L 波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)研究

朱永文，喻蘭辰暉

（1.空軍研究院，北京 100085；2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

航空通信系統(tǒng)是航空運輸系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)設(shè)施，是確保航空運輸安全高效運行的基本要素。根據(jù)國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）對地空通信業(yè)務(wù)量的統(tǒng)計，2020 年全球范圍內(nèi)航空話音通信的業(yè)務(wù)量達到16.2 Merl（百萬愛爾蘭），數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)量接近577 000 Gb，平均每架飛機的數(shù)據(jù)傳輸速率約為10 Mb/s。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）與航空公司運控（Aeronautical operational control，AOC）等空中交通服務(wù)（Air traffic service，ATS）對航空通信能力提出了更高的需求。雖然現(xiàn)階段基于窄帶甚高頻（Very high frequency，VHF）的航空通信系統(tǒng)已經(jīng)得到了迅速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，但仍無法適應(yīng)航空通信業(yè)務(wù)大帶寬、高可靠、高速率、全覆蓋等日益增長的發(fā)展需求。因此，推動航空通信系統(tǒng)由窄帶向?qū)拵Оl(fā)展，大力推進新一代航空通信系統(tǒng)的技術(shù)研究與發(fā)展，已經(jīng)是全球現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)建設(shè)的必然選擇，是全球航空業(yè)發(fā)展的統(tǒng)一共識［1-2］。

早在2002 年，美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）與歐洲航行安全組織（European Organization for the Safety of Air Navigation，EUROCONTROL）已經(jīng)開始為下一代航空通信系統(tǒng)聯(lián)合開展組織研究工作。2005 年，ICAO 航空通信專家組開始規(guī)劃面向未來ATC 的移動通信系統(tǒng)，同時美國聯(lián)邦航空管理局（Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA）和EUROCONTROL 也聯(lián)合發(fā)起了“未來通信研究計劃”。根據(jù)民航地空寬帶通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃現(xiàn)狀，建議未來寬帶航空通信系統(tǒng)部署在L 波段的航空無線電導(dǎo)航頻段。2007 年國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）在世界無線電大會上，通過了對航空寬帶通信系統(tǒng)頻率資源的部署決議：將航空移動通信系統(tǒng)（L-band digital aeronautical communications system，L-DACS）部署在L 波段（890～1 164 MHz），以及將機場區(qū)域的寬帶航空移動通信系統(tǒng)（Aeronautical mobile airport communications system，AeroMACS）［3-4］部 署 在C 波 段（5 091～5 150 MHz）。AeroMACS 系統(tǒng)主要應(yīng)用在機場場面區(qū)域，而L-DACS 系統(tǒng)主要用于終端區(qū)、高空航路空域。這兩項航空寬帶技術(shù)均作為支撐未來四維航跡運行的重要基礎(chǔ)［5］。如圖1 所示，依據(jù)通信對象可以將L-DACS 數(shù)據(jù)鏈劃分為空對地（Air to ground，A/G），空對空（Air to air，A/A）兩種類型。

圖1 L-DACS 數(shù)據(jù)鏈示意圖Fig.1 L-DACS data link schematic diagram

隨著航空運行服務(wù)能力需求的不斷提升，ACARS 和VDL Mode 2 將 無 法 滿 足 未 來ATC 及AOC 的運行需求［6］。ICAO 所發(fā)布的航空組塊升級 計 劃（Aviation system block upgrades，ASBU）（圖2）明確提出在組塊2 初始階段，需要民用航空寬帶數(shù)據(jù)鏈逐漸替代現(xiàn)有的窄帶VHF 數(shù)據(jù)鏈，以提升航空通信能力，滿足日益增長的通信服務(wù)需求。

圖2 2013—2028 ASBU 通信組塊路線圖Fig.2 2013—2028 technology roadmap of communication block in ASBU

為促進中國民航空管系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)，中國民用航空管理局（Civil Aviation Administration of China，CAAC）在2016 年發(fā)布了中國民航空管關(guān)于未來發(fā)展的中長期戰(zhàn)略綱要——《中國民航空管現(xiàn)代化戰(zhàn)略》（Civil Aviation ATM modernization strategy，CAAMS），并 于2020 年3 月 頒 布 了CAAMS 實施路線圖［7］，明確指出未來通信導(dǎo)航監(jiān)視朝著高性能、高精度和空天地一體化方向發(fā)展，航空通信呈現(xiàn)出飛行全階段地空通信寬帶化的趨勢；在重點任務(wù)中提出了完善通信基礎(chǔ)設(shè)施和通信服務(wù)的要求，將開展航路L-DACS 寬帶通信技術(shù)的試驗與應(yīng)用作為中遠期目標之一。2021 年4 月CAAC 印發(fā)了《中國民航新一代航空寬帶通信技術(shù) 路線圖》［8］（圖3），明確 提出了未來開展基于L-DACS 標準、實施、應(yīng)用的探索和研究，需要推進5G L-DACS 2.0 技術(shù)的空管業(yè)務(wù)應(yīng)用示范，要求在2031 年后能夠?qū)崿F(xiàn)航空寬帶通信的全面應(yīng)用，支撐新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。推進新一代寬帶通信技術(shù)在民航中的應(yīng)用，將為民航行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力保障，有效促進智慧民航的新技術(shù)發(fā)揮作用。表1 重點列出了L-DACS 系統(tǒng)相關(guān)的綜述論文、學(xué)術(shù)論文、研究報告以及發(fā)展規(guī)劃。

