【3GPP 无人机】 3GPP支持无人机的架构模型以及准则-编程知识

1 概述

无人机是当前热门的产品，似乎各行各业都可以应用无人机来做一些事情；比如航拍、送快递、农业应用、应急通信、军事等等。3GPP组织最近几年也在密集讨论无人机产品与商用通信系统的融合问题，让我们一起来看看它是怎么定义和使用无人机的吧。

2 基本概念

3GPP无人机的架构增强引入了以下功能:

在5GS注册期间使用USS对无人机进行认证和授权(可选)。
UAV在建立PDU会话和建立PDN连接过程中使用USS进行认证授权。
支持C2通信的USS授权。
无人机跟踪参考模型，支持三种无人机跟踪模式:无人机位置报告模式、无人机存在状态监控模式和地理区域内航拍终端列表。3GPP系统支持地理围栏(用于飞行中的无人机)和地理定位(用于地面上打算飞行的无人机)功能，通过提供诸如定位服务、向订阅的无人机发出事件通知等使能器。
注:地理围栏/地理定位机制是美国航空公司执行的空中交通管制功能，不在本规范的范围内。3GPP系统提供了支持USS中的地理围栏/地理定位功能的使能器，例如位置服务、启用C2连接、向订阅USS发送事件通知等。然而，在3GPP中没有定义特定的地理围栏/地理定位机制。
支持使用MBS广播远端ID。
支持直接C2通信。
支持基于PC5参考点的检测和避免机制。
支持使用PC5参考点广播远端ID。

3 架构参考模型

3.1 UAV的一些基础特性支持情况

3GPP的技术规范涵盖连接到NG-RAN的5GC和连接到LTE的EPC提供的无人机功能。
在3GPP系统中，为支持无人机定义了以下功能:

在启用无人机服务连接之前，无人机由雷达无人机认证与授权(UUAA，USS UAV Authentication & Authorization)进行身份验证和授权，并得到3GPP系统的支持。
根据3GPP网络运营商和/或监管要求，UUAA的执行:
在5GS中:在5GS注册过程中作为一个单独的过程(可选的，基于特定的PLMN策略，USS要求和地理监管要求)，或者当UAV请求用户平面资源用于UAV操作时(即PDU会话建立)。UAV应在注册和PDU会话建立过程中支持UUAA。在PDU会话建立期间，网络应支持UUAA。
在EPS中:在附加过程和相应的PDN连接建立过程中。在建立PDN连接时，网络应支持UUAA。在PDN连接建立过程中，无人机应支持UUAA。
配置了CAA-Level UAV ID的无人机，在注册和建立PDU会话时均应提供5GS级别的CAA-Level UAV ID。EPC中，配置了CAA级无人机ID的无人机，在SM-PCO的PDN连接建立中提供caa级无人机ID。CN根据本地策略确定UUAA是在5GS注册时执行，还是在PDU会话/PDN连接建立时执行。
UUAA是在建立PDU会话时，UAV请求用户平面资源进行UAV操作，UAV在建立PDU会话(PDN连接)过程中提供其CAA Level ID。
在PDU会话/PDN连接建立/修改过程中进行无人机飞行授权和无人机- UAV-UAVC配对授权。
3GPP系统支持无人机与联网的UAVC或通过互联网连接连接到无人机的UAVC之间的USS授权配对，无论是在建立用于C2通信的PDN连接/PDU会话期间，还是在修改专用于C2通信或用于USS通信和C2通信的PDN连接/PDU会话期间。通过修改已建立的PDN连接/PDU会话来修改配对或重新授权。在此过程中，USS向3GPP系统提供信息(例如QoS要求、数据流描述符等)，使UAV和UAVC之间的通信成为可能。
注1:USS如何知晓无人驾驶飞机不在本版本中3GPP的范围之内。
对于EPC，无论无人机是否支持5G NAS或其订阅是否允许访问5GC，无人机使用的PDN连接都由SMF+PGW-C提供服务。UAV用于联系USS或用于C2通信的APN总是解析为SMF+PWG-C。

以下架构认为是适用的:

