民用航空通信技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展*

王志明,曾孝平,黃 杰,劉 學

(重慶大學通信工程學院,重慶400044)

民用航空通信技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展*

王志明**,曾孝平,黃 杰,劉 學

(重慶大學通信工程學院,重慶400044)

VHF頻段日益擁塞,航空旅客通信需求不斷增加。首先,從陸地空域、機場場面和跨洋/偏遠地區(qū)空域幾種航空通信場景介紹了航空通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了航空移動(航路)服務和旅客通信服務的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢;其次,結(jié)合國內(nèi)外研究情況,總結(jié)了民用航空通信技術(shù)的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn);最后,給出了航空移動通信發(fā)展的相關(guān)建議。

民用航空;航空通信;航空旅客通信服務;移動通信;因特網(wǎng)

1 引 言

20世紀40年代,航空通信普遍采用甚高頻(Very High Frequency,VHF)模擬語音通信系統(tǒng), 1947年國際民航組織的成立和同年在亞特蘭大召開的世界無線電通信大會將VHF頻段(118～132 MHz)也劃為航空移動(航路)服務使用,標志著航空VHF通信的標準和慣例的形成[1]。

20世紀70年代,飛機通信尋址與報告系統(tǒng)(ACARS)的出現(xiàn)和普及標志著航空甚高頻數(shù)據(jù)鏈的事實標準形成[2]。隨后,演進甚高頻數(shù)據(jù)鏈VDLs (VHF Data Link 1/2/3/4)依次被提出。為提高系統(tǒng)容量,1979年世界無線電大會將航空移動(航路)服務頻段擴展至117.975～137.000 MHz,并不斷減小信道間隔,到目前為止,信道間隔已經(jīng)達到了最小值8.33 kHz。2003年,國際民航組織空中導航第11次會議作出了為滿足不斷發(fā)展的空中交通管理需求,航空移動通信基礎架構(gòu)必須演進以提供足夠的容量和服務質(zhì)量及新功能的決議[3]。隨之,歐洲航空安全組織和美國聯(lián)邦航空管理局啟動了Action Plan 17(AP17)計劃,從2004年到2007年,在調(diào)研評估現(xiàn)有航空通信技術(shù)的基礎上,建議:機場場面采用基于802.16e標準AEROMACS方案;跨洋/偏遠空域采用衛(wèi)星通信;陸地空域采用L-DACS(L-band Digital Aeronautical Communication System),未來陸地空域的最終建議方案需要根據(jù)L-DACS1/2實驗測試評估結(jié)果做最后選擇[4]。這些建議方案被用于歐洲單一天空和美國新一代航空運輸系統(tǒng)計劃項目的部署中。

本文以民用航空通信鏈路系統(tǒng)為基礎,綜述了不同的航空通信區(qū)域的通信及監(jiān)視技術(shù)和主要航空通信業(yè)務的發(fā)展現(xiàn)狀,并列表對不同類型的通信技術(shù)進行了對比分析,最后對民用航空通信技術(shù)的發(fā)展方向和面臨的挑戰(zhàn)進行了評述。

2 民用航空通信技術(shù)現(xiàn)狀

民用航空通信按起飛、飛行和降落階段可分為3個區(qū)域的通信:陸地空域區(qū)域、機場場面區(qū)域和跨洋/偏遠地區(qū)空域區(qū)域的通信等。按服務可分為:空中交通服務,用于控制在一定空域內(nèi)飛行,包括空中交通管制、航空移動(航路)服務等;航空公司運營和管理服務,用于航空公司的商業(yè)運營與管理通信;航空旅客通信服務。

2.1 陸地空域通信

2.1.1 航空短波通信

短波通信是最早的航空通信方式,采用單邊帶模擬調(diào)制方式。短波通信通過電離層反射進行遠距離通信,能夠支持跨洋和偏遠地區(qū)的通信覆蓋。短波數(shù)據(jù)鏈采用2.7 kHz的信道間隔和時分雙工,峰值速率為300～1 800 b/s,用以承載跨洋或偏遠地區(qū)的航空移動(航路)服務。短波通信多徑嚴重、多普勒頻移大、延遲大(達2 min)、頻譜擁擠、干擾嚴重、數(shù)據(jù)傳輸正確率低(不到80%),造成短波通信的可用性和可靠性不高。目前,航空短波通信主要用于跨洋或極地等VHF系統(tǒng)沒有覆蓋的區(qū)域,在衛(wèi)星通信或VHF系統(tǒng)不可用時提供飛機位置報告等航空移動(航路)服務[5]。

2.1.2 VHF模擬語音通信

航空VHF模擬語音系統(tǒng)最初采用雙邊帶模擬語音調(diào)制和200 kHz的信道間隔,可以提供70個信道,隨后100/50/25/8.33 kHz的信道間隔依次被采用以提高容量。截至2012年,大多數(shù)國家已經(jīng)采用25 kHz的信道間隔,歐洲部分地區(qū)已經(jīng)采用8.33 kHz的信道間隔。

