低空经济所需芯片种类繁多,5G-A如何赋能低空经济?
2024-08-27
    2023年中央经济工作会议指出,要“打造生物制造、商业航天、低空经济等若干战略性新兴产业”;政府工作报告包括了“低空经济”相关内容;2024年1月1日起正式施行《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》;工信部等七部门联合出台了《关于推动未来产业创新发展的实施意见》指出:加快电动垂直起降航空(eVTOL)、智能高效航空物流装备等研制及应用。低空产业正成为提升经济高质量发展的新动能。低空经济科技含量高、创新要素集中,具有产业链条长、应用场景复杂、使用主体多元、涉及部门和领域多等特点以及明显的新质生产力特征,2030年低空经济有望形成万亿级市场规模。

图片


打造低空算力中心是建设产业的关键

      在低空经济数字网络架构中,算力扮演着举足轻重的角色。根据《数字低空发展建设研究报告》的详细阐述,低空经济数字网络架构被系统地划分为物理设施层、信息基础设施、数字化空间层和应用层。在信息基础设施这一核心组成部分中,算力网与通信网、感知网、导航网、气象网等共同构成了一个复杂而精细的体系。算力作为低空经济的重要基础设施之一,在推动整个产业链的发展中发挥着关键作用。
     目前,众多企业正积极投身于低空经济的算力布局,涵盖算力芯片、算力基站等多个关键环节。以中兴通讯为例,该公司在2022年推出了创新的NodeEngine基站内置算力引擎方案。这一方案通过在BBU中新增一块板卡,成功将边缘计算能力下沉至基站层面,实现了算力与现网的深度融合。这不仅构筑了高效的5G智简专网,还精准满足了应用本地化、部署轻量化以及性能精确化等专网部署的多样化需求。

图片


      中国航空器拥有者及驾驶员协会秘书长陈国华表示:“以无人机和eVTOL为主要形态的低空经济是高度自动化、智能化的体系,对芯片的需求极大,其中,通信芯片主要用于实现设备间的信息传输和数据处理,通信类的芯片包含无线收发器芯片组(射频芯片)、5G调制调解器芯片组、卫星通讯芯片组、数据链路芯片组等,这些都是保障飞行必须的功能,几乎涵盖了低空飞行器运行的所有应用场景。”
      此外,低空经济的发展不仅推动了无人机芯片的需求,为了保障低空经济的通信需求,预计将有大量5G-A基站得到部署,其数量级有望达到百万级别,其中约70%的基站将由现有的5G基站进行改造升级,这也将显著增加对基站芯片的需求。

图片


5G-A为什么值得重视?

  近年来,无论是在产业上,还是政策上,5G-A的重视程度都有所提升。比如,政府多次明确要前瞻布局5G-A、6G、光通信等关键核心技术研究、标准研制和产品研发。3月下旬,工信部发言人表示,5G应用在工业领域深入推广,将适度超前建设5G、算力等基础设施,推动工业互联网规模化应用。同时要强化5G演进,支持5G-A发展,加大6G技术研发力度。

  新闻联播2月也发布视频,对5.5G进行科普,其中明确提出,5.5G是新质生产力的重要组成部分。为什么政策强调5G-A,5G-A对我们个人上网体验的提升其实不会很明显,主要还是5G-A将延伸至更多的人工智能和低空经济等应用领域,为之提供基础通信底座。以智慧交通为例,由于5.5G具有“通感一体化技术”能力,过去的基站只有通信功能,没有感知能力,5.5G将传统移动通信、雷达、算力等多种技术进行融合,实现通信、感知和计算一体化,以实现对环境的全面感知和智能响应。

  简而言之,该技术可以让道路拥有“感知力”,这种感知力,可以为路上行驶的车辆实时提供交通事故、行人闯入、非机动车等信息,有效减少拥堵和事故,提升整体交通效率。可以说,5.5G通感一体化技术是智慧交通的神经中枢和信息高速公路。

  与此同时5.5G也拥有了新特质,包括支持3D视频、XR Pro等交互式应用,从而带来更加沉浸式的虚拟现实交互体验。比如去年亚运会期间,就完成了5.5G沉浸式体验技术应用,打造裸眼3D观赛。那么以上是一些5.5G+交通、5.5G+消费电子的案例,那目前来看,对于低空经济、AI等大热产业而言,5.5G发挥的作用也非常大,可以说是基础底座。

图片


5G-A如何赋能低空经济?

  低空经济对应到的具体应用产品主要是无人机、垂直电动飞行汽车等,那这不可避免的就要求低空飞行器智能化、感知水平能够达到商业化应用水准,这就需要更高带宽对更广泛的飞行数据提供支持;同时需要利用通信基站或卫星等设施来提高感知定位的精度。

  刚才讲到,5.5G和6G演进的核心特征之一就是通感一体化。传统的通信基站可以提供高速率、高可靠的通信手段,感知能力尚不足,无法完全对低空经济活动进行支撑,而5.5G基站通过频率提升、天线和射频通道数量增加等方式,提升通信性能的同时增强感知能力。据华为,5G-A通感一体可以对无人机进行目标识别,飞行轨迹、高度与坐标定位,速度高达180km/h,反射面积0.01平米的目标物体也能被检测到。

  此外,当前 5G网路对下行资源的分配远高于上(主流时隙比包括7:3或8:2或3:1),上行速率限制了 5G网络赋能智慧工地网络赋能智慧工地 /服务机器人服务机器人 /城市安防 /工业互联等广域大上行业务。根据 IMT-2020(5G)推进组 )推进组 ,5G-A有望实现千兆上行速率,即在5G基础版本约基础版本约100Mbps上行速率基础上,提升近10倍至1Gbp。上行千兆的通信能力有望突破当前5G网络在大上超宽带业务场景的落地瓶颈,拓展5G网络应用可能性。

