航空互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方案淺析

王黎明

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已逐漸與人們的生活融為一體，互聯(lián)網(wǎng)通訊和信息交流已成為人們生活中不可或缺的重要組成部分。人們期望將陸地上的互聯(lián)網(wǎng)生活，提升到航空旅行之中，從而能沖破“空中信息孤島”的禁錮，實現(xiàn)“空中上網(wǎng)”的渴望，在此背景下，航空互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。

1 航空機載通信與航空互聯(lián)網(wǎng)

1.1 航空機載通信系統(tǒng)

航空機載通信主要分為兩大部分。一部分是指前艙（駕駛艙）通信，而另一部分是指后艙（客艙）通信或稱航空公眾通信服務(wù)。一般客機機載通信系統(tǒng)應(yīng)包括：旅客廣播及娛樂系統(tǒng)、選擇呼叫系統(tǒng)、音頻選擇系統(tǒng)、話音記錄系統(tǒng)和內(nèi)話通信系統(tǒng)等。前艙通信主要解決的是空中交通管理和安全保障等安全業(yè)務(wù)通信問題，而后艙通信除了解決后艙管理通信以外，還需要解決乘客的公眾通信問題。以往航空客機通信的重點是在前艙安全通信和內(nèi)話系統(tǒng)通信，而公眾通信由于種種難以克服的潛在安全隱患，往往被擱置。

航空客機前艙通信傳統(tǒng)上主要采用甚高頻（VHF）和高頻（HF）通信。這兩種通信方式存在著一些難以適應(yīng)現(xiàn)代通信需求的弱點。前者電波傳輸方式是直射波，基本為視距通信，通信距離有限，并主要采用話音通信（新型飛機可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送），而后者電波傳播方式是天波，是靠電離層反射電磁波傳輸信號的，因而易受電離層擾動、雷電氣候等變化影響，兩種通信技術(shù)都存在傳輸速率低、傳輸容量小、通信覆蓋范圍窄、通信質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

為了保障航空飛行通信安全、暢通，2012年12 月，我國民航局在《航空公司運行控制衛(wèi)星通信實施方案》和《航空公司運行控制衛(wèi)星通信應(yīng)用政策》中明確規(guī)定：“航空公司應(yīng)根據(jù)本公司機型和運行區(qū)域，選擇適合于本公司飛行運行特點的衛(wèi)星通信系統(tǒng)”“衛(wèi)星通信與高頻、甚高頻通信相比，具有通信質(zhì)量高、保密性強、干擾小，容量大、覆蓋范圍廣，以及運行平穩(wěn)等優(yōu)點”要“利用衛(wèi)星這一現(xiàn)代化通信技術(shù)全面解決航空公司運行控制的語音通信聯(lián)系和提高實時監(jiān)控能力的問題”“解決語音通信和有效利用數(shù)據(jù)鏈通信是提升運行風(fēng)險控制能力的核心手段”“2017年底前，所有飛機都應(yīng)具備衛(wèi)星通信能力，以滿足運行通信聯(lián)系要求”。

除了“星基”方案以外，地面蜂窩移動通信技術(shù)也被引入航空互聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域，出現(xiàn)了“陸基”方案，從而大大地豐富了后艙機載公眾互聯(lián)網(wǎng)通信的技術(shù)手段，極大地促進了航空公眾通信的發(fā)展。

1.2 航空IFE服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)

航空IFE（In Flight Entertainment）系統(tǒng)特指在飛機客艙環(huán)境下向乘客提供娛樂服務(wù)和管理信息的系統(tǒng)。傳統(tǒng)IFE服務(wù)是在客艙環(huán)境內(nèi)，通過艙內(nèi)廣播音響系統(tǒng)、個人音響播放系統(tǒng)、固定視頻播放系統(tǒng)或交互式音視頻點播系統(tǒng)（AVOD）等向乘客提供的娛樂信息服務(wù)，所采用的信息源主要來源于機載存儲設(shè)備內(nèi)預(yù)存的娛樂節(jié)目。

IFEC（In Flight Entertainment Connectivity）可以翻譯成航空客艙娛樂及互聯(lián)，是指在飛機客艙內(nèi)通過艙內(nèi)局域網(wǎng)（Wi-Fi）及相關(guān)通信設(shè)備，利用機載外部通信系統(tǒng)，通過艙外天線及空地通信傳輸鏈路，以及地面通信基礎(chǔ)設(shè)施，將艙內(nèi)用戶終端設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)或其他通信網(wǎng)絡(luò)，從而為乘客提供在線娛樂、商務(wù)辦公、電子商務(wù)、公眾通信等互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，顯而易見，IFEC具有明顯的電信業(yè)務(wù)特征。

2 航空互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方案

目前，國內(nèi)外實現(xiàn)航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，主要采用兩類技術(shù)方案，一類是基于地面蜂窩移動通信技術(shù)及基站專業(yè)網(wǎng)絡(luò)的“陸基”方案，被稱之為ATG（Air to ground）方案。而另一類是基于衛(wèi)星中繼通信的“星基”方案。

航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以分為四大部分：機載對外通信系統(tǒng)及設(shè)備和艙內(nèi)局域網(wǎng)（Wi-Fi）網(wǎng)絡(luò)；空間無線通信傳輸鏈路及衛(wèi)星中繼站；地面相關(guān)通信基礎(chǔ)設(shè)施（基站專用網(wǎng)或地面地球站），以及與電信網(wǎng)關(guān)相連接的互聯(lián)網(wǎng)或地面通信網(wǎng)絡(luò)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)、設(shè)施及設(shè)備構(gòu)成

