5G賦能——新一代航空寬帶通信技術(shù)最新進(jìn)展

2021年4月，中國(guó)民航局組織發(fā)布了《中國(guó)民航新一代航空寬帶通信技術(shù)路線圖》。路線圖指出，“新一代航空寬帶通信技術(shù)”主要包括5G AeroMACS 2.0、5G LDACS 2.0、5G ATG及5G公共網(wǎng)絡(luò)等基于我國(guó)5G通信技術(shù)，具備低時(shí)延、高可靠、大帶寬特性的航空寬帶通信技術(shù)，兼顧航空衛(wèi)星寬帶通信技術(shù)等。

01

路線圖概述

新一代航空寬帶通信在民航行業(yè)應(yīng)用的總體目標(biāo)是：大力推進(jìn)新一代航空寬帶通信的應(yīng)用，建設(shè)公用、專用相結(jié)合的民航5G網(wǎng)絡(luò)，積極構(gòu)建國(guó)際一流的現(xiàn)代化民航通信基礎(chǔ)設(shè)施體系，助力智慧民航建設(shè)與運(yùn)行。

新一代航空寬帶通信技術(shù)在民航領(lǐng)域主要有以下四類典型應(yīng)用場(chǎng)景：一是機(jī)場(chǎng)空側(cè)場(chǎng)面區(qū)域面向航空器、車輛的移動(dòng)通信，需要利用航空機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)（AeroMACS）這一航空專用通信網(wǎng)絡(luò)解決；二是機(jī)場(chǎng)陸側(cè)航站樓區(qū)域面向旅客的移動(dòng)通信應(yīng)用，可以利用公共網(wǎng)絡(luò)解決；三是航路飛行階段航空器與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的空地?cái)?shù)據(jù)鏈路，需要利用L頻段航空寬帶通信系統(tǒng)（LDACS）這一航空專用通信網(wǎng)絡(luò)解決；四是航路飛行階段面向航空器后艙的空中互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及面向航空器前艙的輔助管理應(yīng)用，可以利用運(yùn)營(yíng)商等提供的地空通信（ATG）網(wǎng)絡(luò)解決。

考慮到新一代航空寬帶通信技術(shù)應(yīng)用是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)，需要分步實(shí)施，《路線圖》將中國(guó)民航新一代航空寬帶通信技術(shù)應(yīng)用實(shí)施分為三個(gè)階段，即近期（2021年-2025年）、中期（2026年-2030年）和遠(yuǎn)期（2031年-2035年）。

近期到2025年底，為示范推廣階段，主要目標(biāo)是完成基于5G AeroMACS 2.0技術(shù)“機(jī)-車-場(chǎng)道-設(shè)施”協(xié)同運(yùn)行應(yīng)用示范并在行業(yè)推廣，深化新一代航空寬帶通信系統(tǒng)在民航各領(lǐng)域典型應(yīng)用示范；中期到2030年底，為全面應(yīng)用階段，主要目標(biāo)是建成以新一代航空寬帶通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，公用、專用相結(jié)合的智慧網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)空管、機(jī)場(chǎng)、航空公司、服務(wù)保障等各主要運(yùn)行要素的智能互聯(lián)；遠(yuǎn)期到2035年底，為融合共享階段，主要目標(biāo)是構(gòu)建空天地一體化的新一代航空寬帶通信體系，實(shí)現(xiàn)民航行業(yè)應(yīng)用“全覆蓋”，全面實(shí)現(xiàn)民航生態(tài)圈各要素終端泛在互聯(lián)、信息互操作共享。

新一代航空寬帶通信系統(tǒng)示意圖

（圖片來源：Jun Zhang. Aeronautical Mobile Communication: The Evolution from Narrowband to Broadband. Engineering, https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.02.002）

中國(guó)民航新一代航空寬帶通信技術(shù)路線圖

02

新一代航空寬帶通信技術(shù)最新進(jìn)展

5G AeroMACS

航空5G機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G AeroMACS）是將5G應(yīng)用于AeroMACS民航專用網(wǎng)絡(luò)的新一代航空寬帶通信技術(shù)；在民用機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)，使用5091-5150MHz航空專用頻率，符合國(guó)際民航組織航空安全通信等級(jí)要求。5G AeroMACS應(yīng)用后，飛機(jī)駕駛艙、塔臺(tái)、場(chǎng)面車輛及航空公司、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行控制部門間均可以通過航空5G專網(wǎng)準(zhǔn)確、及時(shí)、快速地共享信息，如機(jī)場(chǎng)高精度數(shù)字地圖，跑道、滑行道、廊橋、停機(jī)位占用情況，飛機(jī)、車輛實(shí)時(shí)位置，塔臺(tái)發(fā)布的滑行路徑等。