表1 重要參考文獻匯總Table 1 Summerization of critical literature

圖3 中國民航新一代航空寬帶通信系統(tǒng)應(yīng)用實施路線圖Fig.3 Technology roadmap of China civil aviation new generation aviation broadband communication

1 L-DACS 發(fā)展現(xiàn)狀

未來空中交通管制的運行概念是以航空器與ATC 地面系統(tǒng)的可靠數(shù)據(jù)通信為前提，向飛行員與管制員提供航班意圖信息、運行態(tài)勢信息以及實時管制指令信息等。L-DACS 不僅可以在安全通信的基礎(chǔ)上保證通信服務(wù)質(zhì)量，而且可以滿足AOC 對大帶寬、高吞吐量的需求，也能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)量信息的可靠傳輸，進而有助于實現(xiàn)基于航跡運行、數(shù)字化管制、高清監(jiān)視信息實時共享等運行服務(wù)。對于ATC，L-DACS 是將航空器集成到廣域信息管理平臺（System wide information management，SWIM）先決條件，有利于促進管制信息的高效共享；對于航空公司，可以提升航空器機載運行數(shù)據(jù)、發(fā)動機運維數(shù)據(jù)的傳輸效率，能夠高效地支撐機隊管理方式，減少航空器的周轉(zhuǎn)時間，提高航司的經(jīng)濟效應(yīng)。

1.1 L-DACS 系統(tǒng)技術(shù)演進

由于使用VHF 通信信道的航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)存在帶寬受限的問題，國際將航空寬帶通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展轉(zhuǎn)向了L-DACS 的研究。最初的工作是集中在對VHF 數(shù)據(jù)鏈波形的研究上，期望通過小幅度變更的方式改進已經(jīng)部署的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，以達到提升帶寬，增強通信能力的目的。此項技術(shù)被稱作寬帶甚高頻數(shù)據(jù)鏈（Broadband VHF，B-VHF）［16］然而經(jīng)過一系列實驗驗證之后發(fā)現(xiàn)：維持甚高頻頻段的使用，部署應(yīng)用B-VHF 通信系統(tǒng)具有明顯的約束性。因此，在由FAA 與EUROCONTROL 聯(lián)合實施的行動計劃AP17 中，給出了L 波段是最適合支撐未來航空通信運行需求波段的結(jié)論，在此基礎(chǔ)上L-DACS 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展開始持續(xù)推進。由于目前的技術(shù)研究、試驗驗證與標準制定均針對L-DACS A/G 通信發(fā)展，L-DCAS A/A 尚處于初步探索階段，后文L-DACS 均 代 表L-DACS A/G 系 統(tǒng)。

L-DACS 系統(tǒng)分為多載波-L-DACS1 與單載波L-DACS2 兩個完全獨立的候選版本方案［17］。從兩個地空數(shù)據(jù)鏈方案的發(fā)展脈絡(luò)（圖4）可以看出，它們均是由現(xiàn)有的通信系統(tǒng)演化而來，但各自具備不同的技術(shù)特點與實施方式。L-DACS1 系統(tǒng)技術(shù)是基于B-VHF 技術(shù)，在AP17 后期階段，將前期研究關(guān)于可擴展的B-VHF 技術(shù)進行調(diào)整，遷移至L 波段的960～1 164 MHz 之間的頻段范圍進行研究。L-DACS1 系統(tǒng)采用基于正交頻分復(fù)用（Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）的多載波調(diào)制傳輸，雙工方式采用頻分雙工（Frequency division duplexing，F(xiàn)DD），前向鏈路（Forward link，F(xiàn)L）和反向鏈路（Reverse link，RL）傳輸帶寬均為500 kHz?；谒捎玫淖赃m應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)（Adaptive modulation and coding，AMC），可以支持QPSK、16QAM、64QAM 的調(diào)制方式，進而實現(xiàn)了FL 傳輸速率為303～1 373 kb/s、RL 傳輸速率為220～1 038 kb/s。而L-DACS2 則是以全球移動通信（Global system for mobile communications，GSM）系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用單載波調(diào)制傳輸，調(diào)制方式為高斯最小頻移鍵控，雙工方式為時分雙工（Time division duplexing，TDD），在200 kHz 傳輸帶寬條件下傳輸速率為270.833 kb/s。相較而言，L-DACS1 比L-DACS2 具有更高的頻譜效率，具備更強的干擾抵抗能力。因為L-DACS1 采用了AMC 技術(shù)，能夠根據(jù)信道環(huán)境中噪聲和干擾模式，依據(jù)實際的信道狀態(tài)分別對各子載波采用不同的調(diào)制模式以適應(yīng)通信環(huán)境，而L-DACS2 則難以適應(yīng)高動態(tài)的信道環(huán)境［18］；L-DACS1 的FDD 特性使其更適合語音和數(shù)據(jù)傳輸，而L-DACS2 的TDD特性則不適合語音傳輸，難以有效支持數(shù)字化管制的通信需求；L-DACS1 幀格式的設(shè)計中，循環(huán)前綴和子載波間隔需要進一步分析，以適應(yīng)遠距離和高速度的航空器航行狀態(tài)下的通信需求。

