航空移動通信——窄帶至寬帶的演進

張軍

1. 引言

航空運輸是國家或地區(qū)重要的戰(zhàn)略性、先導性和創(chuàng)新性產業(yè)，也是國家或地區(qū)經濟發(fā)展和產業(yè)升級的驅動力。航空移動通信系統(tǒng)是保障航空運輸系統(tǒng)安全高效運行的核心基礎設施。隨著全球航空運輸?shù)目焖侔l(fā)展，空中交通管制（air traffic control, ATC）、航空公司運行控制（airline operation control, AOC）、空中旅客通信（airline passenger communication, APC）等航空業(yè)務對地空通信系統(tǒng)的通信能力提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)航空通信系統(tǒng)受限于技術體制、航空應用壁壘等因素，通信效率不高、傳輸速率有限，難以滿足不斷增長的大帶寬、高可靠、廣覆蓋的航空多樣化通信業(yè)務要求。推動航空移動通信由窄帶向寬帶的發(fā)展已成為建設現(xiàn)代化航空運輸系統(tǒng)、保障航空運行安全、提高航空運行效率、改善航空服務質量的必然選擇，也是國際航空業(yè)界形成的共識。

近年來，以5G/B5G通信、衛(wèi)星互聯(lián)網為代表的新一代寬帶通信技術以及人工智能技術的發(fā)展，為航空移動通信系統(tǒng)的發(fā)展進步帶來了新的可能。與其他領域的通信系統(tǒng)相比，航空移動通信系統(tǒng)作為保障航空器安全高效運行的核心手段，在技術需求、業(yè)務場景、政策環(huán)境等方面具有自身的特點，發(fā)展航空寬帶移動通信系統(tǒng)面臨著自有的技術挑戰(zhàn)。本文將結合航空通信系統(tǒng)的特點，分析航空通信系統(tǒng)寬帶化所面臨的技術挑戰(zhàn)，提出應對這些挑戰(zhàn)的技術對策，在此基礎上提出空天地一體化新一代航空移動通信系統(tǒng)的構想，并給出未來發(fā)展與應用的建議。

2. 航空寬帶移動通信的特點與挑戰(zhàn)

航空移動通信系統(tǒng)具有廣覆蓋、高移動、高可靠、多業(yè)務、多場景等特點。按照通信區(qū)域可分為機場場面通信、陸地航路通信和跨洋/偏遠地區(qū)航路通信，覆蓋機場場面、起飛、巡航、降落的全飛行階段；按照通信業(yè)務又可分為ATC、AOC、APC等多種業(yè)務[1]。

目前機場場面通信除了地空窄帶通信系統(tǒng)外，還有航空移動機場通信系統(tǒng)（aeronautical mobile airport communication system, AeroMACS）[2,3]。為提升航路地空通信速率，2009年美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐洲空中航行安全組織（EUROCONTROL）聯(lián)合提出了L波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)（L-band digital aeronautical communication system, L-DACS）的技術方案[4,5]；面向空中旅客通信服務，國內外也積極開展了基于3G、4G無線寬帶通信技術的地空通信系統(tǒng)（air-to-ground, ATG）試驗驗證[6]；國際海事衛(wèi)星組織（International Maritime Satellite Organization, INMARSAT）計劃在第5代海事衛(wèi)星系統(tǒng)中采用Ka頻段通信衛(wèi)星實現(xiàn)全球寬帶接入服務。航空寬帶移動通信已成為大勢所趨。然而，發(fā)展航空寬帶通信技術仍然面臨諸多亟待解決的技術挑戰(zhàn)。

（1）受限帶寬資源的地空高速率通信。航空新興業(yè)務的出現(xiàn)也對通信容量提出了更高的要求，如智慧機場大規(guī)模設備的智能互聯(lián)、機場場面實時視頻監(jiān)控、航班“黑匣子”數(shù)據(jù)實時采集與監(jiān)控、機上旅客上網等。然而，航空通信容量受制于有限的專用頻段，如AeroMACS必須嚴格限制在5091～5150 MHz有限的頻段下使用，L-DACS寬帶通信技術的應用面臨著頻率資源不足的窘境。在有限的帶寬下如何實現(xiàn)高速率大容量的信息傳輸，是航空移動通信系統(tǒng)寬帶化首先需要解決的問題。