2.1.1 艙內(nèi)無線Wi-Fi系統(tǒng)

盡管由于飛機機型不同、服務(wù)提供商不同，而導(dǎo)致艙內(nèi)機載Wi-Fi系統(tǒng)所采用的技術(shù)方案，系統(tǒng)設(shè)備也不盡相同，但就機載Wi-Fi的功能需求來看是大同小異的，機載Wi-Fi系統(tǒng)組件構(gòu)成也是類似的。

根據(jù)2016年國家民航局發(fā)布的《機載無線局域網(wǎng)娛樂系統(tǒng)總體技術(shù)規(guī)范》及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及對若干個機載Wi-Fi方案的分析，可歸納出機載Wi-Fi系統(tǒng)的主要功能需求及基本設(shè)備構(gòu)成如下：

機載Wi-Fi系統(tǒng)通常由：機載服務(wù)器、客艙用戶接入點（CWAP）、客艙管理控制單元等部分組成。艙內(nèi)無線Wi-Fi的主要用途是無縫隙的實現(xiàn)艙內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，系統(tǒng)通常支持IEEE 802.11a/b/n/g協(xié)議，使用頻率是2.4GHz或5.8GHz。系統(tǒng)支持兼容該協(xié)議的機載終端或乘客自攜帶電子設(shè)備（PED）及手機，通過無線方式連接艙內(nèi)Wi-Fi的無線接入熱點，從而接入具備安全訪問控制的IFE或IFEC網(wǎng)絡(luò)，可以訪問機載服務(wù)器上預(yù)存的娛樂服務(wù)內(nèi)容或通過機載服務(wù)器連接機載外部通信設(shè)備訪問廣域互聯(lián)網(wǎng)上的內(nèi)容和應(yīng)用服務(wù)。

可以通過機上數(shù)據(jù)采集接口采集與機載Wi-Fi 系統(tǒng)交聯(lián)的飛機狀態(tài)數(shù)據(jù)和相連設(shè)備的運行狀態(tài)、告警、設(shè)備檢測、生成日志等信息。從大氣數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)獲得飛機高度信息。

機載服務(wù)器應(yīng)具備電源接口、USB接口、以太網(wǎng)接口、數(shù)據(jù)總線接口、離散接口、調(diào)試接口等接口，并可通過擴展其他模塊及接口，如：音、視頻接口、無線通信數(shù)據(jù)接口等，擴展及增加更多的服務(wù)功能。

客艙管理控制部分是由機載Wi-Fi系統(tǒng)中負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)運行、監(jiān)控、管理的軟硬件設(shè)備或系統(tǒng)功能模塊組成?？赏ㄟ^與機載服務(wù)器相連接而實現(xiàn)對客艙局域網(wǎng)內(nèi)各相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備進行控制和協(xié)調(diào)管理。并可實現(xiàn)對機載Wi-Fi與地面無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾?，對傳輸?nèi)容的選擇及傳輸狀態(tài)進行監(jiān)控，并可對傳輸系統(tǒng)的啟動及關(guān)閉進行控制。

2.1.2 艙外天線及艙內(nèi)相關(guān)設(shè)備

機載對外通信系統(tǒng)通常是由專用天線系統(tǒng)、機載專用通信設(shè)備等構(gòu)成。

如果選用“陸基”方案，通常采用ATG專用機載天線。ATG天線一般放在機艙外部下方，艙內(nèi)需設(shè)置相關(guān)機載基站設(shè)備（如：無線CPE設(shè)備、機載調(diào)制解調(diào)器等）。如：在美國Gogo公司使用的方案中，就在飛機機艙外下方設(shè)有2個ATG專用天線，并在飛機機艙上方設(shè)置了GPS和銥星天線。

圖1 Gogo采用的ATG專用天線

如果采用“星基”方案，則需根據(jù)采用的不同頻率（如：L、S、Ku、Ka等）、技術(shù)（如：2Ku、HTS 等），選擇不同的天線設(shè)備和技術(shù)方案。通常衛(wèi)星通信天線需放在機艙中段前部上方，通過伺服系統(tǒng)跟蹤對準(zhǔn)所使用的中繼衛(wèi)星，以便實現(xiàn)在移動中不間斷的通信，并使用專用整流罩保護天線，以便減少空氣阻力。除機載高增益天線和伺服系統(tǒng)以外，機艙內(nèi)還應(yīng)設(shè)置相關(guān)機載地球站（AES）設(shè)備，AES一般要求小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，盡可能減輕設(shè)備重量，以便減少航油的消耗。

圖2 飛機頂部裝有衛(wèi)星天線部位

2.1.3 地面基站或地球關(guān)口站及中繼衛(wèi)星

如果采用陸基ATG方案，地面上要沿著飛機航線或在飛行航域內(nèi)，利用蜂窩移動通信技術(shù)建立專用基站群，每隔一段距離（如：100千米），設(shè)置一個基站（如：每個基站覆蓋面積約150-200千米），通過超大功率移動蜂窩基站天線直接為航空飛行器航線提供無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，構(gòu)建一個空中移動寬帶無線網(wǎng)絡(luò)。為機載Wi-Fi提供地空之間無線通信傳輸鏈路。

如果采用星基方案，則將利用衛(wèi)星作為空間中繼站，通過中繼衛(wèi)星與機載地球站（AES）及地面地球站之間建立的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)機載Wi-Fi 與地面衛(wèi)星地球站的通信。并經(jīng)過電信業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)及接入路由器等設(shè)備實現(xiàn)與地面電信網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