假设尝试使用3GPP连接访问UAS服务的无人机已经在USS上注册，并已分配了CAA级无人机ID。无人机登记和CAA-Level-UAV ID的分配程序不在3GPP的范围内。USS给UAV分配一个CAA-Level UAV ID，或者被告知分配的CAA-Level UAV ID。
UAV与UDM中的Aerial订阅相关联。空中订阅包含访问和移动订阅数据中的空中UE指示(与EPS中定义的空中UE指示类似)，每个专用于UAS服务(C2和UUAA-SM)的DNN的会话管理订阅数据中的空中服务指示，这表明必须使用基于API的机制进行相应的身份验证/授权。
无人机由USS使用caa级无人机ID识别，由3GPP系统使用MNO分配的3GPP无人机ID识别:
假设与无人机相关的空中订阅包括至少一个GPSI用作3GPP无人机ID。
无人机在连接3GPP系统或通过3GPP系统使用普通互联网连接之前向USS注册。在向3GPP系统注册无人机服务前，无人机需具备CAA级无人机身份证件。
在漫游场景下，假设USS接入在VPLMN中，则无人机与USS通信的分组数据连接为本地断接，且UAS NF功能位于VPLMN中。
在本版本中，无人机使用3GPP接入(即LTE和NR)进行3GPP无人机相关操作。
激活无人机通过E-UTRA访问的RAN空中特征重用了TS 36.300中定义的现有机制。
注2:在本版本（R18）中，在无人机与USS之间的连接期间，无人机由单个USS提供服务。
一个或多个USS(s)可能存在于特定区域，并可能通过一个或多个3GPP网络管理无人机。
无人机的3GPP网络订阅不包含任何关于USS的信息。
如果无人机知道USS地址，则通过3GPP范围之外的机制在无人机中配置。
对于PC5, Release 15(及以后)版本的规范是基线。
注3:在本版本中，UAV UE使用A2X功能来支持基于PC5的DAA和BRID。

3.2 3GPP 无人机逻辑架构

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图1 无人机的5GS和EPS逻辑架构

注1:通过EPC提供UAS服务是基于SMF+PGW-C节点的使用。
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图2 5GS与EPC/E-UTRAN互通的非漫游架构

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图3 5GS与EPC/E-UTRAN互通的本地分组漫游架构

注2:当UE从5GS移动到EPS且在5GS注册时进行UUAA时，在N26接口上不支持将UUAA上下文从AMF转移到MME。
注3:没有为T6a定义新的无人机特定功能。

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图4 无人机和A2X通信在PC5和Uu参考点上的5G系统非漫游架构

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图5 无人机漫游5G系统架构及基于PC5和Uu参考点的A2X通信——基于服务接口表示的本地断接场景

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图6 无人机漫游5G系统架构，以及基于PC5和Uu参考点的A2X通信-家庭路由场景

4 服务接口

无人机5G系统架构包含3GPP TS 23.501中定义的基于服务的接口，区别如下:

nudm:对于A2X服务，UDM提供的服务用于在初始注册过程或UCU (UE Configuration Update)过程中向AMF获取与A2X服务相关的订阅信息，以通知AMF订阅信息发生变化。
Npcf:在A2X业务情况下，使用H-PCF提供的服务为UE和NG-RAN提供A2X业务相关参数。
Nudr:在A2X服务的情况下，UDR提供的服务用于通知PCF和UDM有关A2X服务的更新信息。
Nnef:在A2X Service的情况下，由A2X Application Server使用NEF提供的服务来更新5GC的A2X Service相关信息。
Namf:在A2X Service的情况下，PCF使用AMF提供的服务，为终端和NG-RAN提供与A2X Service相关的参数，并使AMF能够创建或更新与A2X服务相关的终端上下文。
Nnrf:对于A2X Service，使用NRF提供的服务来发现支持A2X的PCF。

5 参考点

无人机5G系统架构包含3GPP TS 23.501中定义的参考点。此外，参考点也适用3GPP TS 23.287，区别如下:

A2X1:无人机UE和无人机c中A2X应用与A2X应用服务器之间的参考点。这个参考点超出了本规范的范围。
A2X5:终端中A2X应用程序之间的参考点。这个参考点在本版本的规范中没有指定。
N1:除了TS 23.501[2]中为N1定义的相关功能外，在A2X服务的情况下，它还用于将A2X策略和参数(包括服务授权)从AMF传递给UE，并将UE的A2X能力和PC5能力的A2X信息从UE传递给AMF。
N2:除了TS 23.501[2]中为N2定义的相关功能外，对于A2X Service，它还用于将A2X Policy和参数(包括服务授权)从AMF传递给NG-RAN。