基于5G的ATG實現(xiàn)方式及網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃

李宗林 駱潤 郭世偉 翟文凱

【摘 ?要】

通過民航領(lǐng)域?qū)?G應(yīng)用的ATG系統(tǒng)的需求進行分析和預(yù)測，對ATG系統(tǒng)的5G基本組網(wǎng)架構(gòu)進行探討，對基于5G的ATG系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點進行逐一分析和計算，同時，結(jié)合5G專網(wǎng)特性及MEC的應(yīng)用，對ATG專網(wǎng)的組網(wǎng)形態(tài)也進行了探討，最終得出適合于國內(nèi)5G的ATG系統(tǒng)的通信專網(wǎng)解決方案。

【關(guān)鍵詞】5G ATG;幀結(jié)構(gòu);CPE;相控陣天線;MEC;接入控制;專網(wǎng);帶寬

0 ? 引言

根據(jù)民航總局發(fā)布的《2019年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，2019年，國內(nèi)航線完成旅客運輸量58 567.99萬人次，國內(nèi)航線完成運輸飛行小時991.62萬小時;民航全行業(yè)運輸飛機期末在冊架數(shù)3 818架，國內(nèi)航線完成運輸起飛架次447.78萬架次起降航班：496.62萬架次，旅客人次：6.6億人次，全國機隊規(guī)模：3 818架，同時在空飛機數(shù)：1 500架。在5G時代，互聯(lián)飛機多達24 000余傳感器需100%實時傳輸數(shù)據(jù)至地面，前艙在飛行中產(chǎn)生的實時飛行數(shù)據(jù)和維護診斷數(shù)據(jù)需與地面監(jiān)控中心保持實時高速通信，以進行監(jiān)視和大型數(shù)據(jù)分析，而民航當(dāng)前使用的高頻甚高頻地空語音通信、Aero Macs等方式均為窄帶通信，無法實現(xiàn)前艙數(shù)據(jù)的實時傳送，僅能在落地后離線拷貝，效率低下，且無法實時監(jiān)控飛機健康狀態(tài)，根據(jù)空客skywise（智慧天空）測算，現(xiàn)代客機在飛行中前艙產(chǎn)生的飛行數(shù)據(jù)傳輸需求至少為30 GB/航班，且隨著飛機的更新?lián)Q代技術(shù)升級，前艙的飛行數(shù)據(jù)會越來越多，亟需一種快速進行數(shù)據(jù)實時回傳或落地后進行數(shù)據(jù)快速卸載的解決措施。

另外，對于乘客的互聯(lián)網(wǎng)通信需求的后艙業(yè)務(wù)，對地通信傳輸速率需求至少為300 Mbit/s。5G ATG（Air To Ground，地空通信）大帶寬、低時延特性與切片技術(shù)結(jié)合，可為前艙提供大帶寬的專有網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)飛機駕駛艙安全數(shù)據(jù)傳輸、位置數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、視頻監(jiān)控實時傳輸，提高飛機駕駛安全。據(jù)此測算，未來民航業(yè)對ATG系統(tǒng)的市場容量將會越來越大，市場體量每年將達百億元，ATG系統(tǒng)的前景非常廣闊。

測算依據(jù)見表1所示：

1 ? ATG 5G系統(tǒng)綜述

1.1 ?ATG系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

ATG系統(tǒng)包括地面端和機載端兩部分設(shè)備[1]，地面端主要由地面基站設(shè)備、傳輸設(shè)備、MEC（邊緣計算設(shè)備）和5GC組成;機載端包括機載CPE端機、機載天線、機載服務(wù)器和機上Wi-Fi等設(shè)備，整體架構(gòu)如圖1所示：

1.2 ?ATG系統(tǒng)基本指標(biāo)

根據(jù)《中國移動5G+行業(yè)解決方案白皮書》中飛聯(lián)網(wǎng)部分相關(guān)內(nèi)容，ATG的系統(tǒng)指標(biāo)要求如下。

