航空行動通訊的演進

本文來自微信公眾號： 中國工程院院刊（ID：CAE-Engineering） ，作者：張軍（航空交通工程技術專家，中國工程院院士），本文選自中國工程院院刊《Engineering》2021年第4期，原文標題：《航空行動通訊：窄帶至寬頻的演進丨Engineering》

航空移動通訊系統是保障航空運輸系統安全高效執行的核心基礎設施。隨著全球航空運輸的快速發展，空中交通管制、航空公司執行控制、空中旅客通訊等航空業務對地空通訊系統的通訊能力提出了越來越高的要求。近年來，以5G/B5G通訊、衛星網際網路為代表的新一代寬頻通訊技術以及人工智慧技術的發展，為航空移動通訊系統的發展進步帶來了新的可能。

中國工程院張軍院士在中國工程院院刊《Engineering》2021年第4期撰文，結合航空通訊系統的特點，分析了航空通訊系統寬頻化所面臨的技術挑戰，提出應對這些挑戰的技術對策，提出了空天地一體化新一代航空移動通訊系統的構想，並給出未來發展與應用的建議。

文章指出，新一代航空寬頻通訊系統將基於空天地一體化資訊網路技術的天基、空基、地基多網融合方案，為航空寬頻通訊網路全球廣域覆蓋、無縫連線提供技術支撐。文章從系統規劃設計新一代航空行動通訊的未來發展路徑、加強與國家空間資訊基礎設施的協同規劃、加強國際組織間的協調與合作等方面提出了新一代航空移動通訊系統的發展與應用的建議。

一、引言

航空運輸是國家或地區重要的戰略性、先導性和創新性產業，也是國家或地區經濟發展和產業升級的驅動力。航空移動通訊系統是保障航空運輸系統安全高效執行的核心基礎設施。隨著全球航空運輸的快速發展，空中交通管制 （air traffic control, ATC） 、航空公司執行控制 （airline operation control, AOC） 、空中旅客通訊 （airline passenger communication, APC） 等航空業務對地空通訊系統的通訊能力提出了越來越高的要求。

傳統航空通訊系統受限於技術體制、航空應用壁壘等因素，通訊效率不高、傳輸速率有限，難以滿足不斷增長的大頻寬、高可靠、廣覆蓋的航空多樣化通訊業務要求。推動航空行動通訊由窄帶向寬頻的發展已成為建設現代化航空運輸系統、保障航空執行安全、提高航空執行效率、改善航空服務質量的必然選擇，也是國際航空業界形成的共識。

近年來，以5G/B5G通訊、衛星網際網路為代表的新一代寬頻通訊技術以及人工智慧技術的發展，為航空移動通訊系統的發展進步帶來了新的可能。與其他領域的通訊系統相比，航空移動通訊系統作為保障航空器安全高效執行的核心手段，在技術需求、業務場景、政策環境等方面具有自身的特點，發展航空寬頻移動通訊系統面臨著自有的技術挑戰。本文將結合航空通訊系統的特點，分析航空通訊系統寬頻化所面臨的技術挑戰，提出應對這些挑戰的技術對策，在此基礎上提出 空天地一體化新一代航空移動通訊系統的構想 ，並給出未來發展與應用的建議。

二、航空寬頻行動通訊的特點與挑戰

航空移動通訊系統具有廣覆蓋、高移動、高可靠、多業務、多場景等特點。按照通訊區域可分為機場場面通訊、陸地航路通訊和跨洋/偏遠地區航路通訊，覆蓋機場場面、起飛、巡航、降落的全飛行階段；按照通訊業務又可分為ATC、AOC、APC等多種業務。

目前機場場面通訊除了地空窄帶通訊系統外，還有航空移動機場通訊系統 （aeronautical mobile airport communication system, AeroMACS） 。

為提升航路地空通訊速率，2009年美國聯邦航空管理局 （FAA） 和歐洲空中航行安全組織 （EUROCONTROL） 聯合提出了L波段數字航空通訊系統 （L-band digital aeronautical communication system, L-DACS） 的技術方案；面向空中旅客通訊服務，國內外也積極開展了基於3G、4G無線寬頻通訊技術的地空通訊系統 （air-to-ground, ATG） 試驗驗證；國際海事衛星組織 （International Maritime Satellite Organization, INMARSAT） 計劃在第5代海事衛星系統中採用Ka頻段通訊衛星實現全球寬頻接入服務。航空寬頻行動通訊已成為大勢所趨。