航空VHF模擬語音系統(tǒng)提供廣播語音服務和飛行員管制員之間的語音通信,是主要的航空語音調(diào)度通信方式。歐洲航空安全組織和美國聯(lián)邦航空管理局的合作研究指出,在固有的VHF頻段內(nèi),縱使采用8.33 kHz信道間隔或VDL3等數(shù)據(jù)鏈承載語音通信,到2020年左右,很多高密度飛行區(qū)域VHF頻段也會完全飽和[4]。

2.1.3 甚高頻數(shù)據(jù)鏈(VDL)

航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)(VDLs)用于提供常規(guī)空中交通服務信息,如氣象和壓力情報、自動終端情報服務、飛行階段報告和管制員飛行員數(shù)據(jù)鏈服務等。航空VHF數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)有VDL0、VDL1、VDL3和VDL4 4種。VDL0,即ACARS,采用幅度調(diào)制的最小頻移鍵控,25 kHz信道間隔,信息傳輸速率為2.4 kb/s,數(shù)據(jù)率為300 b/s[1]。VDL1是為提升ACARS服務質(zhì)量提出的,并沒有部署應用就被VDL2代替。VDL2采用25 kHz帶寬,8DPSK調(diào)制,信息傳輸速率最高為31.5 kb/s,兼容ACARS,實際使用中,為避免共信道干擾,VDL2信道兩側(cè)的信道不能傳輸語音信號[6]。VDL3采用8DPSK和時分多址技術(shù),支持數(shù)據(jù)突發(fā)和話音突發(fā)業(yè)務,信息傳輸速率最高為31.5 kb/s。由于沒有說服航空公司安裝和使用VDL3設備,2004年,聯(lián)邦航空管理局放棄了VDL3的部署。VDL4為兩個移動站或者一個移動站和一個地面站之間提供甚高頻數(shù)字通信鏈路,基于自組織時分多址技術(shù),采用高斯最小頻移鍵控,傳輸速率為19.2 kb/s[7]。

2.1.4 L頻段數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)(L-DACS)

L頻段數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是美國聯(lián)邦航空管理局、美國國家航空航天局和歐洲航空安全組織開展了未來通信系統(tǒng)研究計劃(Future Communication Study, AP17)后提出的未來航空通信在陸地空域的地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),實現(xiàn)巡航和終端機動區(qū)覆蓋。L-DACS系統(tǒng)規(guī)劃使用960～1 164 MHz的航空移動航路服務頻段,覆蓋半徑200 n mile,支持移動速度達1 080 km/h[8]。由于960～1 164 MHz頻段已經(jīng)被測距設備系統(tǒng)、二次監(jiān)視雷達等現(xiàn)有航空無線電導航監(jiān)視系統(tǒng)占用,L-DACS只能使用測距系統(tǒng)的頻譜間隔,且不能干擾現(xiàn)有系統(tǒng)的正常工作[9]。AP17計劃最終只給出了兩個候選的L-DACS系統(tǒng)建議: L-DACS1和L-DACS2。L-DACS1以B-AMC (Broadband Aeronautical Multi-carrier Communication)和TIA902(P34)標準為基礎,基于頻分雙工和QPSK、16QAM和64QAM自適應編碼調(diào)制的正交頻分復用技術(shù),信道帶寬為500 kHz,子載波數(shù)為64,有效子載波數(shù)為50,子載波間隔為9.765 625 kHz,循環(huán)前綴長度為17.6 μs,支持覆蓋200 n mile的覆蓋范圍,前向鏈路期望使用985.5～1 008.5 MHz的DME系統(tǒng)頻譜間隔,返向鏈路期望使用1 048.5～1071.5 MHz頻譜段的間隔[10]。L-DACS2以LDL(L-band Data Link)和AMACS(Aeronautical Mobile Allpurpose Communication System)為基礎,基于時分雙工和GMSK,帶寬為200 kHz,調(diào)制系數(shù)為0.5,時延帶寬積為0.3,期望使用960.5～975 MHz的頻段[11]。

針對L-DACS與現(xiàn)有系統(tǒng)的電磁兼容性問題,歐洲航空安全組織、日本電子導航研究中心等從航空場景建模、干擾消除等方面研究了L-DACS與現(xiàn)有系統(tǒng)的相互干擾,最后對L-DACS系統(tǒng)如何滿足電磁兼容性要求的方法和策略進行了研究[12-13]。截止到2013年,歐洲航空安全組織和聯(lián)邦航空管理局等已經(jīng)開展大量實驗測試研究L-DACS1/2與現(xiàn)有航空導航監(jiān)控系統(tǒng)的兼容性,但L頻段最終低空數(shù)據(jù)鏈的建議方案還依賴于L-DACS1與L-DACS2的最終綜合實驗測試結(jié)果[14]。陸地空域各通信技術(shù)總結(jié)對比如表1所示。