在國際航班跨境飛行時，如果有需要，可以采用虛擬關(guān)口站方式處理客艙用戶通信數(shù)據(jù)，即：機上數(shù)據(jù)在境外關(guān)口站落地后，采用國際VPN或國際專線將數(shù)據(jù)傳回國內(nèi)進行解析、處理。

2.2 航空互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案分析

2.2.1 ATG（Air to Groud）方案

ATG方案是國內(nèi)外航空互聯(lián)網(wǎng)陸基方案中的通用方案。如：Gogo公司（原名Aircell）在美國部署的由250個以上基站組成的ATG（3）航空通信專用網(wǎng)絡(luò)；2016年12月1日歐洲也宣布將建立覆蓋整個歐洲地區(qū)的航空EAN地面ATG（4）專用網(wǎng)絡(luò)。2014 年4月16日，中國國航和中國移動合作沿著京滬、京廣、京渝等地區(qū)建設(shè)或改裝了由52個LTE基站組成的國內(nèi)ATG（4）試驗網(wǎng)等。

僅就目前可以達到的技術(shù)水平、業(yè)務(wù)環(huán)境來分析ATG方案的優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點。一是總體性價比較高，雖然與目前衛(wèi)星通信技術(shù)方案相比，ATG方案初期投資建設(shè)基站專網(wǎng)的費用比較高，但日常鏈路使用費用、機載終端購置費用、整體運營成本比星基方案要低，從長期運營來看，有較好的性價比；二是與目前常用的衛(wèi)星通信頻段LKu系統(tǒng)方案相比，ATG（4）具有明顯的帶寬優(yōu)勢；三是可以獲得比衛(wèi)星通信方案要小得多的傳輸延時；四是專網(wǎng)一旦建立，擴容比較容易，升級更新較快，地面基站可以隨技術(shù)的演變而升級。一般說衛(wèi)星通信技術(shù)升級換代比地面蜂窩移動通信技術(shù)要慢得多；五是機載設(shè)備相對簡單，重量輕；六是比較適合陸地地域遼闊，空間衛(wèi)星帶寬資源缺乏的國家或地區(qū)部署。

（2）缺點。一是受地理環(huán)境影響比較大，在有些地理環(huán)境下無法建立基站，由于基站覆蓋面小，因此需要在基站覆蓋區(qū)之間頻繁切換，影響信號傳送質(zhì)量，機上感覺速率變化較大；二是ATG方案無法實現(xiàn)跨洋部署及網(wǎng)絡(luò)覆蓋。即使是在陸地上的航線，與鄰國也要有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)約束和共同協(xié)議，必須采取同樣技術(shù)制式的移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋，否則很難實現(xiàn)跨境移動漫游；三是目前國內(nèi)頻率資源比較緊張，是否能為開展ATG機載公眾通信服務(wù)提供專用商業(yè)頻率，目前還未可知。如果要開展商業(yè)規(guī)模的ATG航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，沒有專用的商用頻率是無法大規(guī)模開展業(yè)務(wù)的；四是ATG方案在初期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)期，與衛(wèi)星通信方案相比投資較大，需要籌措大量的建設(shè)資金；五是采用此方案，飛機飛行高度不能太高，飛行高度必須在地面基站可以覆蓋的范圍內(nèi)。

2.2.2 衛(wèi)星通信方案

就全球來看，使用星基方案的航空公司比使用陸基方案的航空公司要多。而且隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，空間帶寬資源迅速增加，衛(wèi)星通信方案在航空互聯(lián)網(wǎng)市場上的占有率將會進一步提高。尤其采用HTS技術(shù)后，衛(wèi)星的容量得以大幅度提高，而且在可見的未來，空間衛(wèi)星帶寬資源性價比將可能與地面寬帶資源迅速接近，屆時，衛(wèi)星通信在整個通信領(lǐng)域的市場占有率必然會有一個很大的提升。

就全球來看，航空互聯(lián)網(wǎng)采用星基方案，可選擇的通信頻率和技術(shù)有如下幾種：L（如：SBB）、S、Ku、2Ku、Ku HTS、Ka HTS等。

2.2.2.1 L頻段方案

SBB（Swift Broadband）是基于Inmarsat BGAN基礎(chǔ)上專為航空領(lǐng)域研發(fā)的技術(shù)方案，采用L頻段，實現(xiàn)了不同窄點波束下的動態(tài)調(diào)配，按需分配信道頻率。增益天線有4個通道，每個通道最大速率為432kb/s，該系統(tǒng)支持IP服務(wù)、傳統(tǒng)的電路交換話音和互聯(lián)網(wǎng)（VoIP）語音傳輸能力，以及支持ISDN數(shù)據(jù)傳輸。

L頻段的特點是：波束較寬，指向性不強，對衛(wèi)星終端天線的指向性要求不高，頻率低，可用帶寬窄，其衛(wèi)星鏈路受天氣影響較小。L頻段衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)費用比較高，可利用的頻帶較窄，因而，通信費用也高于一般衛(wèi)星通信，由于帶寬小，因而不適宜用于占用帶寬較大的應(yīng)用業(yè)務(wù)，適合提供話音、低速數(shù)據(jù)及廣播類業(yè)務(wù)。但L頻段用戶終端可以做的比較小，易于攜帶、使用。