然而，發展航空寬頻通訊技術仍然面臨諸多亟待解決的技術挑戰。

（1）受限頻寬資源的地空高速率通訊。航空新興業務的出現也對通訊容量提出了更高的要求，如智慧機場大規模裝置的智慧互聯、機場場面實時影片監控、航班“黑匣子”資料實時採集與監控、機上旅客上網等。然而，航空通訊容量受制於有限的專用頻段，如AeroMACS必須嚴格限制在5091~5150 MHz有限的頻段下使用，L-DACS寬頻通訊技術的應用面臨著頻率資源不足的窘境。在有限的頻寬下如何實現高速率大容量的資訊傳輸，是航空移動通訊系統寬頻化首先需要解決的問題。

（2）在高度動態和複雜的電磁環境中安全可靠的通訊。航空飛行事關生命安全，航空行動通訊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不斷變化，巡航時速達到1000km，地空無線通訊通道時變快、多普勒效應明顯；同時，航空器有限空間內密集安裝了通訊、導航、監視等各類無線電裝置系統，一架波音777飛機至少須安裝30副天線，機載電磁環境複雜，機載通訊存在臨頻、同頻、帶外、互調等多類干擾問題。因此，航空寬頻通訊須解決高動態飛行、多幹擾環境下的地空高可靠通訊技術挑戰。

（3）全球廣域飛行的低時延無縫通訊。航空器全球飛行航空通訊系統應具備全球廣域覆蓋能力。同時隨著國際民航基於航跡的執行概念 （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。而航空器與衛星或地面通訊裝置相距較遠，如何在航空器高速遠距離飛行過程中保持連續的低時延通訊能力，是航空寬頻移動通訊系統面臨的另一技術挑戰。

（4）多場景多業務的自適應融合通訊。有人駕駛、無人駕駛等不同型別的航空器，運輸航空、通用航空等不同性質的飛行活動，以及ATC、AOC、APC等不同的業務，對航空移動通訊系統的效能有著不同的要求。如何為不同種類飛行活動、不同業務場景下的航空器提供通訊效能需求自適應的地空通訊服務，是航空寬頻通訊系統發展所需解決的又一挑戰性問題。

三、實現航空寬頻行動通訊的技術對策

針對上述航空通訊系統所面臨的挑戰，以下關鍵技術需要重點突破。

（1）針對受限頻寬資源的地空高速率通訊問題，發展高效頻譜利用技術。新一代5G/B5G空口技術如新型調製編碼、多址技術，大規模天線 （massive multipleinput-multiple-output, Massive MIMO） 技術，全雙工通訊技術以及智慧超表面等無線傳輸物理擴圍技術等，可以有效解決航空通訊系統頻譜資源受限的問題；此外，使用通訊導航監視一體化技術，可以實現與監視、導航頻段的複用，或可利用認知無線電技術複用其他頻段的頻譜資源，提升頻譜資源利用率。同時，由於航空通訊系統中節點靈活、高動態的特性，傳輸環境複雜且具有時變性，傳統的頻譜分配和接入方案無法保障頻譜的高效利用，機器學習等人工智慧 （AI） 技術可以實現頻譜的智慧分配，是支援航空通訊高頻譜效率的重要候選技術。

（2）針對高動態多幹擾的安全高可靠通訊問題，開展機載通訊抗干擾與適航符合性技術研究。針對航空系統高動態的問題，時頻同步等技術可提高地空傳輸的抗頻偏能力；基於壓縮感知、小波變換的強脈衝干擾消除等技術可有效解決複雜機載電磁環境中的抗干擾問題。對於新型航空通訊航電系統，亟需突破航電系統的適航安全性、適航符合性驗證等基礎理論與關鍵技術，為新型機載寬頻通訊航電系統的研製、適航和驗證提供支援。