表1 陸地空域航空通信技術(shù)對比Table 1 Comparison of aeronautical communications technologies for continental domain

2.2 機場場面通信

2.2.1 泛歐數(shù)字集群系統(tǒng)

泛歐數(shù)字集群系統(tǒng)(Terrestrial Trunked Radio, TETRA)是基于時分多址技術(shù)的專業(yè)移動通信系統(tǒng),采用25 kHz信道間隔,每個射頻信道分4個時隙,支持3種模式:話音加數(shù)據(jù)模式、分組數(shù)據(jù)優(yōu)化的模式和直接模式不需基礎設施。TETRA工作頻率在380～520 MHz和806～866 MHz。

2.2.2 機場數(shù)據(jù)鏈(ADL)

機場數(shù)據(jù)鏈(Airport Data Link,ADL)是德國宇航中心在滑行和起降管理控制項目(TARMAC)框架中提出的先進機場數(shù)據(jù)鏈,用于飛機在起降和滑行中與塔臺間的高速大容量通信,支持50 km范圍內(nèi)300～500 km/h的100個用戶同時在線。TARMAC采用多載波碼分多址技術(shù),QPSK調(diào)制, 8 192 kHz的系統(tǒng)帶寬,載波間隔為4 kHz,正交頻分復用符號持續(xù)時間為250 ms,保護間隔為10 ms,擴展長度因子為8。因此,最大用戶數(shù)為128,每用戶最小速率128 kb/s,最大速率2.048 Mb/s[15]。

2.2.3 航空移動機場通信系統(tǒng)(AEROMACS)

AEROMACS是歐洲航空安全組織和聯(lián)邦航空管理局在共同開展的AP17計劃中為提高機場容量和效率提出的未來機場地面通信建議方案,AEROMACS是基于802.16e的安全無線寬帶通信系統(tǒng)。AEROMACS系統(tǒng)使用5 091～5 150 MHz的專屬航空移動航路服務系統(tǒng)頻段,物理層和MAC層基于802.16-2009協(xié)議,除選擇時分雙工和5/10/20 MHz信道帶寬及對應的調(diào)制編碼外,其余均直接采用802.16(e)標準[16]。

AEROMACS主要應用于空中交通管制、航空與氣象學信息、航空公司運營管理、機場場面操作與服務和機場運營等[17]。目前,AEROMACS標準化工作主要是解決802.16(e)在航空環(huán)境下實施過程中遇到標準未涵蓋的問題,如同步(前綴長度和同步算法選擇)、正交頻分接入正交性(大多普勒頻移/時鐘同步偏移等情況下為保證誤碼率損失在0.1 dB內(nèi),需要動態(tài)的頻率跟蹤方法)、高功率放大器(高峰均比導致的實現(xiàn)問題)、大多普勒頻移(5 GHz頻段下最高296 km/h速度下的多普勒頻移系數(shù)(典型值4)遠大于普通場景)[18]。機場場面各通信技術(shù)總結(jié)對比如表2所示。

表2 機場場面航空通信技術(shù)對比Table 2 Comparison of aeronautical communication technologies for airport surface domain

2.3 跨洋/偏遠地區(qū)通信

20世紀70年代以前,民航飛機在跨洋和偏遠地區(qū)只能通過航空短波通信實現(xiàn)空中交通管理等通信,隨著全球定位系統(tǒng)及衛(wèi)星導航通信系統(tǒng)的引入,空中定位精度提高,飛機前后間距縮短到4 min(30 n mile),航路間距縮短為30 n mile,增大了跨洋空域的空中交通管理系統(tǒng)容量[19]。

航空移動衛(wèi)星通信使用的頻段主要有C頻段、L頻段、Ku頻段、Ka頻段,其中L頻段主要用于應急通信(Inmarsat和Iridium);C頻段主要用于開放衛(wèi)星通信業(yè)務;Ku頻段衛(wèi)星應用較廣,如廣播電視、機內(nèi)語音與Internet接入等;Ka頻段衛(wèi)星主要用于寬帶通信。

2.3.1 L頻段航空衛(wèi)星通信

(1)Inmarsat Aero-H/H+/I

Inmarsat Aero-H是基于第三代海事衛(wèi)星系統(tǒng)提供用于航空安全相關(guān)服務的衛(wèi)星鏈路,使用高增益天線提供9.6 kb/s每信道的多信道語音業(yè)務,也可提供10.5 b/s的數(shù)據(jù)通信;Aero-H+比Aero-H廉價,同時第四代海事衛(wèi)星覆蓋區(qū)均可用;Aero-I使用中級增益天線在第三代海事衛(wèi)星部分覆蓋區(qū)域和第四代覆蓋區(qū)提供多信道語音和4.8 kb/s的電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務,目前主要用于沒有其他通信可用時的應急備用鏈路。