圖4 L 頻段地空數(shù)據(jù)鏈發(fā)展脈絡(luò)Fig.4 Development process of L-band air-ground data link

在世界無線電大會上雖然確定了將L 波段的960～1 164 MHz 頻段分配給新一代航空通信系統(tǒng)使用，但該波段已經(jīng)由測距儀（Distance measuring equipment，DME），二次監(jiān)視雷達（Secondary surveillance radar，SSR），多功能信息分發(fā)系統(tǒng)（Multifunction information distribution system，MIDS），聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（Joint tactical information distribution system，JTIDS）等航空系統(tǒng)占用，如圖5所示。GSM 系統(tǒng)與L 波段的低頻段緊鄰［19］；DME系統(tǒng)占用960～1 213 MHz 頻段，無論工作在X 模式或Y 模式，單DME 設(shè)備運行帶寬為1 MHz，載頻間隔為1 MHz。JTIDS 部署在969～1 206 MHz頻段，采用跳頻技術(shù)分布在51 個頻道內(nèi)［9］。對于L-DACS 系統(tǒng)，嚴格要求不可與上述系統(tǒng)產(chǎn)生相互的干擾，在不變更頻譜資源分配方案的情況下僅能使用L 波段的剩余頻譜資源進行部署應(yīng)用［20］。

圖5 L 波段資源使用情況Fig.5 L-band frequency resource utilization

因此，在頻譜資源飽和的前提下安全高效地部署L-DACS 系統(tǒng)是航空寬帶通信系統(tǒng)發(fā)展的重要難題。L-DACS1 提出了以頻率嵌入的方式部署在DME 系統(tǒng)頻段之間的技術(shù)方案，并且為實現(xiàn)頻譜的有效利用，在FL 與RL 之間設(shè)定了確定的頻率間隔。L-DACS1 與DME 的工作頻帶與系統(tǒng)帶寬接近，并且正常運行狀態(tài)下DME 信號傳輸功率遠高于L-DACS1 信號。研究表明，對于任意功率的DME 干 擾 信 號，單 個L-DACS1 符 號 受 到DME 脈沖信號干擾的概率接近90%，甚至在最嚴重情況下DME 信號能夠產(chǎn)生23.5 dBm 干擾影響。因此，解決與DME 系統(tǒng)之間嚴重干擾的難題是L-DACS1 系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)需求。在L-DACS1系統(tǒng)的官方定義建議書中提出了采用擦失譯碼、過采樣和脈沖消隱3 項技術(shù)來抑制DME 干擾［10-11，21］，建議通過過采樣與其余2 種技術(shù)結(jié)合，以4 倍采樣頻率消除殘帶外干擾。

進一步的試驗研究表明，L-DACS1 系統(tǒng)不僅具有抗多徑能力強、傳輸容量大，拓展性靈活的明顯優(yōu)點，也可以通過合理配置OFDM 系統(tǒng)的子載波以及頻帶劃分方式帶來高頻譜效率的優(yōu)勢。L-DACS1 系統(tǒng)以內(nèi)嵌方式部署在L 波段內(nèi)，能夠在不同通信條件下調(diào)整可用信道資源，以低干擾的方式與原L 波段的其他航空系統(tǒng)共存，且不需要對現(xiàn)行L 波段的頻率劃分進行重新分配，而L-DACS2 系統(tǒng)在這方面存在明顯的技術(shù)限制［22］。

L-DACS1 系統(tǒng)獲得航空領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為國際民航未來寬帶航空移動通信的重點研究方向。經(jīng)過大量的實驗室環(huán)境試驗與飛行試驗驗證，L-DACS1 已經(jīng)從兩項備選方案中脫穎而出，于2015 年確定成為航路運行階段航空寬帶通信技術(shù)發(fā)展的主要系統(tǒng)［12］。后文L-DACS 系統(tǒng)均代表L-DACS1 系統(tǒng)。截至目前，L-DACS 通信系統(tǒng)的能力已經(jīng)逐步趨于成熟，現(xiàn)階段仍主要以技術(shù)的飛行試驗驗證為主［13，23］，但由于無標準規(guī)范的原因，沒有進入大規(guī)模部署應(yīng)用的階段。