如果僅從空間航空通信需求來看，L頻段所能提供的話音、數(shù)據(jù)、傳真基本能滿足飛行航班的一般通信需求。但L頻段頻率有限，其容量和速率都無法滿足IFEC服務(wù)對寬帶業(yè)務(wù)的需求，尤其不適合航空互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，因此在國內(nèi)外航空互聯(lián)網(wǎng)市場上占有率并不高。

2.2.2.2 S頻段方案

2017年7月，Inmarsat宣布S頻段衛(wèi)星Inmarsat SEAN發(fā)射成功。Inmarsat SEAN主要是配合歐洲ATG網(wǎng)絡(luò)EAN開展業(yè)務(wù)的。

一般說來，L（1-2GHz）和S（2-4GHz）頻段是最適宜開展衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)的頻段，有著相似的優(yōu)缺點。S頻段帶寬仍然較窄，軌位也較少，其容量和速率都很難滿足航空寬帶互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求。

2.2.2.3 Ku頻段方案

利用Ku頻段（12.4-18.0GHz）衛(wèi)星通信方式開展IFEC業(yè)務(wù)是目前廣泛采用的技術(shù)方案。覆蓋中國及周邊地區(qū)的Ku頻段衛(wèi)星資源：上行：14.00-14.50GHz；下行：12.25-12.75GHz。Ku方案最大可用峰值速率可達到32Mpbs左右（理論速率可達40M）。Ku頻段擁有的頻率資源遠高于L頻段，而且目前空間可用資源相對豐富，因此受到一些航空公司的青睞，在全球航空互聯(lián)網(wǎng)市場上占有一定份額。

Ku頻率衛(wèi)星通信技術(shù)比較成熟，通常采用大波束覆蓋，覆蓋面積比較大，比較適合于需要全球性布局，冗余空間資源備份的廣域航空衛(wèi)星通信網(wǎng)組網(wǎng)，未來還有可能平滑過渡到Ku HTS衛(wèi)星應(yīng)用。但Ku頻段及軌位非常緊張，增加空間資源能力有限。Ku頻段比Ka頻段的帶寬可用率要低的多。目前，Ku頻段衛(wèi)星所能提供的帶寬資源，無法充分滿足航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)對帶寬的增長需求。

2.2.2.4 2Ku方案

美國Gogo公司主要采用ATG方案提供航空互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的，為了和采用Ka頻段的空間互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星資源提供商（Viasat等）競爭，而推出了2Ku 技術(shù)方案。2Ku方案采用雙頻率、雙天線設(shè)計。傳統(tǒng)Ku/Ka衛(wèi)星的天線通常是機械式的，而2Ku天線采用機械分段陣列天線，專用低剖面、流線型，在水平面上依然采用機械驅(qū)動，但在垂直面上采用了電子調(diào)整方式。機械分段陣列特殊雙天線結(jié)構(gòu)，收發(fā)分開，通過不同頻率收發(fā)數(shù)據(jù)，使天線對星角度更加精確，受鄰星的干擾也比較小，使天線接收和發(fā)射性能都達到最優(yōu)，其天線與傳統(tǒng)的衛(wèi)星天線相比增益更高，從而可以最大化提高天線接收和發(fā)射效率。該技術(shù)通過傳統(tǒng)Ku頻段衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)時可達到70Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速度，如果通過Ku HTS 衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)將可能獲得超過100Mb/s的速度。與Viasat-1 Ka頻段衛(wèi)星所能達到的速度基本相同。具有性價比較高、成本降低，效率增倍，油耗降低等優(yōu)點。

2Ku在技術(shù)上部分的解決了Ku頻段衛(wèi)星帶寬、速率問題。獨特創(chuàng)新開拓出利用Ku頻段資源發(fā)展航空IFEC服務(wù)的新思路。在HTS衛(wèi)星較少的現(xiàn)階段，具有較強的競爭力。

但目前該技術(shù)還不甚成熟，且暫時還屬于專屬技術(shù)，無法短期內(nèi)予以推廣。雙天線設(shè)備目前僅是創(chuàng)新產(chǎn)品，并未成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，很難大量生產(chǎn)普及，尤其在國內(nèi)，短期內(nèi)很難引進，使其進入實用階段。

2.2.2.5 Ku HTS方案

高通量通信衛(wèi)星（High Throughput Satellit，HTS）采用了多波束覆蓋、高層次頻率復(fù)用、高波速增益等技術(shù)創(chuàng)新，獲取了比使用同樣頻率資源傳統(tǒng)通信衛(wèi)星高出數(shù)十倍的容量。

HTS衛(wèi)星可以工作在Ka頻段，也可以工作在Ku頻段，可以使用Geo軌道，也可以使用非同步靜止軌道。

Ku HTS方案有效的部分解決了Ku頻段衛(wèi)星增大容量，降低成本，提高頻率效率，降低帶寬價格等問題?？梢愿玫乩靡延蠯u頻率、軌道，提高頻率利用率。滿足一定階段區(qū)域性航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的帶寬需求。而且，由于同是Ku頻段的衛(wèi)星，現(xiàn)有采用Ku頻段開展業(yè)務(wù)的應(yīng)用，很可能未來能夠平滑或低成本的過渡到Ku HTS衛(wèi)星的應(yīng)用，從而可以最大程度的保護已有投資。

