞行器则通过上行CNPC回传飞行状态和位置信息，以便控制。PC指的是根据应用场景进行的任务相关通信。相比CNPC，PC通常对延迟和安全要求更宽松。飞行器的PC链路可以重用现有的频谱，如长期演进（LTE）频段可以被用于蜂窝覆盖，或使用新的频谱，如毫米波频段用于高容量无线回程。除了通信外，IAGN的强大感知能力是支持LAE的另一关键技术。直观地说，感知可以基于雷达反射信号进行。除了射频感知，飞行器上的传感器还提供多模态感知信息。这些技术提供了准确的环境信息，也大大助力了LAE的各种业务活动。低空经济发展快，但面临避障系统设计难、通信开销大等挑战。预计2030年飞机数量激增，需有效监控。现有点对点通信模式难以满足管理需求。6G网络提供基于卫星的集成、频谱共享和ISAC技术，有望解决这些问题。第二部分描述应用场景，第三部分介绍前提技术，第四部分展示由飞行器实现的感知和通信功能，第五部分讨论未来方向。![]()
图1：支持LAE的IAGN网络架构
低空经济（LAE）的应用场景主要由航空器的通信、感知和运输三大功能实现。以下将详细介绍这些功能在不同场景中的应用（图2）。航空器通信对低空经济关键，尤其作为空中基站（ABS），能覆盖无蜂窝网络地区、拥挤区域，及支持灾难后通信重建。航空器也用作中继器，连接远距离基站和用户设备（UEs），及进行信息分发和收集延迟容忍消息。除了通信驱动的应用场景，航空器的感知能力也可以支持众多应用。首先，其感知能力在障碍物规避中发挥了关键作用，保障了飞行的安全和可靠性。其次，在空域管理方面，合法航空器可以与基站合作检测非法无人机，并在必要时进行打击。第三，航空器上配备的多模传感器可以收集温度、湿度和气压信息，用于天气预报。![]()
图2：LAE的应用场景
此外，先进传感器助力城市规划、建筑、土地管理（提供数字高程模型、三维地图、地形测绘）。在环境监测中，航空器监测空气质量、水质、土壤污染，并预警自然灾害（火灾、洪水、台风、地震、滑坡）。农业上，用于作物监测、病虫害防治、施肥。航空器的机动性也提高了搜救效率，能进入难达区域。除上述的功能之外，传感器航空器在物流中提升货物调度效率，城市里快速配送包裹和外卖，解决“最后一公里”问题。在偏远地区，航空器用于邮件和包裹配送。还能提供短途客运（空中出租车）和紧急医疗运输服务。
在本节中，我们将介绍支撑低空经济（LAE）的关键技术，包括网络覆盖和飞机检测，如图3所示，并展开讨论。
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图3：支持LAE的先决条件技术
为了提高通信性能，飞机需要连接到蜂窝网络。然而，这对现有地面设备的性能会有影响，因此需要一系列措施来解决覆盖问题。初始蜂窝接入时，基站（BS）发送同步信号块（SSB）助飞机搜索和选择小区。飞机基于最强接收功率的参考信号选择最佳小区，而非最近的小区。飞机可连接更多基站，需多小区协作以获宏分集增益。这需更多资源和计算复杂度，待进一步研究。飞机通信与传统地对地通信差异大，信道动态性强。空对地（A2G）信道受遮挡影响，空对空（A2A）信道以空对地视距（LoS）为主，多普勒频移对测量挑战大。精确信道模型对提升通信性能必要，数字孪生技术如低空地图或有助益。飞机频谱感知优化通信效率，通过认知无线电和用户优先级分配资源块（PRB），减少干扰。结合能量检测、匹配滤波等方法，飞机与基站协作，实现PRB有效分配，缓解频谱压力。
飞机检测技术对低空经济至关重要，特别是在空中交通管理和障碍物避免等应用中。飞机可以通过非合作被动感知和合作主动感知技术进行检测。在非合作被动感知中，地面基站发射感知信号，飞机接收并反射该信号，然后地面基站接收回波信号以检测飞机的位置和状态。这种方法不需要飞机主动参与，因此特别适用于检测未经授权的飞行器。在合作主动感知中，飞机作为感知节点，主动发送感知信号，并通过与地面基站或其他飞机的合作，增强感知精度和可靠性。这种方法不仅适用于空中交通管理，还可以用于环境监测和灾害应急响应等应用。
