机载互联网的卫星通信实现方式分析和展望

黄松涛，李洲

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 引言

长期以来，由于飞机移动速度快、航线分布广、舱内电磁兼容要求高等限制，机载公众通信一般都用于机组通信，很少向公众开放。近年来，我国航空市场发展迅速，截至2017年底，民航全行业运输飞机期末在册架数3 296架，比上年底增加346架[1]。随着乘客数量的飞速增长、通信技术的创新发展和通信成本的逐年下降，国内外航空公司纷纷开始提供客舱内互联网接入服务，包括面向公众乘客的网页浏览、即时通信、电子邮件、企业VPN应用，面向航空公司的运营数据、客舱娱乐更新以及电商平台消费应用等。

我国正在推动将目前的航空机载通信业务商用试验转为正式商用，本文主要对机载互联网的卫星通信实现方式和发展前景进行探讨。

2 国内外机载互联网发展情况介绍

2.1 机载公众通信方式发展情况

早期机上公众通信只有唯一的固定电话方式，由于运营成本高、利用率低，因而价格昂贵，一般只用于公务机或者头等舱，未能普及。通过机载无线基站提供移动通信覆盖的方式，由于无线频率管制、用户使用习惯（机舱内环境嘈杂、不适宜多个用户同时通话）等原因，目前尚无实际应用。

我国交通运输部2017年第29号令公布了《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》（CCAR-121部）第五次修订，其中第121.573条规定，合格证持有人（即航空公司）认为使用时不会影响飞机导航和通信系统的便携式电子设备可以使用，但需根据使用情况验证后再决定[2]。从目前国内各航空公司实际操作情况来看，部分航线允许手机采用“飞行模式”在飞机上使用，但均不允许连接蜂窝网络，只能采用Wi-Fi方式连接。用户可以使用自有的终端通过验证后接入机载Wi-Fi，进而接入娱乐、管理、购物等多种平台。可见，当前机载公众通信业务已逐步转向互联网服务。

2.2 机载通信政策发展情况

由于机载公众通信颇为严苛的电磁兼容要求，相关国家的监管机构对于机载公众通信的准入是一个循序渐进的长期过程。

2004年10月，FAA（美国联邦航空管理局）下属的RTCA（航空无线电技术委员会）发布了DO-294《T-PED机上使用指南》，制定了评估PED（便携式电子设备）干扰风险的测试流程，以及用于防止人为操作带来的风险的管理流程。 2013年10月，FAA开放手机的部分功能，要求使用飞行模式。

根据中国民航局飞标司对《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》第五次修订版本的解读，航空公司可以作为主体对便携式电子设备的影响进行评估，并根据评估的结果来决定在飞机上使用何种便携式电子设备，同时民航局飞标司制定了相应的审核、评估的方法，来接受航空公司的申请。中国联通、中国电信、中国移动、中交通信等通信企业也正在配合工信部积极探索手机开放，开展机载互联网试验及正式运营等工作。

2.3 机载互联网业务发展情况

根据权威机票查询网站Routehappy统计，截至2017年底，全球有43%的航班里程提供Wi-Fi接入，同比增长10%。我国各大航空公司均与电信运营商合作，在部分航线上提供机载Wi-Fi服务，当前都处于从试商用向正式商用转变的阶段。国航在2011年开通了局域网航班试点，并在2013年开通国内首个卫星通信互联网航班，2014年4月开通国内首次ATG（Air To Grounds，地空连接）地空宽带互联网航班。南航于2014年7月实现基于Ku卫星的互联网航班的首次试飞，2016年正式开通国际航线的上网服务。东航2014年7月实现基于Ku卫星的互联网航班的首次试飞，计划 2018年互联网机队数量超过100架。

