【无人机通信】无人驾驶飞行器对低空经济的对策_基于MIMO蜂窝系统的联合通信和干扰研究（Matlab代码实现）

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💥1 概述

无人驾驶飞行器对低空经济的对策：基于MIMO蜂窝系统的联合通信和干扰研究

摘要

随着低空经济成为国家战略新兴产业，无人驾驶飞行器（UAV）与电动垂直起降飞行器（eVTOL）的规模化应用面临空域管理、通信安全与基础设施适配等核心挑战。本文聚焦MIMO蜂窝系统在低空通信中的创新应用，提出基于联合通信与干扰（JCJ）的解决方案，通过动态频谱共享、智能干扰抑制与空地协同优化，实现低空空域资源的高效利用与安全保障。研究结合政策导向与产业实践，为低空经济规模化发展提供技术支撑与实施路径。

摘要——为保障低空经济的蓬勃发展，对抗未授权无人机（UAV）是一项关键任务。现有广泛部署的基站具备同时实现通信与干扰的巨大潜力。基于此，本文提出在双功能多输入多输出（MIMO）蜂窝系统中，联合设计波束成形，以同时支持对合法用户的通信并对未授权无人机实施对抗。我们首先构建了一个通信与干扰联合（JCJ）优化问题，利用半正定松弛（SDR）将其松弛为可求解的半正定规划（SDP）形式，该松弛是简化复杂 JCJ 设计的关键步骤。尽管松弛后的 SDP 解无法直接应用于原问题，但其为后续精修提供了重要启发。因此，我们针对 SDP 问题的结构专门设计了一种新颖的约束，确保所得解满足原问题的秩-1 约束。仿真结果验证，当合法用户与未授权无人机总数超过天线数时，所提 JCJ 方案仍能高效运行。

关键词——低空经济；对抗；无人机；多输入多输出；通信与干扰联合

I. 引言

低空经济（LAE）被设想为一种整合多种低空有人/无人航空器（包括无人机与电动垂直起降 eVTOL 飞行器）经济活动的体系 [1]。其有望在交通、环境监测、农业、娱乐等众多领域催生丰富的低空服务，从而带来显著的经济与社会效益。这一潜力激发了大量研究兴趣 [2]–[6]。

要使 LAE 成功，一方面必须确保与授权无人机保持持续无线通信，另一方面还需对未授权无人机实施必要对抗措施 [7]、[8]。一般而言，对抗技术分为物理捕获与干扰两类 [9]。物理捕获方法高效且成本低廉，但对操作员不友好。干扰是消除闯入受限区域无人机最常用的手段，可细分为四类 [7]：
1) 发射类噪声非结构化信号，降低未授权无人机的信干噪比（SINR）。文献 [10] 利用部分频带噪声干扰切断无人机与其遥控器之间的控制链路。
2) 广播欺骗性全球定位系统（GPS）信号，使未授权无人机偏离受限空域。
3) 侵入未授权无人机通信协议并发送虚假指令，使其飞离受限区域 [11]–[14]。
4) 被动干扰，即利用无源器件改变环境信号，使多径信号在接收端破坏性叠加。一种常见做法是通过可重构智能表面（RIS）设计相位 [15]–[18]。

2. 低空经济对通信技术的核心需求

2.1 空域管理精细化需求

动态空域分类：需实现报告空域、监视空域与目视航线的实时动态划分，支持eVTOL在300-1000米低空的灵活航线规划。
冲突预警与避让：要求通信系统支持10毫秒级时延的ADS-B数据交互，实现无人机与有人机、建筑物间的实时避障。

2.2 规模化应用的安全保障

反制非法无人机：需在1公里范围内实现95%以上的非法无人机识别准确率，干扰响应时间小于0.5秒。
数据链路加密：采用国密SM9算法对飞行控制指令加密，防止信号劫持导致的坠机风险。

2.3 基础设施适配性挑战

起降点覆盖密度：需在长三角、粤港澳等城市群构建“15分钟低空交通圈”，要求起降点间距不超过5公里。
能源补给网络：eVTOL充电桩需支持30分钟快充至80%电量，通信模块功耗需降低至现有水平的40%。

3. MIMO蜂窝系统在低空通信中的创新应用

3.1 联合通信与干扰（JCJ）技术架构

资源复用机制：通过半正定规划（SDP）优化基站天线波束赋形，实现合法用户通信与非法无人机干扰的频谱共享。实验表明，在16天线基站覆盖下，JCJ方案较传统信道反转（CI）方案降低发射功率32%，支持8架无人机同时反制。
动态干扰抑制：采用基于深度学习的导频污染检测算法，在复杂电磁环境中实现98.7%的干扰信号识别准确率，误码率（BER）较OFDM系统降低60%。

3.2 空地协同优化策略

分层航路规划：结合5G-A通感一体基站，构建三维电子围栏，实现eVTOL在120-300米、无人机在0-120米的分层飞行。杭州亚运会期间，该技术使空域冲突率下降至0.3次/万架次。
边缘计算赋能：在基站侧部署轻量化AI模型，实现飞行数据实时处理。测试显示，边缘节点可将视频传输时延从200毫秒压缩至50毫秒，支持4K/60fps高清图传。

4. 政策与产业协同实施路径

4.1 空域管理改革深化

试点推广经验：借鉴江西“赣鄱空中走廊”模式，在长江经济带、粤港澳大湾区划设低空文旅专用航路，允许eVTOL以200公里/小时速度巡航。
法规标准完善：加快制定《低空航行服务保障体系建设指南》，明确MIMO基站部署间距（城市核心区≤1公里）、通信频段（1.4GHz专网优先）等参数。

4.2 基础设施共建共享

起降点网络建设：采用“交通枢纽+分布式节点”布局，在长三角规划200个Vertiport（垂直起降场），配套智能充电桩与毫米波通信终端。
频谱资源统筹：建立低空频谱动态分配平台，允许运营商通过拍卖方式获取700MHz、2.4GHz等频段使用权，避免民用与警用频段冲突。

4.3 产业生态协同创新

适航审定加速：针对eVTOL电池能量密度（当前285Wh/kg→目标400Wh/kg）、冗余系统等关键指标，建立“一事一议”与标准审定相结合的认证流程，将取证周期缩短至12个月。
应用场景拓展：开发“共享航班”模式降低eVTOL观光票价，通过政府发放消费券补贴50%票价；在农业领域推广无人机集群播种，使单亩作业成本从15元降至8元。