民用航空互聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展趨勢及網(wǎng)絡架構(gòu)分析

王俊杰，李福昌，張 琳，王 迪（.中國聯(lián)通研究院，北京 00048；.中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 00048）

1 航空互聯(lián)網(wǎng)通信市場前景及發(fā)展趨勢

航空市場發(fā)展前景巨大，根據(jù)國際航空運輸協(xié)會（IATA）發(fā)布的航空市場預測，預計航空運輸在未來20年內(nèi)的復合年增長率約為3.5%，旅客空運數(shù)量或可達到82 億次，全球航空業(yè)的中心將逐步向亞太、中東地區(qū)轉(zhuǎn)移。2019 年，中國民航局首次明確提出了新一代寬帶技術(shù)的系統(tǒng)性實施路徑，持續(xù)推進航空網(wǎng)絡升級，推進機上無線網(wǎng)絡服務。目前，我國民航客機總數(shù)為3 800～4 500 架，共計400 多條國內(nèi)航線。2022—2025 年，中國將超過美國成為全球最大的單一航空市場，2022年中國旅客吞吐量會達到9.8億人次，未來20年內(nèi)，中國還將需要約450個機場，屆時中國的民航旅客吞吐量將占到全世界的25%［1-3］。航空互聯(lián)網(wǎng)通信業(yè)務將迎來爆發(fā)式的增長［4-5］。飛機的前艙場景和后艙場景都有著強烈的應用需求，飛機前艙可承載ToB類型的數(shù)據(jù)安全傳輸業(yè)務，如飛行數(shù)據(jù)回傳、電子飛行包、智能化空管、氣象云圖實時更新等業(yè)務，飛機后艙可承載ToC 類型的數(shù)傳業(yè)務，如遠程會議、高清游戲、實時VR、遠程醫(yī)療等業(yè)務。

目前，航空互聯(lián)網(wǎng)解決方案主要有基于地球同步軌道衛(wèi)星（Geosynchronous Orbit Satellite，GEO）的航空機載通信方案與地空通信（Air to Ground，ATG）的航空機載通信方案2種。基于GEO的航空機載通信方案以地球同步軌道衛(wèi)星作為接入與中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，GEO 衛(wèi)星對信息再生轉(zhuǎn)發(fā)至地面信關(guān)站，實現(xiàn)互聯(lián)互通?；贏TG 的航空機載通信方案采用地面宏基站作為專用基站，飛行器通過空中接口與專用基站相連，實現(xiàn)一體化的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理與傳輸。2020 年，國內(nèi)運營商已完成了相關(guān)ATG 技術(shù)驗證并開始部署建設ATG 通信骨干網(wǎng)絡。然而，受制于地面網(wǎng)絡建設，ATG 網(wǎng)絡目前只能部署于陸地及近海區(qū)域，跨海國際航線普遍采用基于GEO 衛(wèi)星的方式提供航空互聯(lián)網(wǎng)通信業(yè)務［6-7］。

另一方面，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，空天地一體化通信作為通信系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，越來越受到人們的重視，高通量低軌衛(wèi)星（Low Orbit Satel?lite，LEO）不斷興起，星地融合網(wǎng)絡方興未艾。地面通信系統(tǒng)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已開始融合發(fā)展，并逐步進入“全球全域的寬帶互聯(lián)網(wǎng)”時期。衛(wèi)星通信不僅是地面網(wǎng)絡的有效補充，而且在地面網(wǎng)絡不可通達的區(qū)域或者場景中發(fā)揮重要作用［8-9］。衛(wèi)星通信系統(tǒng)在基站回傳、數(shù)據(jù)中繼、移動載體應用、應急通信、偏遠地區(qū)寬帶接入、專網(wǎng)及跨境組網(wǎng)以及海上作業(yè)、泛在物聯(lián)、遠程醫(yī)療、遠程教育、內(nèi)容分發(fā)與組播、數(shù)據(jù)采集等諸多場景中發(fā)揮重要作用［9-12］。未來6G 網(wǎng)絡將構(gòu)建空、天、地泛在的移動通信網(wǎng)絡，“空天地一體化”網(wǎng)絡將成為未來通信網(wǎng)絡的重要發(fā)展趨勢。與地面移動通信系統(tǒng)相比，空天地一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)不易受地形地貌與建筑物對無線電波傳播的影響，可以實現(xiàn)真正意義上的全球覆蓋。上述因素為構(gòu)建空天地一體化網(wǎng)絡的民用航空互聯(lián)網(wǎng)通信發(fā)展方向奠定了基礎。