（1）覆蓋場景

最大半徑：300 km，最大支持到1 ?200 km/h移動性，覆蓋高度：最大1 3 000 m，連續(xù)覆蓋高度7 000～13 000。組網(wǎng)及覆蓋形態(tài)如圖2所示：

（2）頻段選取

由于中移動公網(wǎng)使用2.6 G的N41頻段組網(wǎng)，為避免與公網(wǎng)干擾，ATG系統(tǒng)規(guī)劃采用N79的頻段組網(wǎng)建設(shè)ATG專網(wǎng)，與公網(wǎng)進行頻段隔離，同時，由于覆蓋航路的基站基本均位于郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)，對其他專網(wǎng)的4.9 G基站干擾可控，4.9 G頻段可用帶寬100 MHz。

頻率使用策略，建議在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃初期，先行使用 4 000—4 040 MHz的60 MHz頻段，開通后根據(jù)市場和業(yè)務(wù)發(fā)展情況，逐步開通60 MHz、80 MHz至最多100 MHz的頻率資源，具體切頻方案需根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求進行規(guī)劃。

（3）系統(tǒng)指標(biāo)

最大下行帶寬：每架飛機800 Mbit/s@100 MHz BW，最大上行帶寬：每架飛機120 Mbit/s@100 MHz BW。

機載CPE：尺寸須符合標(biāo)準(zhǔn)航電設(shè)備。

機載天線：為確保系統(tǒng)性能，發(fā)揮5G Massive MIMO特性，機載端天線需采用高性能相控陣天線，滿足-30 dB地面NR網(wǎng)絡(luò)同頻高干擾組網(wǎng)要求。

ATG地面基站：標(biāo)準(zhǔn)64T64R 5G AAU+BBU，系統(tǒng)帶寬100 MHz，發(fā)射功率200 W。

MEC：一體化UPF設(shè)備，部署于地面基站機房內(nèi)。

2 ? ATG技術(shù)難點和解決思路

為完成地空通信，需解決三大問題，第一，基站對空的覆蓋問題;第二，ATG基站，機載CPE與外界的相互干擾問題;第三，地面專網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)問題。

2.1 ?地空覆蓋解決方案

（1）ATG基站覆蓋問題

在4.9 GHz頻段，用NR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PRACH格式，覆蓋半徑最大為102 km，無法滿足最大覆蓋半徑300 km的需求。為實現(xiàn)300 km大覆蓋半徑，需在3GPP現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)下，進行定制化協(xié)議，改變幀結(jié)構(gòu)，信號強度與PRACH信道無法支持大半徑覆蓋。

不同format格式對應(yīng)小區(qū)覆蓋半徑表如表2所示：

現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)僅支持≤102 km半徑覆蓋，無法滿足300 km的大半徑覆蓋要求。

解決措施如下：

針對于PRACH Format 0格式進行深度修改，同時采用大周期的幀結(jié)構(gòu)，獲得頻偏校正和大半徑覆蓋能力。建議采用20 ms長周期的幀結(jié)構(gòu)，300 km覆蓋半徑的單向時延為1 ms，雙向時延2 ms，NR標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)無法滿足。通過設(shè)計時長2 ms的4個特殊子幀來保證300 km覆蓋的上下行切換時序要求。由于機載業(yè)務(wù)以下行為主，為了避免引入2 ms特殊子幀后下行業(yè)務(wù)比例過低，通過增加D子幀數(shù)量來提升下行業(yè)務(wù)比例（可達75%）。

圖3為ATG幀結(jié)構(gòu)示意圖（20 ms周期，30kHz子載波間隔）。

定制AAU：增強基站側(cè)的覆蓋方向性增益，通過優(yōu)化陣子方向，并結(jié)合3D-MIMO的波束賦形技術(shù)，加強對空航路覆蓋的方向性和指向性，增加基站側(cè)覆蓋的方向性增益。

（2）多普勒效應(yīng)問題

民航飛機近1 200 km/h的移動速度，在1 200 km/h時速下的頻偏將超過子載波帶寬的4倍，而普通終端無上行糾偏能力，將極大地影響飛機接入網(wǎng)絡(luò)的成功率，3GPP協(xié)議以及端到端算法和硬件需定制化支撐。