但Ku頻段和軌道資源已接近飽和，Ku頻率資源也非常稀缺，采取替代方式很難迅速大量增加空間帶寬資源，有一定局限性，需要很長一段時間成本。Ku HTS衛(wèi)星技術(shù)在國內(nèi)還是一種新的技術(shù)，無論從成熟度，還是從與之配套的設(shè)備、終端來看，迅速占領(lǐng)市場都存在較大困難。需要有一段磨合期和培育期。從而在短期內(nèi)，Ku HTS很難填補航空互聯(lián)網(wǎng)帶寬缺乏的空間。在波束切換、漫游、設(shè)備適航等方面也可能未來會遇到問題。

2.2.2.6 Ka HTS方案

Ka（26.5-40GHz）頻段比Ku頻段可用頻帶更寬。按照國際電聯(lián)分配Ku衛(wèi)星固定通信的頻帶資源標(biāo)準(zhǔn)帶寬有500MHz，加上250MHz擴展帶寬資源，總共為750MHz，而Ka頻段資源有3.5GHz。通過采用多波束覆蓋和頻率復(fù)用技術(shù)，可以大幅度的提高衛(wèi)星容量，使Ka衛(wèi)星容量超過傳統(tǒng)Ku衛(wèi)星容量幾十倍以上，屬于HTS衛(wèi)星。Ka衛(wèi)星天線的增益可以做的更大，使得用戶終端天線可以做的很小，使用更加靈活。因此，從發(fā)展來看，Ka頻段衛(wèi)星的興起是未來的發(fā)展趨勢，Ka衛(wèi)星必將會給航空互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來光明的未來。據(jù)國外媒體報道：2017年北美地區(qū)已有超過500架飛機提供基于Ka頻段的高速航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。美國衛(wèi)星運營商已經(jīng)能為北美和大西洋至歐洲航線提供420Gb/s的Ka頻段容量。

Ka頻段衛(wèi)星是高通量通信衛(wèi)星，基本上可以滿足航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)對帶寬的需求。普及之后，預(yù)計可以完全扭轉(zhuǎn)國內(nèi)外航空互聯(lián)網(wǎng)空間資源嚴(yán)重缺乏的局面和空間帶寬資源價格昂貴的現(xiàn)狀，從而必將極大地推動全球航空互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，且其成本相比傳統(tǒng)Ku頻段衛(wèi)星容量而言要低得多。Ka衛(wèi)星對用戶終端天線尺寸的需求比Ku更小，可以降低航空載荷，節(jié)省航空油料成本。由于多數(shù)Ka頻段衛(wèi)星都設(shè)計有移動點波束，從而可以隨時滿足特殊突發(fā)情況下，航空互聯(lián)網(wǎng)對帶寬需求，開發(fā)出更多機上寬帶應(yīng)用。毋庸置疑，Ka頻率衛(wèi)星從長遠來看，將成為空間帶寬資源的主要來源。

但目前國內(nèi)Ka頻段衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)還不成熟，冗余系統(tǒng)可選擇性較低，空間Ka衛(wèi)星資源還不夠豐富。氣候、雨衰對Ka頻段衛(wèi)星影響較大，在特殊惡劣氣候條件下，應(yīng)用會遇到較大影響。而且，Ka頻段地面關(guān)口站的選擇條件也比較苛刻，對器件和工藝的要求也比較高。

2.2.2.7 中低軌衛(wèi)星方案

國內(nèi)外中低軌衛(wèi)星應(yīng)用方案層出不窮，熱度長期不減，許多投資者都提出通過大規(guī)模部署小衛(wèi)星，解決空間帶寬資源緊張局面的方案。其中一些計劃已逐步進入實施階段：如：美國OneWeb原計劃發(fā)射648顆低軌衛(wèi)星組成星座，每顆衛(wèi)星約125千克，單顆容量8G，預(yù)期可提供給用戶的網(wǎng)速為50M/s。前不久，該公司進一步擴大了其星座規(guī)模，其重要的目標(biāo)之一，就是為航空互聯(lián)網(wǎng)提供帶寬服務(wù)，此方案已獲得美國政府的批準(zhǔn)和支持。

美國spaceX公司2015年1月公布衛(wèi)星發(fā)射方案，擬發(fā)射4，425顆低軌衛(wèi)星，將使用Ka和Ku頻段為全球用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。該星座總?cè)萘繉⑦_到8～10T。

我國宣布已啟動了國家“虹云工程項目”該項目將發(fā)射156顆低軌小衛(wèi)星，組成衛(wèi)星星座，無區(qū)別的覆蓋全球，星座距離地面1，000千米，星座目的是致力于構(gòu)建全球?qū)拵б苿踊ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計到2022 年，該網(wǎng)絡(luò)將具備運營條件。屆時無疑將成為國內(nèi)航空互聯(lián)網(wǎng)空間帶寬資源的重要來源。低軌小衛(wèi)星方案最大的特點是成本較低，覆蓋面廣，通信延時低，且技術(shù)更新較快，風(fēng)險較低。對于航空互聯(lián)網(wǎng)而言，小衛(wèi)星星座分布廣，可以像地面蜂窩一樣進行波束切換和全球漫游，并能隨時提供相應(yīng)帶寬支撐。

但以往小衛(wèi)星多采用L頻段，如：銥星、全球星，主要用于話音通信。采用高頻率衛(wèi)星的技術(shù)還缺乏大規(guī)模的商業(yè)實踐檢驗。小衛(wèi)星載荷較低，需要星座聯(lián)合互動，因此，技術(shù)復(fù)雜，也必將對其成熟性產(chǎn)生影響。即使國外小衛(wèi)星系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，在國內(nèi)要想實現(xiàn)業(yè)務(wù)落地也是很難的。從國內(nèi)外小衛(wèi)星發(fā)射計劃來看，機載通信近幾年很難能夠借用其力。