（2）在高度動態(tài)和復雜的電磁環(huán)境中安全可靠的通信。航空飛行事關生命安全，航空移動通信對安全性和可靠性有著極高的要求。然而，航空器起降階段飛行姿態(tài)不斷變化，巡航時速達到1000 km，地空無線通信信道時變快、多普勒效應明顯；同時，航空器有限空間內密集安裝了通信、導航、監(jiān)視等各類無線電設備系統(tǒng)，一架波音777飛機至少須安裝30副天線，機載電磁環(huán)境復雜，機載通信存在臨頻、同頻、帶外、互調等多類干擾問題。因此，航空寬帶通信須解決高動態(tài)飛行、多干擾環(huán)境下的地空高可靠通信技術挑戰(zhàn)。

（3）全球廣域飛行的低時延無縫通信。航空器全球飛行航空通信系統(tǒng)應具備全球廣域覆蓋能力。同時隨著國際民航基于航跡的運行概念（trajectory based operation, TBO）的提出，要求航空器具備秒級的定時到達控制能力，這對指令共享的實時性提出了更高的要求。而航空器與衛(wèi)星或地面通信設備相距較遠，如何在航空器高速遠距離飛行過程中保持連續(xù)的低時延通信能力，是航空寬帶移動通信系統(tǒng)面臨的另一技術挑戰(zhàn)。

（4）多場景多業(yè)務的自適應融合通信。有人駕駛、無人駕駛等不同類型的航空器，運輸航空、通用航空等不同性質的飛行活動，以及ATC、AOC、APC等不同的業(yè)務，對航空移動通信系統(tǒng)的性能有著不同的要求。如何為不同種類飛行活動、不同業(yè)務場景下的航空器提供通信性能需求自適應的地空通信服務，是航空寬帶通信系統(tǒng)發(fā)展所需解決的又一挑戰(zhàn)性問題。

3. 實現(xiàn)航空寬帶移動通信的技術對策

針對上述航空通信系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，以下關鍵技術需要重點突破。

（1）針對受限帶寬資源的地空高速率通信問題，發(fā)展高效頻譜利用技術。新一代5G/B5G空口技術如新型調制編碼、多址技術[7]，大規(guī)模天線（massive multipleinput-multiple-output, Massive MIMO）技術[8]，全雙工通信技術以及智能超表面[9]等無線傳輸物理擴圍技術等，可以有效解決航空通信系統(tǒng)頻譜資源受限的問題；此外，使用通信導航監(jiān)視一體化技術，可以實現(xiàn)與監(jiān)視、導航頻段的復用，或可利用認知無線電技術復用其他頻段的頻譜資源，提升頻譜資源利用率。同時，由于航空通信系統(tǒng)中節(jié)點靈活、高動態(tài)的特性，傳輸環(huán)境復雜且具有時變性，傳統(tǒng)的頻譜分配和接入方案無法保障頻譜的高效利用，機器學習等人工智能（AI）技術可以實現(xiàn)頻譜的智能分配，是支持航空通信高頻譜效率的重要候選技術。

（2）針對高動態(tài)多干擾的安全高可靠通信問題，開展機載通信抗干擾與適航符合性技術研究。針對航空系統(tǒng)高動態(tài)的問題，時頻同步等技術可提高地空傳輸?shù)目诡l偏能力；基于壓縮感知、小波變換的強脈沖干擾消除等技術可有效解決復雜機載電磁環(huán)境中的抗干擾問題。對于新型航空通信航電系統(tǒng)，亟需突破航電系統(tǒng)的適航安全性、適航符合性驗證等基礎理論與關鍵技術[10]，為新型機載寬帶通信航電系統(tǒng)的研制、適航和驗證提供支持。

（3）針對全球廣域飛行的低時延無縫通信問題，發(fā)展空天地一體化的航空通信系統(tǒng)。航空器空空通信網絡因其節(jié)點動態(tài)組網、自組織[11]等優(yōu)點，與地空數(shù)據(jù)網和航空移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)等一同構成空天地一體化網絡，可以支撐實現(xiàn)全球無縫覆蓋。空天地一體化信息網[12]架構復雜，涉及天、空、地多個通信系統(tǒng)，各系統(tǒng)節(jié)點繁多且能力差異大，因此需要設計安全、可靠、高效的網絡接口及通信協(xié)議，以確保航空器在系統(tǒng)間切換時信號的平滑過渡；部分接入節(jié)點移動性較強，因此需要低時延、高效率、健壯的網絡結構和靈活的節(jié)點組網機制以應對空基接入點的頻繁切換。

