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与传统固定基站的蜂窝通信系统相比，中低空的无人机通信具有成本低、适应性强、部署灵活，覆盖范围广等特点。基于无人机平台搭载轻量一体化的基站，构建空中移动通信平台，凭借其移动的灵活性和视距传输优势，可显著的扩大网络覆盖范围、提高热点区域的系统容量，实现真正意义上的伴随覆盖和按需覆盖。在一些特殊场景中，如救灾应急通信和防御预警等复杂军事任务中，基于无人机的空中移动通信平台可通过调整无人机的姿态和飞行轨迹适应各种复杂的通信环境和苛刻的通信需求。

2022年4月，美国国防部负责研究与工程的副部长办公室（OUSD R&E）发布了“创新后B5G（IB5G）计划”方案征询书（RFS），其目的是充分利用后5G时代各种新颖的通信技术提升其作战能力，使美军能够主导未来网络战场。该项目中，一个重要的研究方向就是集成地面和机载5G的战术组网，提出了基于分布式MIMO及IAB（集成接入与回传，Integrated Access and Backhaul）等技术实现5G自组织移动通信网络，集成D2D（设备到设备）或Sidelink（直通链路）能力，为未来战术网络系统提供更多新架构选项和系统设计方案。

具有MIMO能力节点的自组织分布式战术网络

在无人机移动通信中，需要解决一直以来备受困扰的回传瓶颈问题。将无人机通信和毫米波相结合，具有宽带宽、短波长、空间稀疏性、柔性波束成形、高工作海拔、可控移动性等独特优势，可应用于多种不同场景，其中之一就是利用毫米波通信解决无人机基站的无线回传性能瓶颈。由于无人机通信场景接入和回传都需要无线传输，因此基于毫米波IAB架构实现5G无人机通信已成为灵活、大规模部署5G的潜在解决方案，是提高网络可重构性的重要课题。

在2022年6月冻结的3GPP 5G Rel-17版本标准化了IAB增强功能，在Rel-18的计划中考虑支持移动IAB，其典型的应用场景就是无人机通信下的IAB组网。

据公开报道，华为成功完成39 GHz的5G毫米波接入回传一体化（IAB，Integrated Access & Backhaul）技术的外场测试，测试表明通过接入回传一体化技术可以大幅提高毫米波覆盖范围与容量。测试中，5G终端设备处于移动状态，通过IAB中继站接入主基站，吞吐量超过650 Mbps，端到端时延达到1.6毫秒。

华为无线网络首席技术官童文博士指出：“毫米波IAB技术是5G新空口的关键创新技术，能够延伸业务覆盖到光纤基础设施之外。这将是运营商根据业务需求优化网络投资的又一重要工具。”

华为IAB外场测试图

本文首先介绍IAB技术的网络架构和标准化进展，然后对毫米波IAB实现无人机通信的关键技术进行总结。

一、IAB技术介绍

IAB定义为接入（基站到移动设备）和回传（基站到基站或基站到核心网络）共享相同无线信道。如下图所示，基站gNB #1通过光纤有线回传，而gNB #2和gNB #3则通过基站gNB #1进行回传。gNB #1使用相同的频谱或无线信道为其覆盖范围内的移动设备提供服务，并为其他两个基站（gNB #2和gNB #3）提供回传连接。无线信道资源可以通过时分、频分、空分等方式复用。由于5G网络的覆盖能力要低于4G网络，因此接入节点密度的增加对于网络覆盖范围、网络建设成本、网络部署和管理带来了诸多困难和挑战，通过IAB技术可减少每个接入节点位置的有线回传依赖，通过更简单的部署实现更广泛、有效、低成本的网络覆盖。

1、IAB网络架构

IAB致力于使用现有网络的网元功能和接口，从而实现与现有5G网络的兼容，因此IAB基站也支持Uu、F1、E1、NG以及X2等接口，且包含了gNB基站的功能和移动终端（Mobile-Termination，MT）功能。

IAB基站体系结构如下图所示，包含一个IAB-donor和多个IAB-node，其中，IAB-donor是一个具有IAB功能的基站，它包括CU-CP、CU-UP和DU，通过光纤和核心网连接，给UE提供接入服务并给IAB-node提供无线回传链路。每个IAB-node承载两个NR功能：一个MT，用于与上游IAB-node或者IAB-donor的无线回传连接；一个DU，用于UE或其他IAB-node的下游MT访问接入。DU连接到IAB-donor中的CU，通过无线回传链路运行NR F1接口，因此，IAB-node和IAB-donor的接入栈同时服务F1和Uu两个接口。