綜合以上衛(wèi)星通信技術(shù)方案的優(yōu)勢，可以將采用星基方案開展航空互聯(lián)網(wǎng)的主要優(yōu)勢歸納如下：一是衛(wèi)星通信基本不受地理條件的影響，通信覆蓋面廣，通信距離遠，機動性強，且具有多址聯(lián)接能力，并具備提供快速運動中航空器不間斷移動通信能力，具備跨境、跨洋，全球部署優(yōu)勢，比較適合組建全球航空通信網(wǎng)絡(luò)。二是航空通信需要安全性強、可靠性強，生存能力強，干擾小的通信系統(tǒng)，而衛(wèi)星通信系統(tǒng)基本可以滿足以上要求。三是衛(wèi)星通信技術(shù)和系統(tǒng)可選擇性強，可以滿足高、中、低各種航空通信服務(wù)對于帶寬、速率、容量的不同需求。HTS技術(shù)的應(yīng)用，極大的拓展了衛(wèi)星寬帶通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用空間，促進了航空互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)向更高層次發(fā)展，使空間寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的實現(xiàn)成為可能。四是衛(wèi)星通信用于航空公眾通信服務(wù)，對航空公司來說，起點投資相比ATG方案要低，基礎(chǔ)建設(shè)投資較少。

但航空互聯(lián)網(wǎng)采用衛(wèi)星通信方案，也有其弱點：一是空間帶寬資源目前量少價高，與ATG方案相比，雖然基礎(chǔ)建設(shè)費用較低，但通信鏈路費用、機載終端設(shè)備購置費用、整體運營費用都是比較高的。目前的空間帶寬資源和價格還無法滿足航空公司大規(guī)模開展航空互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求和滿足用戶較高期望的體驗要求。二是未來衛(wèi)星帶寬資源的發(fā)展將以高頻段的HTS衛(wèi)星為主，目前無論是從國內(nèi)，還是從全球看，Ku HTS、Ka衛(wèi)星的發(fā)展都處于起步或相對壟斷發(fā)展階段，相關(guān)配套設(shè)備也處于研發(fā)、磨合階段。傳統(tǒng)窄帶（LS）或Ku衛(wèi)星無論是軌道，還是頻率資源都嚴(yán)重缺乏，致使短期內(nèi)要全面、大幅度增加衛(wèi)星帶寬資源非常困難。三是星基方案的擴容和技術(shù)升級換代明顯要比陸基方案要難的多。四是衛(wèi)星通信通常會受到一些自然氣候的影響，頻率越高的衛(wèi)星系統(tǒng)對惡劣天氣的抵御能力越低，受到雨衰影響越大，會對通信質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此，在地面關(guān)口站建設(shè)時，頻率越高的衛(wèi)星系統(tǒng)越需要考慮安全備份問題。

2.2.2.8 空中移動通信服務(wù)

航空機載移動通信的一個重要需求是空中移動話音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，在航空通信領(lǐng)域，移動話音通信占據(jù)著非常重要的位置。為了解決此類問題，許多機載通信先行者均做過許多嘗試，多數(shù)是利用衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)提供話音服務(wù)，也有部分先行者一直嘗試?yán)眯l(wèi)星通信網(wǎng)+地面移動通信網(wǎng)方案，實現(xiàn)航空話音通信。在機艙內(nèi)安裝微微基站（或Femto cell），乘客移動電話可以直接接入機艙內(nèi)蜂窩基站，艙內(nèi)基站通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)地球站網(wǎng)關(guān)接入地面移動通信網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)利用地面移動手機終端，實現(xiàn)空中移動話音通信或互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。如：2008年3月，阿聯(lián)酋航空在其航班上裝載了AerMobile系統(tǒng)，可以在飛機進入巡航高度時，實現(xiàn)乘客高空用自己的手機接打電話、短信收發(fā)等業(yè)務(wù)，其費用按照國際漫游費用收取。

OnAir公司也提出了一種機載移動通信模式——“GSM on board”系統(tǒng)，系統(tǒng)使用的工作頻率為GSM 1800GHz?？梢詫崿F(xiàn)通過機載通訊設(shè)備將手機信號傳輸?shù)酵ㄐ判l(wèi)星上進行中轉(zhuǎn)，并將信號傳輸?shù)降孛嬲?，接入地面GSM網(wǎng)絡(luò)，繼而完成了機艙與地面設(shè)備之間的語音、數(shù)據(jù)、信息交換，并將此方案用于航空互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

從實踐上看，由于此類模式是利用乘客自有手機終端提供移動通信服務(wù)，因此，能大范圍的滿足乘客通信要求，而且可以平滑的使乘客由地面移動通信向空間延伸。但實現(xiàn)蜂窩移動通信話音、數(shù)據(jù)服務(wù)，也存在許多實際問題，而使航空公司及運營者望而止步。首先在客艙狹窄的空間內(nèi)，上百人話音通話交流及手機鈴聲噪聲，會騷擾他人，將會使乘客獲得很差的用戶體驗。因此，多數(shù)航空公司通常并不愿意選擇提供此類服務(wù)。其二，蜂窩移動通信技術(shù)制式較多，因此，要滿足各類制式手機應(yīng)用，機載基站設(shè)置和技術(shù)處理就比較復(fù)雜，而且投資也比較大。再則，目前即使在北美地區(qū)，航空飛行階段雖然可以攜帶手機全程開機，但是也必須放在飛行模式上，也就是說，監(jiān)管者對全面放開移動手機業(yè)務(wù)是否會影響飛行安全，依然是有保留的，因此要求必須關(guān)掉手機上的無線信號發(fā)射功能。