（4）針對多場景多業(yè)務的自適應融合通信問題，攻克航空異構網絡智聯(lián)技術。航空移動通信涉及衛(wèi)星通信、機場場面通信、空地通信等多類型異構通信網絡，需借助數(shù)字傳感器、智能終端、全息光傳輸與5G、AI等智聯(lián)網關鍵支撐技術[13]，設計安全、可靠、穩(wěn)定、高效的網絡接口，實現(xiàn)異構網絡的互聯(lián)互通、新舊通信體制網絡協(xié)議的轉換。網絡功能虛擬化、網絡切片等5G核心網技術[14]能夠動態(tài)管理異構網絡資源適配不同業(yè)務需要，提供多類型業(yè)務服務質量保障；邊緣計算、AI等技術可以優(yōu)化頻譜資源分配、飛行器移動性管理等業(yè)務，進一步綜合提升網絡性能。

4. 新一代航空寬帶通信系統(tǒng)構想

新一代航空寬帶通信系統(tǒng)將基于空天地一體化信息網絡技術的天基、空基、地基多網融合方案，為航空寬帶通信網絡全球廣域覆蓋、無縫連接提供技術支撐。如圖1所示，天基系統(tǒng)包括高中低軌互聯(lián)網衛(wèi)星網絡；空基系統(tǒng)包括機載航電系統(tǒng)以及航空器自組網系統(tǒng)；地基系統(tǒng)包括地面通信臺站、機場場面通信系統(tǒng)等。

新一代航空寬帶移動通信系統(tǒng)能夠滿足飛行各階段的業(yè)務需求，為航空管制部門、航空公司、機場、旅客、無人駕駛航空等提供可靠的寬帶數(shù)據(jù)通信與增強服務，可強有力支撐未來智慧民航系統(tǒng)各類運行場景的實現(xiàn)，包括機場場面無人駕駛交通系統(tǒng)、航空器智能滑行引導、旅客無感安檢等智慧機場的場景，四維精準定時到達、空中交通自主運行、有人機無人機融合運行等智慧空管系統(tǒng)的場景，以及智能飛行駕駛、智慧旅客服務、智慧物流系統(tǒng)等智慧航空公司的運行場景。

5. 發(fā)展建議

縱觀全球科技發(fā)展，新一代通信技術與航空系統(tǒng)的加速融合發(fā)展將倒逼航空移動通信系統(tǒng)的自我革新與跨代發(fā)展。航空通信在適航性、安全性、標準化等方面具有嚴苛要求，新一代航空移動通信系統(tǒng)的發(fā)展與應用須做好頂層設計與科學規(guī)劃。

（1）系統(tǒng)規(guī)劃設計新一代航空移動通信的未來發(fā)展路徑。鑒于機載適航性要求等級的差異，寬帶通信新技術及服務的應用總體上建議遵循“先易后難”的發(fā)展思路：先應用于通用航空、無人航空，再過渡到運輸航空；運輸航空方面先應用于航空器客艙、旅客的通信服務，再過渡到航空器前艙的寬帶安全通信服務。

（2）加強與國家空間信息基礎設施的協(xié)同規(guī)劃。未來的航空移動通信系統(tǒng)必將依賴于互聯(lián)網衛(wèi)星等國家級乃至全球性的空間信息基礎設施（spatial information infrastructure, SII）。因此，航空移動通信系統(tǒng)的建設應與空間信息基礎設施的發(fā)展建設進行協(xié)同規(guī)劃，空間基礎設施的頻率資源分配、空間載荷設計、系統(tǒng)運行控制等應滿足可用性、連續(xù)性、完好性等航空通信性能需求。

（3）加強國際組織間的協(xié)調與合作。航空通信新技術的發(fā)展與應用必須加強國際組織與國家間的密切協(xié)作，特別是應加強國際民用航空組織（ICAO）與國際電信聯(lián)盟（ITU）、國際航空工業(yè)標準化組織的全球協(xié)調與合作，統(tǒng)籌協(xié)調與優(yōu)化利用航空通信頻率資源，共同制定航空寬帶移動通信的技術標準與應用規(guī)則。

圖1. 新一代航空寬帶移動通信系統(tǒng)。