根據(jù)計算，在4.9 GHz頻段，飛行時速1 200 km/h時，最大頻偏5.44 kHz，NR標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)Format 1，最大覆蓋半徑102 km時，PRACH信道子載波間隔僅有1.25 kHz;頻偏校正難度大。受限于計算能力，目前地面消費類終端未進行上行糾偏，在ATG場景下會形成最大超過子載波帶寬4倍的頻偏，影響飛機的接入成功率，需在機載CPE側(cè)增加上行預(yù)糾偏，且需在隨機接入過程前完成。

解決措施如下：

1）定制機載天線：增加機載側(cè)的增益，提高信噪比指標(biāo)，采用性能較高的相控陣天線，增加機載側(cè)的收發(fā)增益，同時發(fā)送定向窄波束，降低對地干擾，提高信噪比指標(biāo)，提升了覆蓋邊緣的增益。

2）定制CPE終端：上行預(yù)糾偏能力提高接入成功率，波束控制能力增強了切換能力，增加終端計算能力，對多普勒頻偏進行上行預(yù)糾偏，提高接入成功率，同時，加入基于GPS+北斗+GNSS的信號強度天線控制算法，加強機載天線波束控制，降低對地干擾，增強切換能力。

2.2 ?干擾規(guī)避分析

ATG系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的干擾可分為兩大方面，即系統(tǒng)間干擾和系統(tǒng)內(nèi)干擾。國內(nèi)4.5～4.9 GHz頻率資源劃分如表3所示。

（1）ATG對系統(tǒng)外干擾

WRC對4.9 G頻段的分配方案：4 825—4 835 MHz用于射電天文業(yè)務(wù)（高優(yōu)先級），4 830 MHz射電天文業(yè)務(wù)主要分布在新疆、內(nèi)蒙、云南和貴州，其中貴州站處于航線密集區(qū)，其他站在航線邊緣，且距離城區(qū)60～300 km。4 830 MHz頻段射電天文站分布如圖4所示：

射電天文業(yè)務(wù)不發(fā)射，僅接收，不會干擾其他業(yè)務(wù)，但因其干擾容忍門限非常嚴(yán)格，接近熱噪，故需嚴(yán)格控制ATG系統(tǒng)對其干擾，對于同頻下的系統(tǒng)外的射電天文業(yè)務(wù)需要做好干擾協(xié)調(diào)工作，包括頻率保護帶、設(shè)站隔離等手段。

機載CPE對射電天文臺的干擾，利用4 840—4 900 MHz頻率與射電天文異頻部署，在滿足隔離距離且結(jié)合機載賦形天線和功率控制方案時，可實現(xiàn)與射電天文業(yè)務(wù)共存。

結(jié)論：ATG使用4.9 GHz部署時，存在對射電天文業(yè)務(wù)干擾，主要為機載CPE干擾射電天文接收，為規(guī)避干擾，機載CPE需采用賦形天線+功率控制，并保持與射電臺空間隔離超過50 km的安全距離。如果可提前獲取射電臺的天頂觀測角度，可通過機載天線波束主瓣和射電天線觀測法線的夾角實時計算與射電臺的隔離度，將隔離距離進一步縮短為30 km。

（2）系統(tǒng)內(nèi)干擾

對于同頻下的系統(tǒng)內(nèi)地面5G業(yè)務(wù)，需做好共頻干擾協(xié)調(diào)，明確地面業(yè)務(wù)為高優(yōu)先級，以不影響地面業(yè)務(wù)為前提的網(wǎng)絡(luò)部署及規(guī)劃。

大氣波導(dǎo)：干擾時段和強度對地面網(wǎng)絡(luò)影響不大，4.9 GHz為TDD系統(tǒng)，可能存在大氣波導(dǎo)等干擾，但考慮在5G系統(tǒng)廣播、用戶數(shù)目、站點密度以及波導(dǎo)效應(yīng)出現(xiàn)時間等因素，預(yù)計ATG系統(tǒng)大氣波導(dǎo)干擾影響遠小于地面網(wǎng)絡(luò)。