IAB体系结构

这种设计实现了无线电协议栈的功能拆分，控制层和上层位于IAB-donor CU 中，下层位于 IAB-node的 DU 中，拆分发生在RLC （无线链路控制，Radio Link Control） 层。因此，RRC（无线资源控制，Radio Resource Control）、SDAP（业务数据自适应协议，Service Data Adaptation Protocol）和PDCP（分组数据融合协议，Packet Data Convergence）层位于 CU 中，而 RLC、MAC（介质访问控制，Medium Access Control） 和 PHY（物理层，Physical） 位于 DU 中。另外一个适配层在RLC之上管理路由，从而实现DU和CU之间的端到端连接。

IAB支持带内in-hand（接入和回传具有相同的频段）和带外out-of-band（接入和回传使用单独的频段）两种方式，其中带内方式是重点，这使得网络设计和管理更具挑战，但可以最大限度的提高频谱利用率。IAB支持Sub-6GHz和6GHz以上频谱，同时既支持独立（Standalone，SA）部署，也支持非独立（Non-Standalone，NSA）部署。

在拓扑结构上，3GPP的Rel.16标准中定义了两种：生成树结构（ST，Spanning tree）和有向无环图结构（DAG，Directed acyclic graph），如下图所示。对于ST结构，每个IAB-node只有一个父节点，父节点可以是IAB-node或者IAB-donor；对于DAG结构，IAB-node可以连接到多个上级节点。

IAB网络拓扑结构

2、IAB标准演进

其实IAB技术并不是5G新提出来的，LTE规范中就包含Relay，但是Relay只支持单个跃点，且中继节点和固定的父基站相关联，接入和回传的资源刚性区分，整体灵活性较低，因此并未广泛部署。2017年3月，3GPP RAN工作组在第75次RAN全会通过由AT&T、Qualcomm、Samsung以及KDDI联合提出的面向NR的IAB研究立项，即RP-170831，着手开始IAB技术的方案评估和标准化建设工作。

3GPP Rel-16版本标准化了5G 无线回传解决方案，通过定义体系架构、拓扑结构、带内&带外中继方式可保证网络稳定性、鲁棒性、覆盖灵活扩展等组网基本问题，通过定义接入回传链路频谱复用方式解决了IAB中继节点双工受限和同频干扰问题，通过定义中继节点间无线接入层切换机制解决了毫米波覆盖范围小、毫米波短时阻塞问题，为IAB技术应用提供了基础。

3GPP Rel-17版本进一步标准化了IAB增强功能，主要包括：允许网络部署进行频繁的拓扑更改、增强IAB主节点间迁移的鲁棒性，提供更稳定的回传，实现更精细的拓扑管理和负载均衡；增强了调度、拥塞、流量控制相关功能，提高网络的端到端传输性能；基于空分复用和频分复用进行双工增强、IAB节点同步传输和接收，提高频谱效率；减少因回传链路波束失败、IAB节点切换失败进行恢复导致的服务中断事件提高网络性能。

3GPP Rel-18计划支持移动IAB，典型的应用场景就是无人机通信下的IAB组网，重点将针对IAB节点移动性下的拓扑管理机制、IAB和移动终端双动态的移动性管理进行标准化和增强，同时针对IAB节点移动造成的干扰问题进行研究。未来的标准化版本中，有可能进一步考虑IAB节点和智能超表面的结合应用，利用人工智能、机器学习等方法进行拓扑管理优化和传输性能优化，引入网络编码提高整体系统频谱效率和吞吐量等。

二、基于毫米波IAB的无人机通信关键技术

1、拓扑管理

下图是一个典型的基于毫米波IAB架构的多层无人机蜂窝网络示意图。第一层包括地面gNB（IAB-donor），负责给地面UE提供访问链接，同时提供与无人机的回传链路；第二层包括多个无人机，无人机既可以是IAB-node，为地面和空中UE提供接入服务，也可以作为空中UE。地面和空中设备组成IAB的ST或DAG网络拓扑，形成多层异构组网。基于IAB的无人机通信组网可以在地面NR基础设施之上，扩展网络覆盖范围、提升网络容量，其中优化复杂的拓扑建立和管理流程是网络高效运行的基础。