（3）針對全球廣域飛行的低時延無縫通訊問題，發展空天地一體化的航空通訊系統。航空器空空通訊網路因其節點動態組網、自組織等優點，與地空資料網和航空移動衛星通訊系統等一同構成空天地一體化網路，可以支撐實現全球無縫覆蓋。空天地一體化資訊網架構複雜，涉及天、空、地多個通訊系統，各系統節點繁多且能力差異大，因此需要設計安全、可靠、高效的網路介面及通訊協議，以確保航空器在系統間切換時訊號的平滑過渡；部分接入節點移動性較強，因此需要低時延、高效率、健壯的網路結構和靈活的節點組網機制以應對空基接入點的頻繁切換。

（4）多場景多業務的自適應融合通訊問題，攻克航空異構網路智聯技術。航空行動通訊涉及衛星通訊、機場場面通訊、空地通訊等多型別異構通訊網路，需藉助數字感測器、智慧終端、全息光傳輸與5G、AI等智聯閘道器鍵支撐技術，設計安全、可靠、穩定、高效的網路介面，實現異構網路的互聯互通、新舊通訊體制網路協議的轉換。網路功能虛擬化、網路切片等5G核心網技術能夠動態管理異構網路資源適配不同業務需要，提供多型別業務服務質量保障；邊緣計算、AI等技術可以優化頻譜資源分配、飛行器移動性管理等業務，進一步綜合提升網路效能。

四、新一代航空寬頻通訊系統構想

新一代航空寬頻通訊系統將基於空天地一體化資訊網路技術的天基、空基、地基多網融合方案，為航空寬頻通訊網路全球廣域覆蓋、無縫連線提供技術支撐。如圖1所示，天基系統包括高中低軌網際網路衛星網路；空基系統包括機載航電系統以及航空器自組網系統；地基系統包括地面通訊臺站、機場場面通訊系統等。

圖1 新一代航空寬頻移動通訊系統

新一代航空寬頻移動通訊系統能夠滿足飛行各階段的業務需求，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頻資料通訊與增強服務，可強有力支撐未來智慧民航系統各類執行場景的實現，包括機場場面無人駕駛交通系統、航空器智慧滑行引導、旅客無感安檢等智慧機場的場景，四維精準定時到達、空中交通自主執行、有人機無人機融合執行等智慧空管系統的場景，以及智慧飛行駕駛、智慧旅客服務、智慧物流系統等智慧航空公司的執行場景。

五、發展建議

縱觀全球科技發展，新一代通訊技術與航空系統的加速融合發展將倒逼航空移動通訊系統的自我革新與跨代發展。航空通訊在適航性、安全性、標準化等方面具有嚴苛要求，新一代航空移動通訊系統的發展與應用須做好頂層設計與科學規劃。

（1）系統規劃設計新一代航空行動通訊的未來發展路徑。鑑於機載適航性要求等級的差異，寬頻通訊新技術及服務的應用總體上建議遵循“先易後難”的發展思路：先應用於通用航空、無人航空，再過渡到運輸航空；運輸航空方面先應用於航空器客艙、旅客的通訊服務，再過渡到航空器前艙的寬頻安全通訊服務。

（2）加強與國家空間資訊基礎設施的協同規劃。未來的航空移動通訊系統必將依賴於網際網路衛星等國家級乃至全球性的空間資訊基礎設施 （spatial information infrastructure, SII） 。因此，航空移動通訊系統的建設應與空間資訊基礎設施的發展建設進行協同規劃，空間基礎設施的頻率資源分配、空間載荷設計、系統執行控制等應滿足可用性、連續性、完好性等航空通訊效能需求。

（3）加強國際組織間的協調與合作。航空通訊新技術的發展與應用必須加強國際組織與國家間的密切協作，特別是應加強國際民用航空組織 （ICAO） 與國際電信聯盟 （ITU） 、國際航空工業標準化組織的全球協調與合作，統籌協調與優化利用航空通訊頻率資源，共同制定航空寬頻行動通訊的技術標準與應用規則。

注：本文內容呈現略有調整，若需可檢視 原文 。

改編原文：

Jun Zhang.Aeronautical Mobile Communication: The Evolution from Narrowband to Broadband[J].Engineering,2021,7(4):431-434.

本文來自微信公眾號： 中國工程院院刊（ID：CAE-Engineering） ，作者：張軍（航空交通工程技術專家，中國工程院院士）