AeroMACS 1.0 基于WiMAX（IEEE802.16e）標(biāo)準(zhǔn)通信，目前國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)機(jī)場(chǎng)完成了部署。AeroMACS 2.0 基于 5G 技術(shù)，將在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面區(qū)域提供更加高速與安全的無線寬帶傳輸服務(wù)；目前由航科院牽頭，華為、中電科航空電子有限公司等單位共同參與制定AeroMACS 2.0 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2022年，中國(guó)民航局頒布了《航空5G機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用實(shí)施方案（2022-2025）》。作為航空5G通信技術(shù)在民航領(lǐng)域應(yīng)用的首個(gè)具體指南，《方案》明確了5G AeroMACS的發(fā)展路徑和重點(diǎn)工作，按照2022年、2023至2025年兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別提出了階段性目標(biāo)任務(wù)，明確了各項(xiàng)任務(wù)的責(zé)任單位，確保5G AeroMACS建設(shè)應(yīng)用工作有序推進(jìn)、見實(shí)見效。

5G AeroMACS運(yùn)行概念示意圖

5G LDACS

L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng)（LDAC）是未來面向航路階段的空地?cái)?shù)據(jù)鏈路，它采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，符合先進(jìn)航空電信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（ATN/IPS），主要用于飛機(jī)與地面管制中心、航空公司運(yùn)控的數(shù)據(jù)交換服務(wù)。根據(jù)國(guó)際民航組織（ICAO） 航空系統(tǒng)組塊升級(jí)（ASBU），LDACS將逐漸替代現(xiàn)有的甚高頻飛機(jī)通信尋址與報(bào)告系統(tǒng)（VHF ACARS）和甚高頻數(shù)字鏈路模式2（VDL Mode2）?5G的新型調(diào)制編碼、多址技術(shù)、大規(guī)模天線等技術(shù)將解決LDAC頻率資源受限的問題。我國(guó)正大力發(fā)展5G LDACS 的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、機(jī)載航電與地面設(shè)備研制以及 5G LDACS 的網(wǎng)絡(luò)部署，其傳輸速率將大大提高。

德國(guó)的羅德與施瓦茨公司正在積極開發(fā)LDACS以大幅提升空中交通控制通信的帶寬，實(shí)現(xiàn)基于IP的現(xiàn)代通信。LDACS通過使用為飛行通信預(yù)留的L波段頻率部分，為商用航空提供了比VDL Mode2高200倍的數(shù)據(jù)吞吐量，并可實(shí)現(xiàn)加密保護(hù)。羅德與施瓦茨公司的LDACS設(shè)備預(yù)計(jì)將于2028年上市。

5G ATG

5G地空通信系統(tǒng)（5G ATG）利用成熟的陸地移動(dòng)通信技術(shù)，針對(duì)航空高速移動(dòng)、廣覆蓋等特性進(jìn)行定制化開發(fā)，在地面建設(shè)能夠覆蓋天空的專用基站，可有效解決高空立體覆蓋問題，實(shí)現(xiàn)地空高速數(shù)據(jù)傳送。5G ATG服務(wù)可為航空旅客提供機(jī)上娛樂、機(jī)上辦公及定制服務(wù)，還有廣泛的行業(yè)應(yīng)用前景，如航空公司的醫(yī)療救援、航班運(yùn)營(yíng)、空中氣象及飛行安全需求，空管部門的智能化、數(shù)字化空管應(yīng)用、地面遠(yuǎn)程行業(yè)控制應(yīng)用等。