3 機載公眾移動通信技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 空間衛(wèi)星帶寬資源發(fā)展趨勢

（1）靜止軌道資源競爭白熱化，軌道資源和Ku頻率資源嚴(yán)重缺乏，導(dǎo)致人們必須將主要精力放在現(xiàn)有資源的充分利用上。因此，Ku HTS將取代傳統(tǒng)Ku頻段衛(wèi)星，成為未來Ku頻段衛(wèi)星的發(fā)展方向。

（2）Ka衛(wèi)星是未來全球衛(wèi)星發(fā)展的重要方向。Ka衛(wèi)星取代Ku衛(wèi)星將成為未來空間帶寬主要來源，已成為業(yè)界共識。未來幾年，國內(nèi)外空間Ka 衛(wèi)星的數(shù)量及質(zhì)量，將會發(fā)生巨大變化。

（3）中低軌衛(wèi)星星座群的發(fā)展為未來空間衛(wèi)星寬帶資源的擴展提供了極大的想象空間。國家項目“虹云工程”也已箭在弦上，一旦成網(wǎng)，將會進一步促進我國航空互聯(lián)網(wǎng)空間帶寬資源的增長。

（4）境外空間衛(wèi)星資源虎視境內(nèi)衛(wèi)星通信市場。此類資源目前由于國內(nèi)政策的制約，還無法影響國內(nèi)衛(wèi)星通信市場，但其意圖路人皆知，將會采取各種變通方式努力尋找機會進入國內(nèi)航空互聯(lián)網(wǎng)市場。

（5）目前，航空公司對于國內(nèi)航空互聯(lián)網(wǎng)ATG 方案的實施熱情不高，究其主要原因是由于國家電信主管部門態(tài)度不明朗，而且所需商用頻率的指配也困難重重。但從全球航空互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展來看，美國、歐洲都建立了ATG航空通信專用網(wǎng)絡(luò)，有效地促進了本國或本地區(qū)航空互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

據(jù)專家估算，我國陸地只需建設(shè)或改造400個左右的地面基站就可以使全國航線實現(xiàn)全覆蓋。我國在蜂窩通信技術(shù)5G發(fā)展上領(lǐng)先于世界，我們是否可以考慮利用技術(shù)優(yōu)勢，未來在技術(shù)成熟的時候組建國內(nèi)專用航空互聯(lián)網(wǎng)。據(jù)有關(guān)參與國內(nèi)ATG（4）試驗的單位初步測算結(jié)果來看，陸基方案與星基方案融合發(fā)展，混合組網(wǎng)將是開展航空互聯(lián)網(wǎng)比較經(jīng)濟的做法。

（6）空間帶寬資源價格將呈現(xiàn)出下降趨勢。隨著Ku HTS和Ka衛(wèi)星資源日漸豐富，國內(nèi)空間帶寬資源量少價高的現(xiàn)狀將會逐步改善，空間帶寬價格向下趨勢明顯。尤其Ka衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器資源的價格將大幅度低于Ku衛(wèi)星。

（7）空間資源的共享技術(shù)和高速大容量數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將會有較大的發(fā)展。如：美國衛(wèi)訊公司已成功的實現(xiàn)了多顆Ku和Ka衛(wèi)星波束間的通信切換，使Ku和Ka衛(wèi)星資源實現(xiàn)了共享。美國Gogo公司也提出了2Ku技術(shù)方案，大幅度提升大容量數(shù)據(jù)傳輸效率，并將于2019年與OneWeb合作構(gòu)建全球首個GEO/LEO混合衛(wèi)星通信網(wǎng)等都是在這方面的有效嘗試。

3.2 IFEC技術(shù)發(fā)展趨勢

（1）在2015年召開的世界無線電通信大會（WRC-15）上，各國審議通過了一項支持“以航空移動（航路）業(yè)務(wù)進行頻率劃分，推進航空機載內(nèi)部無線通信（WAIC）的應(yīng)用和發(fā)展”的議題。此項議題的通過，必將促進航空公眾通信無線化的發(fā)展，如：在機艙內(nèi)以無線網(wǎng)代替以太網(wǎng)，使IFEC系統(tǒng)無線化。

（2）航電設(shè)備正向智能化、全數(shù)字、綜合化、模塊化方向發(fā)展。IFE系統(tǒng)將會出現(xiàn)兩極分化發(fā)展趨勢。

一方面是兩個中心并存的發(fā)展趨勢。以服務(wù)器為中心的服務(wù)器+客戶端架構(gòu)將會保留，但同時將會出現(xiàn)以乘客座椅為輔助中心的發(fā)展趨勢。賦予座椅端更多的功能，以減輕整個系統(tǒng)對服務(wù)器及傳輸網(wǎng)絡(luò)的過度依賴。目的是為了提高效率和舒適度，使乘客享受高質(zhì)量娛樂服務(wù)體驗，這種發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在頭等艙和商務(wù)艙娛樂系統(tǒng)或?qū)掦w客機上。