1.2 L-DACS 標準制定進展

目前階段，國際組織尚未發(fā)布L-DACS 相關(guān)的標準與法規(guī)。通常來講，作為部署、應(yīng)用與實施L-DACS 系統(tǒng)的先決條件，需要由不同的國際標準化組織制定相關(guān)的技術(shù)標準，涵蓋頻譜資源分配、無線電信號特性、航電設(shè)備性能以及基礎(chǔ)設(shè)施運行要求等?；谝呀?jīng)部署使用的通信系統(tǒng)，ICAO 已經(jīng)發(fā)布了L-DACS 系統(tǒng)的白皮書［14］，各個國際組織已經(jīng)開始推進L-DACS 的標準化進程［24］：

（1）ICAO 的通信小組，在2018 年的項目組“地面數(shù)據(jù)鏈路”中草擬了L-DACS 的運行標準，并于2020 年底制定了初步的技術(shù)指導(dǎo)手冊。目前于2021 年完成了標準與建議措施（Standards and Recommended Practices，SARPs）文 件，計 劃 最 終定稿于2026 年并完成標準發(fā)布。

（2）歐洲民用航空設(shè)備組織（The European Organization for Civil Aviation Equipment，EUROCAE）圍繞L-DACS 技術(shù)的功能、設(shè)備與系統(tǒng)等重點內(nèi)容，計劃發(fā)布涵蓋L-DACS 系統(tǒng)設(shè)備功能的最低運行性能標準（Minimum operational performance standards，MOPS）以 及 覆 蓋L-DACS 系 統(tǒng)運行性能的航空系統(tǒng)性能最低規(guī)范（Minimum aviation system performance standards，MASPS）。目前該組織已經(jīng)與航空無線電技術(shù)委員會（Radio technical commission for aeronautics，RTCA）聯(lián)合完成了ATN B2 服務(wù)的性能與描述文件，正在進行制定面向ATN B3 的描述文件。現(xiàn)階段EUROCAE 聯(lián)合RTCA 已經(jīng)啟動了針對L-DACS 標準化的項目，并確立了持續(xù)推進標準化制訂工作的小組。然而需要明確的一點是：EUROCAE 針對L-DACS 技術(shù)的標準制定，需要基于ICAO 所開展的L-DACS 標準化工作，因此EUROCAE 標準化進程將整體稍晚于ICAO 的工作進展情況。

（3）航空電子工程委員會（Airlines Electronic Engineering Committee，AEEC）計劃開展ARINC航電標準的研究工作，包含L-DACS 航電設(shè)備的架構(gòu)組成、基本功能、適航能力等方面的內(nèi)容，該標準的制定有利于促進L-DACS 機載航電設(shè)備在航空器上集成應(yīng)用的進程。然而就目前數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展階段而言，進行L-DACS 航電設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)標準的制定尚早，因此國際建議需要由ICAO 與EUROCAE 的L-DACS 標準制定工作取得一定進展，待所擬定標準修訂程度已經(jīng)處于較為成熟的階段之后，再由AEEC 進行ARINC 航電標準的制定工作。

2 L-DACS 系統(tǒng)技術(shù)

通過螺旋上升的演進方式推進L-DACS 的技術(shù)發(fā)展，可以有效地應(yīng)用L-DACS 高容量帶寬的優(yōu)勢以補充現(xiàn)行部署應(yīng)用的通信系統(tǒng)。從長遠的角度來看，當L-DACS 的地面基礎(chǔ)設(shè)施部署完備之后，可以實現(xiàn)VDL 模式2 向L-DACS 的過渡，最終可以將VHF 的頻譜資源釋放，用于其他航空應(yīng)用。目前L-DACS 系統(tǒng)的技術(shù)標準是由EUROCONTROL 進行主導(dǎo)，聯(lián)合荷蘭航空航天中心與德國宇航中心等機構(gòu)進行技術(shù)方案設(shè)計、仿真實驗驗證與飛行試驗驗證后所確定的［15］。下文將介紹L-DACS 基于OSI 體系的網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層與物理層。

2.1 L-DACS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層

L-DACS 接入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)（L-DACS access service networ，LDAN）定義為向L-DACS 系統(tǒng)的用戶（即航空器）提供無線電接入所需功能的完整網(wǎng)絡(luò)［25］。LDAN 需要具備的功能包括：（1）建立并保持L-DACS 機載端通信電臺和L-DACS 地面站（Ground station，GS）之間的通信連接；（2）將航空器的認證、授權(quán)與記賬（Authentication，authorization，accounting，AAA）消息傳遞至航空電信網(wǎng)絡(luò)的地面管制終端，進而向航空器提供AAA 服務(wù)；（3）航空器能夠在ATN 中進行發(fā)現(xiàn)和選擇，實現(xiàn)首選網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供方（即IP 地址分配）的決策，以及建立網(wǎng)絡(luò)層連通性的中繼功能；（4）進行頻譜資源的管理與配置。除了上述必須的功能外，對于動態(tài)變化的移動環(huán)境，地面控制站（Ground control station，GCS）應(yīng)支持LDAN 移動性、位置注冊登記和與AAA 服務(wù)器接口等基本功能。