无人机下IAB通信组网架构

IAB架构中整个网络的端到端性能很大程度上取决于IAB-donor和末端中继之间的跃点数、IAB-donor可以支持的中继数以及网络形成、路由选择和资源分配的程序。除了初始设置的信令外，CU需要了解传输相关流量负载和回传链路质量，并根据这些信息动态更新IAB节点之间的关联，保证服务的连续性（防止回传链路丢失）和负载均衡（避免拥塞）。在DAG组网架构下，CU还需要进行冗余路由的更新和管理。

无人机IAB组网场景下，为了保证回传关联持续指向描点gNB，无人机可以不断调整位置，加之用户可以动态更改网络关联点，就更加剧了拓扑管理的复杂度。此外，整个网络处于3D空间中，需要考虑无人机－地面基站异构的3D布局、依靠精确的空对地NR传播模型、逼真的UE部署和移动模型，设计适合3D空间中自适应、灵活、有效的优化算法计算无人机节点的部署位置和整个网络的拓扑管理，保证始终高效的性能。

2、资源管理

5G无线网络中用户流量存在各种不同的类型，包括文本、语音、视频等，不同类型的流量有不同的服务质量要求，加之频谱资源的稀缺性，无线资源的分配管理一直都是无线通信研究中的重点。IAB架构下接入和回传共享无线信道，为了避免无线回传的容量成为整个网络的瓶颈，需要整体考虑接入链路和回传链路的无线资源分配方案。

无人机通信场景下需要实现不同节点在空间、时间、频率和其他有限资源的合理分配和共享，针对3D立体组网特性，可重点考虑空间波束的合理分配。MAC层的设计是实现无线资源分配与管理的重要基础，目前IEEE已经提供了支持45GHz以上毫米波频段的MAC层详细设计，但是它更适合低移动性场景，当前支持毫米波无人机网络的研究还集中在PHY层，需要针对毫米波动态链路波动、波束对准耗时、定向传输模式等特点，研究适合移动性网络的MAC层设计方案。

同时，针对无人机3D场景的拓扑特点，需要考虑IAB节点共享信道测量和拓扑路由等相关信息，同步设计逐跳和端到端的资源分配机制，减轻传输条件差的中间节点可能出现的拥塞，实现网络吞吐量的最大化。

3、干扰管理

基于毫米波IAB技术的无人机通信受毫米波特性、无人机移动性、复杂的空地传输环境、IAB架构等因素影响，干扰管理是需要解决的一个重要问题。首先，无人机自身处在复杂的电磁环境中，通信设备需要克服无人机的电磁干扰；其次，毫米波频段信号对环境的小尺度变化非常敏感，无人机的气动干扰和机身晃动会显著影响通道特性，由于频率较高，移动产生的多普勒频移与低于6GHz的频率相比将更加显著，从而容易导致严重的载波干扰和信号衰落；再次，接入和回传共用信道，加之无线回传跳跃的存在，网络中传输链路数量远远大于过去的无线网络，因此会引入严重的干扰问题。

具体而言，在时域中，需要合理的帧设计以保证高效传输，并避免在多路径和多跳路由生成时发生冲突，通过设计灵活的调度算法使频谱效率加倍并降低网络延迟以处理干扰。在频域中，可根据3D网络拓扑和时变干扰来优化全局频谱管理和实时分配，在避免干扰的同时提高网络吞吐量。在空域中，尽管毫米波频段的波束成形技术带来了高频谱效率和抗干扰能力，但需要针对拓扑和连接的快速变化、邻接无人机的数量变化设计快速光束追踪和资源重配。除此以外，针对网络中波束多路复用造成的碰撞和干扰设计，多层网状架构下结合节点位置、子信道对准和发射功率控制推导最优的分配策略等也是可考虑的方法。

三、总结

IAB技术是3GPP考虑用于解决蜂窝网络致密化和扩展覆盖的新兴技术。基于毫米波IAB技术的无人机通信因在接入和回传链路上更高的数据速率、更低的干扰、更灵活的业务动态优势，预计将是一个很有前景的解决方案。同时，这种方案也可以很好的用于解决无人机通信中一直以来备受困扰的回传瓶颈问题。

（注：文中图片来源于网络和参考文献）

Reference：

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