2 航空寬帶通信網(wǎng)絡架構(gòu)

ATG 網(wǎng)絡采用宏基站作為專用基站，飛行器通過空中接口與專用基站相連，實現(xiàn)一體化的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理與傳輸，提供航空互聯(lián)網(wǎng)服務，其組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于ATG方式的航空互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

ATG 網(wǎng)絡包含天基測控系統(tǒng)、地面測控系統(tǒng)和信息傳輸鏈路3個部分。天基測控系統(tǒng)和地面測控系統(tǒng)都采用宏基站作為專用基站，飛行器和用戶終端通過空中接口與專用基站相連。而天基測控系統(tǒng)和地面測控系統(tǒng)的專用基站都連到同一個核心網(wǎng)，通過一體化傳輸、一體化處理來完成空地一體化信息傳輸。通過定制化的5G基站系統(tǒng)與協(xié)議，ATG網(wǎng)絡的地面專網(wǎng)基站大小區(qū)覆蓋半徑達300 km，支持1 200 km/h 超高移動速率，上下行峰值速率為50 Mbit/s 與800 Mbit/s，能夠支持偏遠和近海航線場景覆蓋［6-7］。

基于GEO 的航空通信解決方案以GEO 衛(wèi)星為中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，通過衛(wèi)星信關(guān)站接入地面網(wǎng)絡，提供航空互聯(lián)網(wǎng)通信服務，其網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于GEO的航空通信網(wǎng)絡架構(gòu)

基于GEO 的航空通信解決方案利用衛(wèi)星多播功能，將衛(wèi)星鏈路直接連接到信關(guān)站，衛(wèi)星在用戶與地基接入網(wǎng)之間起到一個透明彎管傳輸?shù)墓δ?，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效回傳。

基于GEO 的航空通信解決方案與基于ATG 的航空通信解決方案優(yōu)劣勢對比如表1所示。

表1 2種通信方式對比

相較于基于GEO 的航空通信方案，基于ATG 的航空通信方案的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點。

a）改裝成本低，周期短。在改裝成本方面，基于GEO 方案的單顆衛(wèi)星租賃成本約為15 萬元/MHz/年，飛機機載系統(tǒng)改裝成本約為400 萬元/架，ATG 方案的飛機機載系統(tǒng)改裝成本約為200 萬元/架。對于國內(nèi)航線而言，ATG 網(wǎng)絡規(guī)模按照東部區(qū)域全覆蓋，西部航線全覆蓋的方案估算，全國需新建ATG 基站約500個，單站建設成本約為100萬，新建專網(wǎng)核心網(wǎng)一套按2 000萬計算，ATG方案的地面網(wǎng)絡基礎設施建設成本約為5.2 億。在改裝周期方面，基于高軌衛(wèi)星的機載通信方案單架飛機停場改裝時長約為1 周，基于ATG的機載通信方案的單架飛機停場改裝時長為2～3天［6，7，13］。

b）通信時延小。衛(wèi)星方案多基于GEO衛(wèi)星，GEO方案網(wǎng)絡時延為1～2 s，而ATG方案網(wǎng)絡時延則不高于100 ms。

c）技術(shù)迭代優(yōu)勢。衛(wèi)星方案技術(shù)迭代升級困難（衛(wèi)星無法回收），ATG方案技術(shù)迭代升級快（LTE可升級5G NR）。

d）流量資費低。綜合考慮有限的高軌通信衛(wèi)星資源與ATG 網(wǎng)絡建設成本，衛(wèi)星方案多基于GEO，其流量資費要高于ATG方案。

e）用戶體驗速率高。據(jù)調(diào)研，現(xiàn)有的ATG 5G 地空通信平臺能夠?qū)崿F(xiàn)下行峰值速率800 Mbit/s，上行峰值速率150 Mbit/s。ATG 方案的用戶體驗速率遠高于基于GEO的方案。