ATG基站對地面基站和地面終端干擾：由于ATG系統(tǒng)使用和大網(wǎng)不同的幀結(jié)構(gòu)，同大網(wǎng)4.9 GHz基站共站會產(chǎn)生交叉時隙干擾，故ATG基站不可與大網(wǎng)4.9 GHz基站共站建設(shè)。

地面終端對ATG基站干擾：ATG基站與4.9 GHz基站不共站建設(shè)，該干擾可忽略不計。

地面基站對機載CPE干擾（主要）：4.9 GHz頻段用于室外微站部署時，經(jīng)現(xiàn)網(wǎng)調(diào)研，對機載CPE干擾約20 dB以內(nèi)，通過加密ATG站點和定制相控陣天線，可將干擾控制在10 dB左右，影響不大。

機載CPE干擾地面終端：地面小區(qū)邊緣RSRP為

-69 dBm/20 MHz，來自機載CPE的干擾最大為-89 dBm / 20 MHz，相比小區(qū)邊緣信號強度可忽略不計。

2.3 ?ATG系統(tǒng)專網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)

不同于地面公共基礎(chǔ)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，ATG系統(tǒng)為地空5G專網(wǎng)[2]，為提供統(tǒng)一的高質(zhì)量的接入能力，同時確保不對地面公共網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾和影響，建議專網(wǎng)進行接入控制，按照獨享專網(wǎng)形式進行規(guī)劃建設(shè)。建議接入控制策略：根據(jù)《中國移動5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)規(guī)范》關(guān)于PLMN標(biāo)識廣播網(wǎng)號，有如下說明：“5G行業(yè)網(wǎng)在與公眾網(wǎng)共用網(wǎng)絡(luò)時使用的廣播網(wǎng)號（PLMN標(biāo)識）為46000，尊享專用局域覆蓋內(nèi)可按需廣播網(wǎng)號46008”。因此，未來中國移動ATG系統(tǒng)的PLMN標(biāo)識建議采用廣播網(wǎng)號為46008。

因此，本文提出ATG的虛擬空中專網(wǎng)的概念。空中虛擬專網(wǎng)，通過5G網(wǎng)絡(luò)切片+邊緣計算（MEC）+UPF ULCL（上行鏈路分流）功能，將不同行業(yè)專網(wǎng)的業(yè)務(wù)流映射至不同的UPF，同時結(jié)合SPN（切片分組網(wǎng)絡(luò)）的FlexE能力，使網(wǎng)絡(luò)分配不同的傳輸資源到專有虛擬通道中，達到專網(wǎng)業(yè)務(wù)隔離、業(yè)務(wù)能力保障和業(yè)務(wù)分流的目的，不同航空公司也可建立各自的MEC服務(wù)器，將各自機載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過MEC分流至本公司的專網(wǎng)服務(wù)器，ATG空中虛擬專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示：

不同行業(yè)的專網(wǎng)劃分示意如表4所示：

3 ? 結(jié)束語

ATG基站由于其覆蓋半徑大（最大300 km），系統(tǒng)性能優(yōu)越（提供系統(tǒng)容量遠大于LTE系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)），單小區(qū)（波束）可提供最大800 Mbit/s的下行帶寬，100 Mbit/s的上行帶寬，將極大滿足空中互聯(lián)業(yè)務(wù)的需求?；?G的ATG系統(tǒng)對國內(nèi)民航業(yè)的空中互聯(lián)業(yè)務(wù)將帶來跨越式的發(fā)展，其中蘊含的市場前景每年將達百億。

另外，由于ATG系統(tǒng)覆蓋空域面積大，且覆蓋范圍從低空（300 m）至高空（13 000 m），立體空間大，不僅可用于普通民航飛機，還可提供5G無人機的業(yè)務(wù)接入能力，隨之可衍生擴展至各類通航類業(yè)務(wù)、無人機行業(yè)、應(yīng)急救援業(yè)務(wù)的虛擬專網(wǎng)業(yè)務(wù)，該類擴展型業(yè)務(wù)在ATG系統(tǒng)成熟后也可繼續(xù)進行探索。

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