  除此之外,基于通信感知信息的专网通信设备和指挥调度系统,也将在低空基础设施中发挥重要作用。

图片


      2024年以来,各地掀起加速发展低空经济的热潮,四川、江苏、广州纷纷加速出台相关政策,开启低空经济卡位战。其中,以无人机和eVTOL为主要形态的低空经济对芯片的需求极大,而且所需芯片的种类众多。在各地政策中,芯片产业作为低空经济腾飞的关键一环被重点提及,各地政府给予芯片企业多项福利政策,各大芯片企业都积极涌入这一创新赛道。
      就低空经济产业中的民用无人机而言,需要涉及起码11种芯片。例如,用于实现无人机与地面站或其它无人机之间无线通信的通信芯片;用于管理无人机的电力系统,包括电池充电、电压转换等的电源管理芯片;用于处理飞行控制算法、图像识别、路径规划等任务的处理器芯片;还有包括GPS/GNSS定位芯片、惯性测量单元(IMU)、气压传感器、温度传感器、湿度传感器等传感器芯片可以用于监测飞行器的状态和环境条件,以及光谱传感器、风速和风向传感器、空气质量传感器等用于拓展不同应用场景的特定传感器芯片。这些芯片支持着无人机最核心的飞行管理与控制系统(飞控系统),相当于无人机系统的“心脏”,对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响,对其飞行性能起着决定性作用。

图片


低空经济提出“芯”要求
      无人机和eVTOL等低空经济产品对于芯片的要求,并不像我们使用的手机和电脑,需要过于高端的芯片。北航无人系统研究院工程师杨炯表示,一架无人机中绝大多数都是低端芯片,需要的中高端芯片很少,但民用无人机追求高性能、小体积、低功耗,对芯片也提出了很多新要求。

图片

eVToL电子电器架构

      低空经济中使用的芯片可能需要更加注重以下几个方面:一是抗干扰性,空中环境可能比地面更为复杂,需要更强的信号处理能力和抗干扰设计。二是低功耗,无人机受限于电池容量,因此芯片需要更高效的能耗管理。三是体积与重量方面,由于空间和载重限制,这要求芯片在不牺牲性能的前提下,要尽可能小型化和轻量化。四是实时数据处理能力,无人机需要实时处理大量数据,包括传感器数据、图像数据和通信数据等,以确保无人机能够快速响应各种情况。五是环境适应性,无人机芯片需要在各种环境条件下稳定运行,需要能够承受更广泛的温度范围和更高的振动冲击。

图片


      细分到芯片种类,随着低空经济的深入发展和应用场景的不断丰富,需要通信芯片具有更高带宽与更低时延,为支持实时高清视频传输、海量传感器数据回传以及远程实时控制,通信芯片需提供更高的数据传输速率和更低的通信时延,在保证性能的前提下,降低能耗,延长飞行器的续航时间,以保证飞行器的高效运作和精确控制。此外还需要具备更强的抗干扰能力,在低空飞行环境下,信号干扰问题更为突出,包括大气条件变化、建筑物遮挡、电磁环境复杂等。因此,通信芯片需要具备优异的抗干扰能力、稳定性和高可靠性,确保在复杂恶劣环境下的可靠通信。
      针对低空经济的通信芯片还应具备多模式通信能力,为了适应不同的应用场景和需求,通信芯片需要支持多种通信标准和协议,包括但不限于5G/6G、Wi-Fi、蓝牙、卫星通信等,实现灵活的网络接入和多网络协同工作。

图片


      此外,无人机等低空飞行设备对能源效率的要求越来越高,电源管理芯片如何在保证性能的同时,通过低功耗设计来延长设备的续航时间就成了关键。相关专家说,电源管理芯片需要在转换电能时尽可能减少能量损耗,使用高效率的转换技术,如同步整流、软开关技术等,可以显著降低转换过程中的功耗。还可以通过智能算法和传感器监测无人机的能源使用情况,根据无人机的工作状态,实时调整电源管理策略。例如,在飞行过程中,当负载需求较低时,可以关闭部分系统,降低电压以减少功耗;在需要高负载时,再提高电压以满足需求。
      此外,电源管理芯片需要与电池管理系统紧密配合,优化电池的充放电过程。通过精确控制电池的充放电,可以延长电池的使用寿命,提高整体能源效率。并且要设计有效的热管理系统,确保电源管理芯片在高效运行时不会过热。使用热管、散热器等技术,将芯片产生的热量有效导出,保持芯片在最佳工作温度。

图片


      芯片设计面临挑战孕育新机遇。当下,很多芯片公司都已经开始涌入低空经济这一“蓝海”,面对低空经济提出的挑战,各大企业不断攻坚克难,拿出了全新的产品填补市场空缺。尽管当前的低空经济还处于发展的初期,芯片产业在性能、成本、安全、标准等方面,仍面临很多的挑战,但随着我国政策支持力度逐渐加大,以及各大企业的不断努力,芯片的更新迭代将成为低空经济腾飞的关键推动力之一。

      随着低空经济被提升到国家战略后,政策+产业正不断推进“低空经济+”应用场景的落地,旅游、物流、城市管理、交通等重要场景的应用现状值得关注。到“十四五”末,我国低空经济对国民经济的综合贡献值将达到3至5万亿元。