在低空经济中，飞行器的高机动性和灵活性使其能够支持多种感知和通信功能。因此，接下来将详细介绍飞行器在低空经济中的三大主要辅助功能。
1. 飞行器辅助感知
1.1 非地面目标感知
飞行器能检测其他飞行器和鸟类，形成集群以确保飞行安全。它们能感知并避开非合作飞行器，但高移动性目标需实时波束跟踪，气流不稳定性增加了难度。
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图4：飞机辅助传感和通信
1.2 地面目标感知
飞行器通过共享感知信息扩大覆盖范围，提高目标估计精度。多模态传感器提升性能，但视距链路外的视为干扰。需研究波束成形、功率控制和轨迹规划以减少干扰。
2. 飞行器辅助通信
飞行器的灵活性和机动性可以支持多种通信任务。典型的应用场景包括：
2.1 飞行器辅助全覆盖
飞行器可作空中基站（ABS）提升偏远地区通信。面对位置选择、续航和干扰等挑战，其高机动性有助于广泛覆盖用户设备。
2.2 飞行器辅助中继
在缺乏可靠通信链路时，飞行器可作为中继站，捕获、放大并中继信号，提升长距离无线连接质量。与空中基站不同，空中中继减轻机载设备负担。需研究多中继站网络中的任务与中继站匹配问题。
2.3 飞行器辅助流量卸载
传统地面蜂窝系统难以覆盖边缘用户或热点区域，飞行器辅助蜂窝卸载是有效解决方案。飞行器高机动性使其能灵活调整，满足热点区域通信需求。
飞行器可同时传输综合感知与通信（ISAC）信号，以提高频谱效率（图5）。联合设计飞行轨迹和波束成形可同时提升感知和通信性能。不同设计下，飞行器会根据感知波束增益阈值调整飞行轨迹，以接近感知目标或用户设备。![]()
图5：飞机协助ISAC
在未来，低空经济（LAE）的发展方向有许多值得探索的领域（图6）。
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图6:LAE的未来发展方向
在低空经济中，航空器需共享感知信息。传统多接入方案会导致传输延迟，对实时任务不利。空中计算（AirComp）方案通过波形叠加聚合数据，但航空器移动性增加了信道平衡难度。低空经济中的协同信息共享需进一步研究。AI在低空经济中助力智能物流和自动驾驶，但航空器的计算能力限制了AI模型训练。联邦学习（Federated Learning，FL）允许航空器在本地更新模型并共享更新，避免数据隐私泄露。低空经济中航空器参数对FL性能影响显著，需进一步研究。航空器的能源有限，需要优化任务能量分配，如发射功率和飞行轨迹，以减少充电或更换电池的频率。此外，优化充电站位置可提高低空经济中的充电效率。无线电力传输（WPT）在设备供电中应用广泛，其在低空经济中的应用是提高能源效率的潜在解决方案。
在6G无线网络中，非地面网络与地面网络的集成支持低空经济。本文介绍了飞行器的感知、通信和运输功能对LAE应用场景的支持，并讨论了必要的技术，如网络覆盖和飞行器检测。总结了飞行器辅助的感知和通信功能，包括对非地面和地面目标的感知、全域覆盖、中继和流量卸载。LAE作为新兴领域，具有巨大潜力和应用前景，但仍面临挑战，需要在信息共享、人工智能模型训练和能效优化等技术领域深入研究和创新。随着技术的发展，LAE有望在更多应用场景中发挥独特优势，推动经济和社会发展。
参考资料
(6G Non-Terrestrial Networks Enabled Low-Altitude Economy: Opportunities and Challenges)
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