(2)Inmarsat Swift-64

Swift-64由第三代海事衛(wèi)星系統(tǒng)提供,單信道速率為64 kb/s,通過信道綁定可提供256 kb/s的數(shù)據(jù)速率,主要設計用于航空旅客通信(Internet),但實際的鏈路性能卻促進了其提供安全相關(guān)的服務。

(3)Inmarsat Swift-Broadband

Swift-Broadband是國際海事衛(wèi)星組織在L頻段為滿足乘客、機組和飛行員的通信需求,在競爭數(shù)據(jù)傳輸模式下單信道最高可達432/332/200 kb/s,按需數(shù)據(jù)流模式下可提供8/16/32/64/128 b/s或256 b/s幾種傳輸速率,實現(xiàn)數(shù)據(jù)和語音通信,可同時提供AOC等航空安全相關(guān)和航空旅客通信[20]。

(4)銥星系統(tǒng)(Iridium)

銥星系統(tǒng)用于提供全球移動電話業(yè)務,也提供低速率數(shù)據(jù)通信,數(shù)據(jù)傳輸有基于路由器的無限制數(shù)字互通連接、短突發(fā)等接入方式,峰值數(shù)據(jù)率為2.4 kb/s。

2.3.2 Ku頻段航空衛(wèi)星通信

Ku頻段航空衛(wèi)星通信主要提供廣播和寬帶接入業(yè)務,主要由Connexion By Boeing(CBB)、Panasonic eXConnect和Row44提供。CBB寬帶衛(wèi)星通信設計用于航空旅客通信[21],2004年倒閉后被美國政府收購,用于政府公務通信。Ku頻段衛(wèi)星下行到飛機采用新一代數(shù)字衛(wèi)星廣播標準方式,支持QPSK、8PSK和16APSK的自適應編碼調(diào)制;上行采用D-TDMA(Deterministic TDMA)方式接入,支持多頻時分多址,BPSK、QPSK和8PSK調(diào)制,0.431～0.793速率的Turbo編碼和1～16的擴頻因子[22]。ViaSat Yonder是Satcom Direct公司提供的Ku頻段全球衛(wèi)星高速因特網(wǎng)和網(wǎng)絡電話業(yè)務,上行最高速率256 kb/s,下行1～2 Mb/s。

2.3.3 Ka頻段衛(wèi)星通信

Ka頻段衛(wèi)星因其充裕的帶寬資源有望提供相對Ku頻段低廉的服務。Inmarsat計劃2014年在其第五代海事衛(wèi)星系統(tǒng)中包含Ka頻段點波束,用以提供全球高速通信。與Ku頻段衛(wèi)星相比,Ka頻段地面站天線反射增益高,信號路徑損耗大、波束窄。但文獻[23]指出,在相同的條件下(發(fā)射功率、天線增益和波束大小),Ku頻段衛(wèi)星系統(tǒng)的吞吐量不會低于Ka頻段衛(wèi)星系統(tǒng)。航空衛(wèi)星通信技術(shù)總結(jié)對比如表3所示。

表3 航空衛(wèi)星通信技術(shù)對比Table 3 Comparison of aeronautical satellite communication technologies

2.4 航空移動航路服務

航空移動航路服務為機載基站和地面站之間提供安全、準點和高效的飛行通信服務,包括空中交通管制、飛行情報和告警、自動相關(guān)監(jiān)視、管制員駕駛員數(shù)據(jù)鏈通信等安全相關(guān)的空中交通服務和航空運營管理通信(飛行計劃、天氣情報、發(fā)動機監(jiān)視、航班和機務人員調(diào)度等)等影響飛行安全、準點和效率等與航空公司相關(guān)的服務。

短波系統(tǒng)、VHF模擬語音系統(tǒng)作為主要的航空移動航路服務承載數(shù)據(jù)鏈,用于緊急情況下的飛行員與管制員之間的語音通信,飛機通信尋址與報告系統(tǒng)、VDL2及Inmarsat Swift-Broadband承載飛行安全、氣象和有序飛行相關(guān)的航空移動航路服務,如放行相關(guān)、自動終端情報服務、文本和圖像天氣信息、裝載清單、引擎信息等。針對VHF頻段的頻譜擁塞,一方面優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和頻譜分配;另一方面,采用新的航空通信導航系統(tǒng)L-DACS、AEROMACS、航空移動衛(wèi)星通信等。因此,我國近期內(nèi)(2020年以前)航空短波通信將逐漸轉(zhuǎn)為只提供偏遠地區(qū)(如西藏和新疆的部分地區(qū))覆蓋或作備用系統(tǒng),VDL2將逐步部署代替飛機通信尋址與報告系統(tǒng)承載航空移動航路服務。