图1 机载互联网市场发展预测图（来自NSR预测数据）

根据北方天空咨询公司（NSR）对机载互联网的发展情况预测，到2020年全球机载互联网市场将达到28亿美元，到2025年将增长到接近40亿美元，具体见图1所示。

3 机载互联网的卫星通信实现方式

目前机载互联网一般采用ATG和卫星直连两种方式。

ATG采用在飞机航线沿线地面建设3G或4G基站、基站信号辐射空中、机上搭载CPE的方式。为达到连续覆盖，基站间隔一般约为50～100 km。为避免与地面3G/4G系统同频干扰，ATG系统需要采用专门的频率。由于需要沿线建设专用基站，仅能在陆地使用，同时缺乏合法可用频段，因而发展受限。随着卫星通信技术的发展，特别是HTS（High Throughput Satellite，高通量卫星）投入运营，单架飞机能提供的速率达到100 Mbit/s级别。近年来，卫星直连方式逐渐成为主流。

3.1 卫星直连机载互联网网络架构和业务能力

图2 机载卫星通信结构示意图

通过卫星连接的机载互联网网络架构如图2所示。业务设备既可使用乘客自有手机、PAD、手提电脑，也可定制专用接入终端（提供广告、多媒体等增值业务）。机载卫星通信系统由安装于飞机顶部的卫星天线和机舱内的基带设备组成，将机舱内Wi-Fi系统承载的数据通过通信卫星传至卫星地面站，同时还需建设专门的网络管理平台（包括认证、计费、安全、设备管理等功能）和业务拓展平台。

卫星直联方式的主要优点包括覆盖范围广，可提供全球覆盖（包括跨洋），可实现同一卫星网络下国际漫游；服务不间断，可提供登机至离机（Gate to Gate）连续服务；以及网络较稳定，用户速率和上网质量有一定保证。缺点为机上装载设备多、飞机改装成本高、传输时延大。

早期的Ku频段卫星通信仅能提供单架飞机0.5 Mbit/s的速率，当前典型的Ku频段卫星能够达到单架飞机30 Mbit/s的速率，国外采用Ka频段高吞吐量卫星的系统（例如Viasat公司为JetBlue提供的Ka频段机载Wi-Fi系统）能够为每位乘客提供5～10 Mbit/s速率的上网体验，已经接近地面Wi-Fi的体验。

3.2 卫星直连机载互联网技术发展趋势分析

机载互联网的发展主要取决于用户感知上网速率，也就是卫星通信的业务能力，这将主要依赖于卫星通信频段和机载卫星天线的选择和发展。

3.2.1 卫星频段选择

早期机载卫星通信是基于L波段的机载海事卫星通信系统，主要用于解决空中交通控制，包括语音、ACARS（Aircraft Communications Addressing and Reporting System，飞机通信寻址与报告系统）等，均属于前舱通信需求。由于L波段频率有限，总体带宽资源非常有限，能提供的传输速率在100 Kbit/s级别，不能满足客舱互联网通信需求。

机载卫星通信的第二阶段是Ku频段，由于Ku频段拥有频率资源远远高于L频段，即使受限于飞机安装环境只能采用小增益卫星天线，由于卫星资源足够，整机峰值速率也可达30 Mbit/s，因此成为当前机载卫星通信系统最成熟的航空互联网解决方案。国内东航、国航、南航等航空公司也多采用Ku机载卫星进行机载互联网试验。

然而，由于Ku频段卫星资源价格高、可提供的总容量和单飞机容量也都不能完全满足日益发展的互联网通信需求，机载卫星通信又逐步转向更高频率的Ka频段。Ka频段卫星一般也被称为高通量卫星（HTS），由于采用多波束和同频复用技术，单颗卫星的容量可到100 Gbit/s以上，是传统Ku卫星的50倍以上；单个载波速率可达到100 Mbit/s级别，是传统Ku卫星的5倍以上。容量的提升也带来成本的下降，综合各卫星公司公开披露数据，单颗高通量卫星的建造、运营成本约为传统卫星的2～3倍，因此其单位速率传输成本能够达到传统Ku卫星的1/10左右。传统Ku频段卫星也逐渐采用多波束和同频复用机制，发展为Ku频段HTS。随着美国Viasat系列、海事卫星组织Inmarsat五代星的成熟运营，采用Ka频段机载卫星通信系统解决航空互联网需求预计将成为将来的主流。北方天空咨询公司（NSR）对空中通信的发展情况预测如图3所示。