相較于基于GEO 的通信方案，ATG 方案的劣勢主要包括以下幾方面。

a）限定陸地區(qū)域。衛(wèi)星方案可覆蓋全球區(qū)域，ATG方案僅限于陸地與近海區(qū)域。

b）航空頻率問題。衛(wèi)星通信頻段已獲得監(jiān)管部門許可，ATG 方案地面與飛機間通信頻率獲取難度則較大。

c）審批流程問題。衛(wèi)星運營商已獲得基礎電信業(yè)務經(jīng)營許可，電信運營商的經(jīng)營許可審批流程復雜，審批流程周期較長。

目前，我國正加緊謀劃基于LEO 衛(wèi)星星座全球移動通信與空間互聯(lián)網(wǎng)建設。構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡，建成空間基礎設施體系，將有助于形成面向全球連續(xù)穩(wěn)定的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務能力。另一方面，3GPP 組織開展了衛(wèi)星通信的系統(tǒng)架構(gòu)和空口接入技術(shù)的研究，根據(jù)其所提出的非地面網(wǎng)絡（Non Terrestri?al Network，NTN）網(wǎng)絡架構(gòu)，GEO/MEO/LEO 星座將成為未來新型天基網(wǎng)絡重要的基礎設施［14-15］。故未來可采取LEO 星座網(wǎng)絡與ATG 專網(wǎng)并存的空天地一體化通信網(wǎng)絡部署方式，其網(wǎng)絡架構(gòu)如圖3所示。

圖3 空天地一體化航空通信網(wǎng)絡架構(gòu)

相較于基于GEO 的航空通信解決方案，基于LEO的航空通信解決方案能夠有效減少傳輸時延，提升用戶體驗速率與覆蓋性能。相較于基于ATG 的航空通信解決方案，基于LEO 的航空通信解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋，避免航空頻率使用許可問題。然而，需要說明的是，部署具備全球覆蓋商用能力、技術(shù)成熟的LEO 星座尚需要一定時間。在其部署的窗口期內(nèi)，對于航空通信業(yè)務需求大的陸地航線而言，可以優(yōu)先考慮基于ATG 的航空通信解決方案，對于跨海域的國際航線則應采用基于GEO的航空通信解決方案。

3 結(jié)束語

本文對我國的民用航空寬帶通信的網(wǎng)絡架構(gòu)與發(fā)展趨勢進行了總結(jié)分析，并探索了面向民用航空寬帶通信網(wǎng)絡的解決方案。與現(xiàn)有的基于GEO 的機載通信方案相比，基于LEO 的機載通信方案雖然擁有更好的網(wǎng)絡覆蓋性能，然而部署具備全球覆蓋商用能力、技術(shù)成熟的LEO 星座尚需要一定時間。在LEO 星座部署完成之前，基于ATG 的航空通信解決方案對于國內(nèi)航線而言仍具有顯著優(yōu)勢。在國家政策方面，已確定在“十四五”期間基本完成LEO 星座的全球布局，LEO星座互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為空天地一體化網(wǎng)絡發(fā)展的必然趨勢［10，12］。未來，航空通信解決方案將基于LEO 星座，故ATG 解決方案很可能成為一個過渡性的航空通信解決方案。在此過渡期內(nèi)，ATG 網(wǎng)絡共建共享的維護成本、投資收益比和回收周期需要進一步統(tǒng)籌規(guī)劃。民用航空通信網(wǎng)絡發(fā)展可以歸納為以下3 個階段。

a）2025 年前后，開展非地面網(wǎng)絡標準化工作布局、面向5G 公網(wǎng)/專網(wǎng)融合化服務的ATG 網(wǎng)絡建設與推廣以及高頻偏場景下的LEO通信試驗驗證工作。

b）2030年前后，主要開展非地面網(wǎng)絡標準化體系完善工作、面向5G/6G 公網(wǎng)/專網(wǎng)融合化的ATG 網(wǎng)絡服務和運營以及基于LEO 星座的機載通信網(wǎng)絡測試與驗證。

c）2035 年后，開展面向6G 的空天地一體化的國際標準化工作，實現(xiàn)LEO 與ATG 的異構(gòu)網(wǎng)絡融合，建設空天地一體化協(xié)同組網(wǎng)的機載寬帶無線通信網(wǎng)絡。

未來，隨著空天地一體化網(wǎng)絡的發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面信息通信系統(tǒng)將持續(xù)融合，建設LEO 星座與ATG 網(wǎng)絡融合的空天地一體化航空寬帶通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)民航行業(yè)應用全覆蓋，為航空用戶提供覆蓋全球的通信網(wǎng)絡服務。