對于LDAN 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成元素，包含一個或多個L-DACS 地面站與一個地面控制站。不僅單個的LDAN 可以由多個通信服務(wù)提供方進行數(shù)據(jù)的信息共享，也可以通過接入網(wǎng)間的連接實現(xiàn)多個LDAN 間的數(shù)據(jù)交互。

圖6 為L-DACS 接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示意圖?？梢钥闯觯琇-DACS 地面網(wǎng)絡(luò)參考模型包括：地面站、GCS、AAA 服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接入和A/G 路由。對于地面部分，參考點G1 表示為由地面站與地面控制站之間的控制協(xié)議與用戶平面協(xié)議集的集成信息，包含LDAN 內(nèi)的數(shù)據(jù)路由信息，數(shù)據(jù)路徑建立、修訂與釋放的控制信息以及與航空器運行情況匹配的控制協(xié)議；參考點G2 則表示為一系列控制平面協(xié)議，可由LDAN 地面站作為源點發(fā)送，也可由地面站進行接收，該類協(xié)議由地面站間進行協(xié)調(diào)；參考點G3 表示為有線的網(wǎng)絡(luò)連接，主要為AAA 服務(wù)器與GCS 之間進行航空器身份AAA 服務(wù)管理相關(guān)的協(xié)議。對于A/G 數(shù)據(jù)鏈路部分，參考點R1由航空器和地面站之間的通信協(xié)議和管制程序的相關(guān)指令構(gòu)成，是L-DACS 空中接口（物理層與介質(zhì)訪問層）的主要部分。而L-DACS 機載參考模型包含機載無線電（Airborne radio，AR），機載網(wǎng)絡(luò)接口（Airborne network interface，ANI）與機載語音接口3 個模塊。參考點A1 表示為ANI 和AR 之間進行交互的協(xié)議消息；參考點A2-a、A2-b、A2-c 分別表示為管理機載ATN-IPS 通信路由、管理機載ATN-OSI 通信路由、管理機載ACARS 通信路由的控制協(xié)議與用戶協(xié)議；參考點A3 由一組控制協(xié)議和用戶協(xié)議組成，用于管理機載語音管理系統(tǒng)的控制協(xié)議與用戶協(xié)議。

圖6 L-DACS 系統(tǒng)參考架構(gòu)Fig.6 L-DACS system framework

2.2 L-DACS 系統(tǒng)鏈路層

支持空地通信的L-DACS 是一個基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的點對多點通信系統(tǒng)［26］，并且系統(tǒng)具有星型拓撲結(jié)構(gòu)，其中機載端通信電臺通過全雙工的方式連接至地面站。L-DACS 協(xié)議棧明確定義了基于OSI 體系的兩層結(jié)構(gòu)，為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層（包括兩個子層），如圖7 所示。L-DACS 系統(tǒng)的物理層內(nèi)容詳見2.3 節(jié)。

圖7 L-DACS 協(xié)議棧Fig.7 L-DACS protocol stack

L-DACS 數(shù)據(jù)鏈路層提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾獏f(xié)議，以保證多用戶并發(fā)和可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ判枨螅?7］。L-DACS 的數(shù)據(jù)鏈路層依照結(jié)構(gòu)又分為兩個子層：介質(zhì)訪問子層（Medium access control，MAC）和邏輯鏈接控制子層（Logical link control，LLC）。LLC 子層由數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)（Data link services，DLS）與話音接口（Voice interface，VI）兩部分組成。該子層主要負責(zé)通信鏈路的管理，并向上層提供不同類別的服務(wù)。其中DLS 在點對點RL或者點對多點FL 上能夠提供用戶數(shù)據(jù)的通信服務(wù)，VI 為虛擬話音電路提供支持。但是需要區(qū)分，VI 只提供話音數(shù)據(jù)的傳輸和接收功能，而話音鏈路的創(chuàng)建與選擇則是由LME 來負責(zé)。MAC 子層與LLC 子層的跨層管理由層間管理實體（Layer management entity，LME）提供，該模塊主要實現(xiàn)資源的集中管理，提供傳輸資源分配、移動性管理與通信鏈路維護等功能，能夠在考慮通信信道占用的約束條件下，向FL 與RL 提供通信資源的分配，能夠在功率、頻率與時間等多個維度提供動態(tài)鏈路的維護服務(wù)，并支持AMC 技術(shù)的實施。MAC 子層僅包含MAC 運行實體，負責(zé)管理LLC 實體對物理層資源的訪問，向LLC 子層提供了在邏輯通路上傳輸用戶和控制數(shù)據(jù)的能力；子網(wǎng)相關(guān)匯聚協(xié)議（Sub network dependent convergence protocol，SNDCP）向系統(tǒng)提供了到更高層次的接口，使得L-DACS 能夠成為航空電信網(wǎng)（Aeronautical telecommunication network，ATN）的一個子網(wǎng)，強化ATN 網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。SNDCP 不僅能為網(wǎng)絡(luò)層提供L-DACS 接口，為不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（ATN/IPS和ATN/OSI）的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元提供透傳所需的適配服務(wù)，也能夠向無線信道提供安全通信所需的壓縮加密服務(wù)。