2.5 航空旅客通信

航空旅客通信是通過衛(wèi)星中繼或者直接接入地面站的方式在飛機與地面之間為乘客提供語音與數(shù)據(jù)通信。2004年,美國航空無線電委員會也重新評估了手機等無線電子設備對航空無線電導航通信的干擾,2007年裁定仍永久禁止在飛機上使用手機,但開放了筆記本、平板電腦等使用2.4 GHz ISM頻段的電子設備的使用許可。歐盟、英國、澳大利亞等國家和地區(qū)2006年開放了在飛機上使用手機的許可,只不過需要采用特殊的技術(shù)和認證的專用設備,如微微蜂窩、使用1 800 MHz頻段等。2006年以來,全球有多家公司開始提供全球或區(qū)域的艙內(nèi)因特網(wǎng)接入或打電話業(yè)務。近期,美國聯(lián)邦航空管理局也將解除禁止在飛機上使用手機的禁令。

機艙寬帶接入主要有兩種方式,一種是建立地基網(wǎng)。Aircell公司在美國本土(除阿拉斯加外)通過建立地基基站提供機內(nèi)Internet接入服務(Gogo)。Gogo采用基于地面3G的EV-DO技術(shù)的空地網(wǎng)絡系統(tǒng)將機內(nèi)基站連接到地面基站,下行可達3.1 Mb/s(地面基站到飛機基站),2012年底升級為ATG4系統(tǒng)(采用Rev.B、多個定向天線,雙調(diào)制器)后,下行峰值速率可達9.8 Mb/s。Gogo的空地網(wǎng)絡使用美國聯(lián)邦通訊委員會批準的專屬頻帶,網(wǎng)絡穩(wěn)定、速率快,業(yè)務體驗可媲美地面DSL網(wǎng)絡,但受地基基站建設制約,目前已采用衛(wèi)星網(wǎng)絡補充其覆蓋的不足。與Aircell類似,中國民航飛行學院、為邦遠航無線技術(shù)有限公司、華為技術(shù)有限公司聯(lián)合研制的“中國民航地空寬帶通信系統(tǒng)”的成功試驗飛行標志著中國民航進入空中互聯(lián)網(wǎng)時代,傳輸速率30～60 Mb/s。2012年,中國電信已經(jīng)在成都至北京的航線上建成17個地對空基站,海南航空2013年初已在北京至西安的航班上啟動了地空聯(lián)網(wǎng)測試。

另一種是采用衛(wèi)星中繼。Onair、Aircell采用Inmarsat的Swift-Broadband技術(shù)。Aeromobile、Row44等公司通過Ku頻段同步衛(wèi)星提供的全球機內(nèi)Internet接入和打電話業(yè)務。近年來,Aircell等公司也已經(jīng)計劃通過Ka頻段衛(wèi)星增強其網(wǎng)絡覆蓋、網(wǎng)絡容量等。

在移動電話方面,Onair、Aeromobile等通過在機艙內(nèi)安裝微微蜂窩基站,移動電話直接接入機艙內(nèi)基站,機內(nèi)基站數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星中繼連接到地面網(wǎng)絡。機內(nèi)的Internet接入已經(jīng)逐漸普及,部分地區(qū)也已經(jīng)開通機內(nèi)語音通信,即使機內(nèi)手機通信仍被禁止,通過機內(nèi)WiFi等網(wǎng)絡的VOIP話音通信技術(shù)也已經(jīng)成熟,介于機內(nèi)打電話業(yè)務尚未被允許和開通VOIP語音通信后面臨的道德等其他問題,目前Aircell等公司仍然未開通機內(nèi)VOIP的語音通信。

綜上所述,歸納民用航空移動通信技術(shù)發(fā)展演進如圖1所示。民用航空移動通信在陸地空域?qū)⒅饾u由VHF模擬語音通信過渡到VDL數(shù)字語音通信,未來有望采用L頻段數(shù)字航空通信系統(tǒng),但目前,L頻段在我國的兼容性和頻段許可仍有待研究與討論;在跨洋或偏遠地區(qū)將逐漸由短波系統(tǒng)過渡到衛(wèi)星通信;機場場面通信目前不同國家地區(qū)差別較大,未來趨于采用相同的標準或者兼容較好的寬帶通信系統(tǒng)。航空旅客通信也將趨于國際航線采用衛(wèi)星通信為主,國內(nèi)航線采用地空寬帶通信系統(tǒng)補充衛(wèi)星通信的方式,以滿足未來大容量的航空旅客通信需求。

圖1 民用航空通信技術(shù)發(fā)展演進圖Fig.1 Future evolution of civil aviation communication technologies

3 民用航空通信技術(shù)的發(fā)展趨勢及面臨的挑戰(zhàn)

從2004年開始,歐洲航空安全組織和聯(lián)邦航空管理局開展了諸多未來航空通信系統(tǒng)的研究,AP17計劃調(diào)研并提出了未來航空通信的候選技術(shù),NEWSKY計劃提出了基于IPv6的未來一體化航空通信網(wǎng)絡架構(gòu)?！笆晃濉焙汀笆濉逼陂g,我國也開展了諸多民用航空移動通信技術(shù)、系統(tǒng)和法律法規(guī)方面的研究。這些研究指出了未來航空移動通信的發(fā)展趨勢[4,24]:

(1)高速大容量數(shù)據(jù)傳輸:新應用和服務更多采用數(shù)據(jù)通信方式;航空旅客通信的開放,將帶來民航移動通信需求的飛躍,未來航空移動通信系統(tǒng)需要具備大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?