图3 机载卫星通信连接数和容量需求预测（来自NSR预测数据）

可见，虽然各频段连接数都会稳步增长且L频段连接数仍然占据绝对优势，但用于机载互联网的容量需求中， Ku频段和Ka频段HTS都将逐步赶超传统Ku频段，而低轨道HTS卫星星座也将逐步占据一席之地。

3.2.2 卫星天线形态发展

在机载卫星通信领域，由于安装位置受限以及追求低风阻，平板化天线是唯一解决方案。传统机载Ku/Ka频段卫星均采用平板波导阵列天线，将抛物面天线转化为矩形平面，并依靠水平、垂直机械伺服系统实现天线精准对星。此类天线使用了马达等机械部件，设备可靠性较纯电子部件较低，同时在接近赤道地区由于对星波形畸变容易导致邻星干扰增加，需要降低发射功率方式从而降低了可用速率[3]。

为解决上述问题，Ku频段卫星天线进化为2Ku系统，改用水平面机械扫描+垂直面电子扫描方式，进一步降低天线迎风面积，提高了电扫描响应速度，同时采用收发分开的两部天线通过不同频率进行收发。由于卫星通信上下行频率相异，则天线接收频率和发射频率不同，在Ka频段将相差10GHz左右，导致相控阵天线的接收角度和发射角度不相同，无法同时即对准接收又对准发射，而引起天线的接收或发射效率降低。采用收发分开方式可使得天线同时即对准接收又对准发射，实现天线接收和发射效率最优化。

更进一步，将卫星天线水平和垂直面全部采用电子扫描方式，则可发展为全相控阵天线。整机无需机械部件，对星响应更快，有利于效率最大化。天线外形比传统天线剖面更加扁平，可以使用阻力更小的流线型雷达罩，有利于降低飞机燃油消耗。此外，还可使用超材料形成全息波束，天线使用电子射频波束指向控制、电子极化选择和角度控制，可以比机械转动更快的速度实现卫星自动识别和跟踪，实现完全平板化的同时还降低了天线的功耗。

上述各类型天线的外形如图4所示，可见随着技术的发展，天线轮廓不断降低的趋势非常明显。

图4 机载卫星天线的发展历程

4 机载互联网发展还需解决的问题和未来发展展望

不管采用哪种技术手段，由于在我国机载公众通信服务和机载互联网都是一个新鲜事物，不管是民航局和工信部，虽然对于此项业务的开展持开放和支持态度，但涉及到飞行安全的大事，仍然需要全面试验、谨慎开展。未来机载互联网的规模发展还将面临并需解决一些问题。

首先是运营主体和合作模式问题。除了国家管理部门外，机载公众通信服务产业链涉及到基础电信运营商、卫星运营公司、航空公司、飞机制造商以及机载Wi-Fi集成商等多个公司，以谁为运营主体不仅是政策和管理问题，也涉及到如何带动产业链健康发展的问题。只有保障产业链同盟的利益，才能够为广大乘客提供便捷、便宜的服务。

其次监管政策需进一步明朗。《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》第五次修订版本发布后还需制定相关实施细则。

然后需进一步拓展可用资源。我国境内目前只有一颗HTS卫星，容量有限，覆盖区域仍未达到全境，而ATG方式在国内仍无官方认可的无线频率。

此外还需考虑民航适航风险，进一步推动民航监管、航企评估测试等实际操作。目前国家已经推动基于卫星或基于ATG模式机载互联网试商用往商用发展，这将进一步巩固产业链的信心。

只有当政策和技术风险在可控范围内，技术手段和资源有保障的情况下，机载互联网才能得到稳步而良性的发展。在我国航空业的飞速发展推动下，创新的通信技术、可控的通信成本，将使得机载互联网将进一步走进普通航空乘客。