對于應(yīng)用L-DACS 系統(tǒng)進行通信的航空器，必須在GCS 進行登入注冊，以獲得由GCS 分配的靜態(tài)專用控制信道，用于航空器與地面站之間進行控制數(shù)據(jù)的傳輸；而地面站能夠通過當前航空器運行需求，對登入的航空器動態(tài)地調(diào)整用于用戶數(shù)據(jù)信道資源的分配。除此之外，所有航空器與GCS之間的通信流程（包括用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱筮^程、傳輸資源分配過程以及重傳計時管理等）是由通信協(xié)議完全確定的，并且是由地面站進行管理。在通信系統(tǒng)負載一定的前提下，蜂窩小區(qū)內(nèi)L-DACS系統(tǒng)的性能取決小區(qū)內(nèi)地面站所服務(wù)的航空器數(shù)目，并且通信性能呈現(xiàn)出隨著所服務(wù)航空器數(shù)目的增加而線性下降的趨勢。

L-DACS 地面站和航空器之間的數(shù)據(jù)交互的邏輯信道結(jié)構(gòu)如圖8 所示，說明了邏輯信道與LLC功能模塊之間的關(guān)系。具體而言，用戶數(shù)據(jù)的雙向交互是由DLS 在用戶層的邏輯數(shù)據(jù)通道（Dedicated channel，DCH）進行；邏輯專用控制信道（Dedicated control channel，DCCH）是用于從RL 控制層的數(shù)據(jù)傳輸，而通用控制信道（Common control channel，CCCH）則是用于FL 的控制信息傳輸；隨機訪問信道（Random access channel，RACH）和廣播控制信道（Broadcast control channel，BCCH）用于蜂窩小區(qū)的進入、退出與切換。

圖8 L-DACS 邏輯信道結(jié)構(gòu)Fig.8 L-DACS logical channels

2.3 L-DACS 系統(tǒng)物理層

L-DACS 的物理層提供了數(shù)據(jù)傳輸物理鏈路的具體信息，同時支持多架航空器與地面站的雙向鏈接［28］。其中，F(xiàn)L 與RL 采用FDD 進行分隔；而在RL 方向上，應(yīng)用時分多址（Time division multiple access，TDMA）和正交頻分多址（Orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）技 術(shù) 分別對不同的航空器從時間與空間兩個維度上進行分隔。在FL 中，地面站發(fā)送連續(xù)傳輸?shù)腛FDM 符號流；而在RL 中，航空器基于地面站所分配的資源與所定義的具體協(xié)議，發(fā)送不連續(xù)的突發(fā)脈沖，數(shù)據(jù)幀和控制幀被劃分為稱作“tile”的碎片，使得數(shù)據(jù)鏈路層的MAC 層的資源分配得到優(yōu)化并且能夠根據(jù)干擾條件減小帶寬和占空比［29］。航空器僅在蜂窩單元覆蓋范圍內(nèi)通過RL 進行接入數(shù)據(jù)的自主傳輸，而RL 的其他傳輸數(shù)據(jù)（控制信令、用戶數(shù)據(jù)等）均有地面站進行管理與控制。

L-DACS 系統(tǒng)物理層是基于OFDM 的調(diào)制方式，工作頻段為航空L 波段的960～1 164 MHz 頻段。以信道利用率和頻譜使用率最大化為目標，L-DACS 系統(tǒng)支持RL 和FL 數(shù)據(jù)的同時傳輸。具體系統(tǒng)物理層參數(shù)信息如表2 所示，由于保護帶寬的存在，總帶寬為625 kHz（總帶寬=子載波間隔×FFT 長度），而包含中心頻率的有效傳輸帶寬為498.05 kHz，這一數(shù)值表示FL 和RL 上被占用的射頻信道帶寬［30］。

表2 物理層參數(shù)信息Table 2 L-DACS physical layer parameters

為了盡可能降低與DME 之間的相互干擾，通過在DME 相鄰的信道之間插入帶寬為1 MHz 的L-DACS 信道，采用這種內(nèi)嵌的方式，使得L-DACS 能夠在不對頻率資源分配作變更的情況下部署在L 波段［31］。盡管在L-DACS 研究的早期階段，提出過以非內(nèi)嵌且不影響其他通信導(dǎo)航系統(tǒng)性能的方式，但考慮到頻譜資源短缺這一顯著問題，選擇高頻譜利用率的內(nèi)嵌部署方式是L-DACS系統(tǒng)最終所采用的方式。

圖9 L-DACS 前向鏈路符號頻域結(jié)構(gòu)Fig.9 Frequency domain structure of L-DACS forward link symbol