(2)以網(wǎng)絡為中心的管理操作:未來各航空實體間不斷增加的信息交互需求、協(xié)同決策和全系統(tǒng)信息管理都要求以網(wǎng)絡基礎,各服務系統(tǒng)相互兼容,以支持網(wǎng)絡化的管理與操作;

(3)多鏈路共存:一架航空器可能同時使用多條無線鏈路,如VDL、L-DACS等,采用多鏈路管理與調(diào)度策略以提供不同QoS的服務;

(4)通用航空的管理與通信需求將大大增加。

未來航空通信技術(shù)的研究是選擇至少10年后仍有能力滿足航空通信的需求并被廣泛部署的系統(tǒng)。如NEWSKY計劃討論了未來航空網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構(gòu),通過在鏈路層管理一種或多種物理層鏈路,結(jié)合路由與無縫切換技術(shù)為上層應用提供QoS服務,并提出在大西洋上空組建航空MESH網(wǎng)絡實現(xiàn)航空導航監(jiān)視和數(shù)據(jù)通信,是對未來多網(wǎng)絡多鏈路、寬帶化航空網(wǎng)絡的一次探索[24]。但L-DACS、AEROMACS、航空移動衛(wèi)星系統(tǒng)(Inmarsat-5、Ka頻段和Ku頻段衛(wèi)星)、ADS-B、4D導航、航空旅客服務等系統(tǒng)或應用要全球化部署應用仍面臨著諸多挑戰(zhàn)[4,12,24-27]:

(1)標準化:L-DACS、AEROMACS和航空移動衛(wèi)星系統(tǒng)(Ku頻段、Ka頻段)作為未來全球化的航空通信數(shù)據(jù)鏈,形成國際化的標準對新系統(tǒng)的部署及未來全球航空網(wǎng)絡的互聯(lián)互通互操作具有重要意義;

(2)電磁兼容性:新的航空通信技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)的兼容性決定了新技術(shù)能否被采用、能否順利過渡,如L-DACS系統(tǒng)與DME、TACAN、UAT、SSR、GSM900、GPS等系統(tǒng)的兼容性;

(3)服務的兼容性:ATS、AOC等安全相關(guān)或者影響飛行安全的服務,在與AAC、APC等非操作相關(guān)的服務在共享通信容量時的資源分配和調(diào)度,業(yè)務之間共存和兼容性問題;

(4)通信協(xié)議一致性:目前航空通信系統(tǒng)地面網(wǎng)絡已經(jīng)采用IPv6協(xié)議,而AOC、APC仍采用IPv4協(xié)議;

(5)頻譜資源:由于各個國家頻譜管理和分配的不同,要尋求統(tǒng)一的全球航空通信頻段困難重重,大大增加了未來航空移動通信的全球部署的難度;

(6)鏈路的異質(zhì)化部署:一體化的地基、空基、天基網(wǎng)絡實現(xiàn)了多種通信鏈路的異質(zhì)化部署,在多鏈路多接口網(wǎng)絡架構(gòu)下,如VHF信道、L-DACS信道、衛(wèi)星信道等,如何進行有限資源下的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)規(guī)劃和多鏈路的調(diào)度與管理;

(7)不斷增長的空中交通需求:一方面空中交通密度不斷增加,要求精確的航空定位導航支持;另一方面,航班密度的增加和航空旅客通信需求的增長對航空通信帶寬的需求更大。L-DACS是面向未來航空通信需求的地空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),需要對未來航空通信的需求做出準確的預測以及相應的L-DACS系統(tǒng)容量規(guī)劃。

4 結(jié) 論

近年來,民用航空運輸業(yè)穩(wěn)步增長,空中交通流量的增加使現(xiàn)有空中交通管理系統(tǒng)趨于擁塞,航空旅客通信的開放要求未來航空移動通信具有高速大容量數(shù)據(jù)傳輸能力。未來空中交通管理通信的語音通信將逐漸由原來的短波和甚高頻模擬語音通信過渡到甚高頻數(shù)字語音通信,未來將會采用基于多載波的寬帶通信系統(tǒng),如在陸地空域采用L-DACS、跨洋/偏遠地區(qū)采用專用衛(wèi)星通信,機場場面采用AEROMACS;航空旅客通信將采用衛(wèi)星通信實現(xiàn)全球覆蓋(如Inmarsat SBB),在陸地上空采用地空寬帶通信系統(tǒng)補充的方式,如Aircell采用中興的EVDO系統(tǒng)。為實現(xiàn)全球化的部署和空天地信息網(wǎng)絡,建議通過更多國際化合作與討論,建立統(tǒng)一的頻譜劃分方案和技術(shù)標準,從未來航空通信需求出發(fā),全球化規(guī)劃航空通信網(wǎng)絡,實現(xiàn)全球無縫覆蓋。同時,在通用航空方面,也要重點研究適合我國國情的通用航空管理和通信系統(tǒng)。

[1] Stacey D.Aeronautical radio communication systems and networks[M].England:Wiley,2008:105-125.