而相反的一種發(fā)展趨勢是依賴于放開使用個人攜帶電子終端設(shè)備或手機的發(fā)展，而能逐步取消座椅端娛樂系統(tǒng)。主要原因是座椅娛樂系統(tǒng)設(shè)備很重，不僅投入價格高，而且又增加了航油消耗成本，從航空公司的角度看，如果能夠取消座椅娛樂系統(tǒng)，在經(jīng)濟上獲利很大。如果能夠通過提高帶寬、速率就可以通過用戶自帶的無線終端達到預(yù)期服務(wù)質(zhì)量的用戶體驗，取消座椅系統(tǒng)何樂不為。這種趨勢主要體現(xiàn)在經(jīng)濟艙或窄體機娛樂系統(tǒng)上，其發(fā)展速度與機上自攜帶PED及手機禁令政策的放開關(guān)聯(lián)性極大。

（3）目前，采用后裝方式改裝飛機無線通信覆蓋環(huán)境的情況，將逐步為預(yù)裝方式替代。隨著IFEC 的發(fā)展，航空IFEC設(shè)備和機載Wi-Fi系統(tǒng)將成為客機、商務(wù)機等的標(biāo)配。

（4）融合、開放、創(chuàng)新發(fā)展是IFEC系統(tǒng)設(shè)備未來的發(fā)展趨勢。目前IFEC相關(guān)系統(tǒng)的封閉性和壟斷性，已成為IFEC發(fā)展的重要阻礙，使得運營者難以創(chuàng)新，甚至嚴(yán)重制約了后續(xù)商業(yè)模式和運營模式的創(chuàng)新發(fā)展，束縛了航空公司盈利潛能的發(fā)揮。因此，如何將原有獨立的娛樂系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、客艙管理系統(tǒng)、用戶服務(wù)系統(tǒng)融為一體，構(gòu)建一體化娛樂互動平臺，實現(xiàn)對外端到端無縫隙服務(wù)；如何將封閉、壟斷、非兼容的系統(tǒng)和設(shè)備，變?yōu)殚_放的，前、后兼容，有統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的國產(chǎn)IFEC系統(tǒng)、設(shè)備，既是國內(nèi)機載IFEC運營者的共同呼聲，也是國內(nèi)航電企業(yè)的創(chuàng)新動力和努力方向。

（5）在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)航空公眾自攜帶電子設(shè)備（PED）、手機的放開，已不再是奢望。目前，已有40多個國家提出了相關(guān)開放政策。我國管理部門也做出了有限放開的決定。未來如何在世界范圍內(nèi)實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，將是人們拭目以待的發(fā)展方向。

（6）由于Ku頻段（14-14.5GHz）屬于國際電聯(lián)航空通信頻率業(yè)務(wù)劃分的航空次要業(yè)務(wù)使用頻率，因此，目前該頻段只能用于飛機客艙。但隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，Ku頻段頻率的抗干擾問題已逐步解決，未來很有希望被用于前艙地空通信服務(wù)。

總之，未來航空互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將向著技術(shù)融合化、艙內(nèi)無線化、設(shè)備數(shù)字化、業(yè)務(wù)寬帶化、運營智能化、終端個性化方向發(fā)展。

[1] 航空公司運行控制衛(wèi)星通信實施方案.中國民航局.

[2] 航空公司運行衛(wèi)星通信應(yīng)用政策.中國民航局.

[3] 航空移動業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信機載地球站總技術(shù)要求.中國民用航空標(biāo)準(zhǔn).

[4] 機載無線局域網(wǎng)娛樂系統(tǒng)-機載服務(wù)器規(guī)范.中國民用航空標(biāo)準(zhǔn).

[5] 機載無線局域網(wǎng)娛樂系統(tǒng)-客艙管理規(guī)范.中國民用航空標(biāo)準(zhǔn).

[6] 機載無線局域網(wǎng)娛樂系統(tǒng)-客艙無線接入點規(guī)范.中國民用航空標(biāo)準(zhǔn).

[7] 機載無線局域網(wǎng)娛樂系統(tǒng)-總體技術(shù)規(guī)范.中國民用航空標(biāo)準(zhǔn).

[8] 萬美貞.機載衛(wèi)星通信相關(guān)政策.國際太空，2014（8）：32-35.

[9] 楊森，浦星，戴慧玲.機載公眾移動通信技術(shù)及發(fā)展應(yīng)用研究.電信科學(xué)，2014，30（3）：54-59.

[10] 何躍，蘇尚停，余濤.中國民航4G LTE地空寬帶通信系統(tǒng)建設(shè)方案.湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報（第l3卷第2期），2014.6.

[11] 季向華，蘇東林.航空移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)機載部分設(shè)計.中國民航大學(xué)學(xué)報（第26卷增刊），2008.10.

[12] 洪偉權(quán)，鐘致民，繆翀鶯，楊廣龍等.Aircell公司Gogo空中寬帶業(yè)務(wù)探析.廣東通信技術(shù)，2014.12.

[13] 馮田.機載娛樂系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展分析.科學(xué)與財富，2014（7）：119-120.

[14] 謝鷹.老鷹漫談系列.深圳多尼卡公司.

[15] 黃崑.機載娛樂系統(tǒng)發(fā)展的研究.科技信息，2012（28）：280-281.

[16] 地空寬帶通信網(wǎng)的方案分析和選擇.拓數(shù)通信技術(shù)有限公司.

[17] 歐陽承曦，馬俊康，王洪全，韓艷峰.SBB衛(wèi)星通信在民航上的應(yīng)用與發(fā)展.通信技術(shù)，2017，50（2）：292-296.

[18] 季向華，蘇東林.航空移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)機載部分設(shè)計.中國民航大學(xué)學(xué)報（第26卷增刊），2008.10.

[19] 仲志勇，謝鷹.揭開2KU技術(shù)面紗.