2023年4月，工信部依申請(qǐng)批復(fù)中國(guó)移動(dòng)使用其4.9GHz部分5G頻率資源在國(guó)內(nèi)有關(guān)省份開展5G ATG技術(shù)試驗(yàn)。中國(guó)移動(dòng)表示其5G ATG方案可以為每架飛機(jī)提供420Mbps峰值下載速率，66Mbps峰值上行速率，最大覆蓋半徑300千米，不到1000站即可實(shí)現(xiàn)全國(guó)航線覆蓋。中國(guó)移動(dòng)將率先聯(lián)合中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院開展國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)試飛數(shù)據(jù)寬帶傳輸驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)試飛機(jī)型海量數(shù)據(jù)快速卸載、實(shí)時(shí)飛機(jī)健康管理等應(yīng)用，有效提升試飛數(shù)據(jù)分析效率。地點(diǎn)方面，將率先在山西和陜西兩地展開試點(diǎn)；機(jī)型方面，中國(guó)商飛的ARJ21和C919都有合作和上機(jī)；航司方面，國(guó)航、東航、南航、海航，川航也都做了試點(diǎn)，政策允許后將會(huì)開展部分在飛機(jī)型的改裝。

2022年10月，美國(guó)Gogo公司稱已經(jīng)部署第150座Gogo 5G ATG信號(hào)塔，從而完成了美國(guó)大陸100%覆蓋的Gogo 5G網(wǎng)絡(luò)，為公務(wù)航空機(jī)上連接提供更快的速度、更大的容量和更多的功能，并將于 2023 年開始擴(kuò)展到加拿大。Gogo 5G 預(yù)計(jì)平均傳輸速度約為 25 Mbps，峰值速度在 75-80 Mbps 范圍內(nèi)，旨在以極低的延遲提供高吞吐量，以滿足對(duì)視頻會(huì)議、直播電視和游戲需求。

Gogo公司5G覆蓋圖

衛(wèi)星寬帶通信

航空衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)按照工作頻段可分為L(zhǎng)頻段、Ku頻段和Ka頻段?工作在L頻段的海事衛(wèi)星系統(tǒng)，其窄帶Classic Aero通信服務(wù)正在向?qū)拵B-S、SB通信服務(wù)過渡；工作在Ka、Ku頻段的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)有主要有VIASAT Ka、Inmarsat GX Ka、Panasonic Ku、GEEROW44 Ku、GOGO Ka/Ku等?

2023年2月，航天科技集團(tuán)研制的中星26號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射。該衛(wèi)星是一顆全Ka頻段高通量通信衛(wèi)星，是我國(guó)首顆超100Gbps容量的高通量衛(wèi)星。中星26號(hào)衛(wèi)星將為我國(guó)國(guó)土及周邊地區(qū)的固定終端、車載終端、船載終端、機(jī)載終端提供高速、可靠、優(yōu)質(zhì)的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)，在航空、航海、遠(yuǎn)程教育與醫(yī)療、自然災(zāi)害應(yīng)急通信、自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2022年6月，在3GPP R17（全球5G標(biāo)準(zhǔn)的第三個(gè)版本）中正式發(fā)布了5G NTN第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是基于5G的衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在原有5G地面蜂窩標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上，5G NTN根據(jù)衛(wèi)星通信的需求和技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制定可用于手機(jī)與高低軌衛(wèi)星直接連接通信的技術(shù)規(guī)范。支持衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)組網(wǎng)，或與地面蜂窩通信系統(tǒng)聯(lián)合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)星地融合通信。2023年6月，中信科移動(dòng)稱已實(shí)現(xiàn)業(yè)界首次5G NTN標(biāo)準(zhǔn)的端到端寬帶衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)傳輸?shù)募夹g(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證。隨著衛(wèi)星通信和5G技術(shù)的不斷發(fā)展和緊密結(jié)合，基于5G星地融合的航空寬帶通信技術(shù)或成為未來發(fā)展亮點(diǎn)。

03

結(jié)語

未來航空移動(dòng)通信技術(shù)正朝著寬帶大容量、通信導(dǎo)航監(jiān)視全球一體、基于性能要求的趨勢(shì)發(fā)展。5G AeroMACS、5G LDACS、5G ATG等“新一代航空寬帶通信技術(shù)”將成為發(fā)展的熱點(diǎn)。隨著當(dāng)前5G技術(shù)迅猛發(fā)展，我國(guó)堅(jiān)持自主創(chuàng)新與開放合作相結(jié)合的理念，已在5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、核心關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)推動(dòng)等方面引領(lǐng)全球發(fā)展。在民航領(lǐng)域，亟待結(jié)合航空移動(dòng)通信現(xiàn)狀，深度融合、應(yīng)用5G技術(shù)賦能智慧民航，推動(dòng)民用航空高質(zhì)量安全發(fā)展，塑造民航業(yè)的全新未來。