[2] Yue Meng,Wu Xiaofeng.The Approach of ACARS Data Encryption and Authentication[C]//Proceedings of 2010 International Conference on Computational Intelligence and Security.Nanning:IEEE,2010:556-560.

[3] Fistas N.Future Aeronautical Communication System-FCI[C]//Proceedings of Take Off Conference.Salzburg: Eurocontrol/CND,2009:1-40.

[4] Schütz W,Schmidt M.Action plan 17—Future communication study:Final conclusions and recommendations report[R]//Proceedings of Eurocontrol/FAA.Brussels, Belgium:Eurocontrol/FAA,2007:1-80.

[5] 董彬虹,李少謙.短波通信的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].信息與電子工程,2007,5(1):1-5. DONG Bin-hong,LI Shao-qian.Current Status and Developing Tendency for High Frequency Communications [J].Information and Electronic Engineering,2007,5 (1):1-5.(in Chinese)

[6] Lamiano D F,Leung K H,Monticone L C,et al.Digital broadband VHF aeronautical communications for air traffic control[C]//Proceedings of 2009 Integrated Communications,Navigation and Surveillance Conference.Arlington,VA:IEEE,2009:1-12.

[7] ICAO.Manual on VHF Digital Link(VDL)Mode 4 [M].Paris:International Civil Aviation Organization, 2004:I-1-4-I-1-6.

[8] Gilbert T,Jin J,Berger J,et al.Future Aeronautical Communication InfrastructureTechnologyInvestigation [NASA/CR—2008-215144[R].[S.l.]:ITT Industries,2008:63-67.

[9] Sung K W,Zander J.Aeronautical Communication Systems as Potential Primary Users in Secondary Spectrum Access[C]//Proceedings of 10th Scandinavian Workshop on Wireless Ad-hoc Networks.Stockholm,Sweden: [s.n.],2011:1-4.

[10] Graupl T,Ehammer M,Rokitansky C H.L-DACS 1 data link layer design and performance[C]//Proceedings of 2009 Integrated Communications Navigation and Surveillance Conference.Arlington,VA:IEEE,2009:1-12.

[11] Eurocontrol.L-DACS2 System Definition Proposal:Deliverable D2[R].[S.l.]:Eurocontrol,2009:121.

[12] Helios.FCI Technology Investigations:L-Band Compatibility Criteria and Interference Scenarios Study,Deliverables S1-S7:L-Band Interference Scenarios[R]. [S.l.]:Eurocontrol,2009:1-14.

[13] Schneckenburger N,Franzen N,Gligorevic S,et al.L-band compatibility of LDACS1[C]//Proceedings of 2011 Digital Avionics Systems Conference.Seattle,WA: IEEE,2011:1-11.

[14] Jain R,Templin F,Yin K S.Analysis of L-Band Digital Aeronautical Communication Systems:L-DACS1 and L -DACS2[C]//Proceedings of 2011 Aerospace Confer-ence.Big Sky,MT:IEEE,2011:1-10.

[15] Haas E,Lang H,Schnell M.Development and implementation of an advanced airport data link based on multi-carrier communications[J].European Transactions on Telecommunications,2002,13(5):447-454.

[16] Kerczewski R J,Apaza R D,Dimond R P.AeroMACS system characterization and demonstrations[C]//Proceedings of 2013 Aerospace Conference.Big Sky,MT: IEEE,2013:1-10.

[17] Wargo C A,Apaza R.Application survey for the future aeromacs[C]//Proceedings of 2011 Integrated Communications,Navigation and Surveilance Conference.Herndon,VA:IEEE,2011:1-10.

[18] Yiping C.A survey of AeroMACS:Next generation airport surface mobile communication systems[C]//Proceedings of 2011 Wireless Mobile and Computing. Shanghai:IEEE,2011:513-516.

[19] Eurocontrol/FAA Future Communication Study Evaluation Scenarios.Future Communications Infrastructure-Technology Investigations[R].[S.l.]:Eurocontrol/ FAA,2007:Appendix of ACP/1-WP/21.

[20] ICAO.Manual for Aeronautical Mobile Satellite Route Service Part 1[M].Paris:ICAO,2007:4-10.

[21] McLain C,Panthi S,Sturza M,et al.High throughput Ku -band satellites for aeronautical applications[C]//Proceedings of 2012 Military Communications Conference. Orlando,FL:IEEE,2012:1-6.