圖10 L-DACS 反向鏈路符號頻域結(jié)構(gòu)（高頻部分）Fig.10 Frequency domain structure of L-DACS reverse link symbol

圖11 L-DACS1 幀結(jié)構(gòu)Fig.11 L-DACS frame structure in time domain

L-DACS 系統(tǒng)的單個OFDM 符號由64 個子載波組成。如圖12 所示，為系統(tǒng)RL 的幀結(jié)構(gòu)，其中OFDM 符號的類型包括：（1）無傳輸數(shù)據(jù)的空符號（Null symbol）：如未經(jīng)過調(diào)制的保護帶寬中的子載波和中心子載波；（2）用于傳輸有效數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)符號（Data symbol）；（3）用于信道估計的導(dǎo)頻符號（Pilot symbol）；（4）用于實現(xiàn)信號同步的同步符號（Sync symbol）；（5）用于抑制峰均比的PAPR符號（PAPR reduction symbol）；（6）用于接收機進行自動增益控制的前導(dǎo)符號（AGC Preamble）；而在RL 的頻域被劃分為兩個碎片，并分配給不同的航空器用戶。每個頻率碎片各自分別占用一半的連續(xù)子載波，這樣使得一次OFDMA 突發(fā)脈沖的有效帶寬可以傳輸兩個用戶的數(shù)據(jù)。

圖12 L-DACS 系統(tǒng)RL 幀結(jié)構(gòu)Fig.12 L-DACS reverse link framework structure

通過對頻域的OFDM 符號做傅里葉變換可以得到OFDM 符號的時域波形圖，圖13 顯示了OFDM 符號的時域結(jié)構(gòu)。L-DACS 的FL 和RL 有著相同的時域結(jié)構(gòu)。信號時長表征為有用符號的持續(xù)時間。從圖13 中可以看到，最后一部分有用符號時間的符號作為循環(huán)前綴被拷貝到該有用符號周期的最前端，并且循環(huán)前綴中的一小部分又作為窗函數(shù)，而剩余部分用于容忍符號時間的同步錯誤以及抵消符號間干擾的產(chǎn)生。除此之外，和窗函數(shù)同等時長的循環(huán)后綴被加在了該有用符號時間的末尾，并與下一個有用符號時間的循環(huán)前綴重疊，這樣在時域上連續(xù)的OFDM 符號就串聯(lián)起來了。在RL 中不同的是，每個航空器用戶創(chuàng)建自己的OFDM 時域符號，而由于每兩個航空器用戶共用一個OFDMA 突發(fā)脈沖，地面站接收機收到的是兩個在時域上重合的OFDM 信號。此時需要通過利用這兩個信號在時域和頻域上的同步信息，以及功率差別將二者加以區(qū)分。在時間維度上的符號碎片能夠被不同的航空器用戶所使用，可以使得L-DACS 系統(tǒng)在RL 中傳輸來自不同航空器用戶的數(shù)據(jù)信息。

圖13 L-DACS 前向鏈路符號時域結(jié)構(gòu)Fig.13 Time domain structure of L-DACS forward link symbol

3 L-DACS 技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展建議

從國際發(fā)展現(xiàn)狀來看，新一代航空通信系統(tǒng)從窄帶向?qū)拵У募夹g(shù)演進，已經(jīng)是必然的發(fā)展趨勢。然而為了實現(xiàn)這一遠期發(fā)展目標，仍有許多重點問題與技術(shù)挑戰(zhàn)待進一步解決。

3.1 面臨的挑戰(zhàn)

（1）頻譜資源受限的高速通信。雖然L-DACS系統(tǒng)相較于VHF 數(shù)據(jù)鏈的能力有所提升，但隨著機載飛行數(shù)據(jù)實時下傳、航路運行態(tài)勢實時監(jiān)視、機間態(tài)勢共享等航空業(yè)務(wù)運行數(shù)據(jù)量的大幅度提升，對航空通信能力提出了更高的要求。由于ITU 對航空通信系統(tǒng)所分配的頻譜資源被局限在L 波段，并且現(xiàn)階段所采用的OFDM 技術(shù)依然存在頻譜資源未高效利用的問題［32］。因此如何在有限帶寬的條件下，實現(xiàn)高速率大容量的數(shù)據(jù)傳輸是L-DACS 系統(tǒng)需要進一步解決的技術(shù)瓶頸。

（2）低延遲廣覆蓋的高效通信。作為下一代航空通信系統(tǒng)的目標之一，L-DACS 不僅需要為航空器提供廣域覆蓋能力，也需要具備面向多類型航空器提供服務(wù)的能力，能夠滿足不同空域、不同場景、不同業(yè)務(wù)條件下的通信需求。與此同時，由于基于四維航跡運行概念的引入也要求航空器具備定時到達能力，航路或進近階段所需到達時間的誤差為秒級，需要管制系統(tǒng)響應(yīng)延遲處于毫秒級，數(shù)字化管制指令的正確傳輸也對實時性提出了更高的要求［33］。因此如何向航空器提供低延遲的高效通信，實現(xiàn)通信范圍的廣域覆蓋是L-DACS 發(fā)展所面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。