[22] Wang Yun,Shi Peizhong,Li Kai,et al.D-TDMA:An Approach of Dynamic TDMA Scheduling for Target Tracking in Wireless Sensor Networks[C]//Proceedings of 2010 IEEE/ACM Int'l Conference on&Int'l Conference on Cyber,Physical and Social Computing,Green ComputingandCommunications.Hangzhou:IEEE, 2010:546-553.

[23] Chris Hudson.Ku-Vs.Ka-Band—Pondering Performance[J].SatMagazine,2012:20-24.

[24] Schnell M,Scalise S.Newsky-A concept for networking the sky for civil aeronautical communications[C]//Proceedings of 2006 IEEE/AIAA 25th Digital Avionics System Conference.Portland,OR:IEEE,2006:1-4.

[25] Neji N,Lacerda R,Azoulay A,et al.Survey on the Future Aeronautical Communication System and its development for continental communications[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2013,62(1): 182-191.

[26] Jain R,Templin F.Requirements,Challenges and A-nalysis of Alternatives for Wireless Datalinks for Unmanned Aircraft Systems[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2012,30(5):852-860. [27] Tavernise P.Future mobile satellite communication: Project 15.2.6:The“feeder link”to the ESA Iris Program[C]//Proceedings of 2011 Tyrrhenian International Workshop on Digital Communications-Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles.Capri,Italy: IEEE,2011:19-25.

WANG Zhi-ming was born in Xianyang, Shaanxi Province,in 1986.He received the B.S. degree from Chongqing University in 2009.He is currently working toward the Ph.D.degree.His research interests include broadband mobile communication for civil aviation,and aeronautical Ad Hoc networks.

Email:jamewzm@163.com

曾孝平(1956—),男,四川廣安人,分別于1982年、1987年和1996年獲學士學位、碩士學位和博士學位,現(xiàn)為博士(后)、教授、博士生導師、國家級教學名師獎獲得者、寶鋼優(yōu)秀教師獎特等獎獲得者、重慶大學通信工程學院院長、美國俄亥俄洲立大學客座教授,主要研究方向為寬帶無線網(wǎng)絡、通信信號處理和生物醫(yī)學信號處理;

ZENG Xiao-ping was born in Guang′an,Sichuan Province, in 1956.He received the B.S.degree,the M.S.degree,and the Ph.D.degree from Chongqing University in 1982,1987,and 1996,respectively.He is now a professor,Ph.D.supervisor,Dean of College of Communication Engineering at the College of Communication Engineering,Chongqing University,China.He is also a visiting professor at The Ohio State University at Columbus.His research interests include broadband wireless network,communication signal processing and biomedical signal processing.

黃 杰(1988—),男,重慶人,2011年于重慶郵電大學獲學士學位,現(xiàn)為重慶大學博士研究生,主要研究方向為現(xiàn)代通信技術(shù)與系統(tǒng)、航空自組網(wǎng);

HUANG Jie was born in Chongqing,in 1988.He received the B.S.degree from Chongqing University of Post and Telecommunications in 2011.He is currently working toward the Ph.D. degree.His research concerns modern communication technology and system,aeronautical Ad Hoc networks.

劉 學(1983-),男,重慶人,2008年于重慶通信學院獲碩士學位,現(xiàn)為重慶大學博士研究生,主要研究方向為航空自組網(wǎng)。

Situations and Developments of Mobile Communication Technologies for Civil Aviation

WANG Zhi-ming,ZENG Xiao-ping,HUANG Jie,LIU Xue
(College of Communication Engineering,Chong Qing University,Chongqing 400044,China)

VHF(Very High Frequency)spectrum band is becoming more congested and the capacity demand of aeronautical personal communication(APC)is increasing.First,this paper presents current status of aeronautical communication technologies from the scenes including continental domain,oceanic/remote domain and airport surface domain,and elaborates the developments and trends of aeronautical mobile route services and APC services.Then,it summarizes the orientations and challenges of aeronautical communication technologies according to the research projects at home and abroad.Finally,it gives some suggestions for aeronautical mobile communication developments.

civil aviation;aeronautical communication;APC service;mobile communication;Internet

as born in Chongqing,in 1983.He

the M.S.degree from Chongqing Communication College in 2008. He is currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns aeronautical Ad Hoc networks.

The National Natural Science Foundation of China(No.61171089)

TN92;V11

A

1001-893X(2013)11-1537-08

王志明(1986—),男,陜西咸陽人,2009年于重慶大學通信工程學院獲學士學位,現(xiàn)為重慶大學通信工程學院博士研究生,主要研究方向為民用航空寬帶移動通信、航空自組網(wǎng);

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.11.025

2013-08-07;

2013-11-06 Received date:2013-08-07;Revised date:2013-11-06

國家自然科學基金資助項目(61171089)

**通訊作者:jamewzm@163.com Corresponding author:jamewzm@163.com