（3）高動態(tài)復(fù)雜環(huán)境的可靠通信。航空通信系統(tǒng)需要同時支持ATC、AOC 與AAC 的服務(wù)，因此對其運行狀態(tài)的可靠性與安全性有著極其嚴苛的要求。航空器運行階段氣象態(tài)勢動態(tài)變化，雷暴天氣對電磁環(huán)境干擾顯著；航空器巡航階段時速接近1 000 km/h，多普勒擴展效應(yīng)明顯，雖然現(xiàn)階段L-DACS A/G 能夠解決1 kHz 的多普勒頻偏問題，但是對于L-DACS A/A 系統(tǒng)高頻偏移仍是需要解決的技術(shù)難點［34］；此外當航空器處于起降運行階段時，由于在有限空域范圍內(nèi)存在密集的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等功能的無線電設(shè)備［35］，L-DACS 系統(tǒng)存在著同信道干擾、帶外干擾、鄰接信道干擾等問題［36］。因此，如何在高動態(tài)的復(fù)雜環(huán)境條件下，實現(xiàn)L-DACS 系的高可靠安全通信是另一項需要解決的難題。

3.2 發(fā)展建議

（1）持續(xù)開展頻譜資源高效利用的技術(shù)研究，進一步提高頻譜資源受限約束條件下L-DACS 系統(tǒng)的高速傳輸能力?；陬l譜感知技術(shù)與調(diào)制識別技術(shù)的認知無線電，可以顯著的提高頻譜利用率；以大規(guī)模天線多入多出技術(shù)［37］、非正交多址接入技術(shù)以及Polar 信道編碼等新興技術(shù)為代表的5G 空口技術(shù)［38］，能夠有效地解決頻譜資源受限的問題。與此同時，無線電傳輸環(huán)境復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配與接入方案難以滿足頻譜高效利用的需求，需要開展頻譜資源動態(tài)分配的實時優(yōu)化技術(shù)，以實現(xiàn)L-DACS 系統(tǒng)支持大規(guī)模航空器運行的接入需求。

（2）進一步推進基于L-DACS 系統(tǒng)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與組網(wǎng)機制的技術(shù)研究，可靠融入ATN 網(wǎng)絡(luò)，以支撐低延遲廣覆蓋的高效通信能力，進而實現(xiàn)全球區(qū)域航空器的高效運行。研究設(shè)計安全可靠的網(wǎng)絡(luò)接口與通信協(xié)議，確定魯棒高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，融合航空移動衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)［39］，有助于加裝L-DACS 系統(tǒng)的航空器具備入網(wǎng)區(qū)域頻繁切換的能力，實現(xiàn)基站覆蓋范圍內(nèi)的無縫通信，確保有效數(shù)據(jù)信息的正確傳輸［40］；利用動態(tài)組網(wǎng)、航空自組網(wǎng)［41］等技術(shù)優(yōu)勢，通過靈活可靠的組網(wǎng)機制以實現(xiàn)機間態(tài)勢的高效共享。

（3）針對實際運行需求進行抗干擾技術(shù)研究，并推進L-DACS 系統(tǒng)的適航審定進程，以應(yīng)對高動態(tài)復(fù)雜環(huán)境下安全可靠通信的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對航空器實際運行通信環(huán)境高動態(tài)變化的運行需求，可以從時域/頻域/空域等多資源維度解決問題：通過高精度或自適應(yīng)的時頻同步技術(shù)解決高速環(huán)境下的多普勒拓展問題［42-43］，采用壓縮感知技術(shù)利用空地信道的稀疏特性還原接收信號［44］，基于四維航跡運行的先驗信息進行子載波間隔干擾抑制處理［45-46］。與此同時，L-DACS 系統(tǒng)的發(fā)展需要突破適航性認證的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，使得所部署L-DACS 具備消除與現(xiàn)行航空導(dǎo)航/通信系統(tǒng)間干擾的能力，這也是支撐航空寬帶通信系統(tǒng)發(fā)展的必要條件。

4 結(jié) 論

從全球航空通信技術(shù)發(fā)展的全景來看，L 波段數(shù)字航空通信（L-DACS）數(shù)據(jù)鏈技術(shù)作為新一代航空通信系統(tǒng)發(fā)展的未來目標，是有效解決頻譜資源飽和難題、滿足高速率傳輸需求的有效途徑，能夠進一步提升集成的CNS 系統(tǒng)能力，促進航空通信系統(tǒng)的技術(shù)革新。正如本文所強調(diào)，現(xiàn)階段L-DACS 系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但航空通信系統(tǒng)對于適航性、安全性與標準化要求很高，需要進一步對L-DACS 系統(tǒng)的部署與應(yīng)用進行合理的頂層設(shè)計與實驗驗證，同時對于L-DACS A/A 的研究也是未來技術(shù)發(fā)展的重要關(guān)注點。