基于5G的ATG实现方式及网络部署规划

李宗林 骆润 郭世伟 翟文凯

【摘  要】

通过民航领域对基于5G应用的ATG系统的需求进行分析和预测，对ATG系统的5G基本组网架构进行探讨，对基于5G的ATG系统的关键技术难点进行逐一分析和计算，同时，结合5G专网特性及MEC的应用，对ATG专网的组网形态也进行了探讨，最终得出适合于国内5G的ATG系统的通信专网解决方案。

【关键词】5G ATG;帧结构;CPE;相控阵天线;MEC;接入控制;专网;带宽

0   引言

根据民航总局发布的《2019年民航行业发展统计公报》，2019年，国内航线完成旅客运输量58 567.99万人次，国内航线完成运输飞行小时991.62万小时;民航全行业运输飞机期末在册架数3 818架，国内航线完成运输起飞架次447.78万架次起降航班：496.62万架次，旅客人次：6.6亿人次，全国机队规模：3 818架，同时在空飞机数：1 500架。在5G时代，互联飞机多达24 000余传感器需100%实时传输数据至地面，前舱在飞行中产生的实时飞行数据和维护诊断数据需与地面监控中心保持实时高速通信，以进行监视和大型数据分析，而民航当前使用的高频甚高频地空语音通信、Aero Macs等方式均为窄带通信，无法实现前舱数据的实时传送，仅能在落地后离线拷贝，效率低下，且无法实时监控飞机健康状态，根据空客skywise（智慧天空）测算，现代客机在飞行中前舱产生的飞行数据传输需求至少为30 GB/航班，且随着飞机的更新换代技术升级，前舱的飞行数据会越来越多，亟需一种快速进行数据实时回传或落地后进行数据快速卸载的解决措施。

另外，对于乘客的互联网通信需求的后舱业务，对地通信传输速率需求至少为300 Mbit/s。5G ATG（Air To Ground，地空通信）大带宽、低时延特性与切片技术结合，可为前舱提供大带宽的专有网络，实现飞机驾驶舱安全数据传输、位置数据实时监控、视频监控实时传输，提高飞机驾驶安全。据此测算，未来民航业对ATG系统的市场容量将会越来越大，市场体量每年将达百亿元，ATG系统的前景非常广阔。

测算依据见表1所示：

1   ATG 5G系统综述

1.1  ATG系统网络架构

ATG系统包括地面端和机载端两部分设备[1]，地面端主要由地面基站设备、传输设备、MEC（边缘计算设备）和5GC组成;机载端包括机载CPE端机、机载天线、机载服务器和机上Wi-Fi等设备，整体架构如图1所示：

1.2  ATG系统基本指标

根据《中国移动5G+行业解决方案白皮书》中飞联网部分相关内容，ATG的系统指标要求如下。

（1）覆盖场景

最大半径：300 km，最大支持到1  200 km/h移动性，覆盖高度：最大1 3 000 m，连续覆盖高度7 000～13 000。组网及覆盖形态如图2所示：

（2）频段选取

由于中移动公网使用2.6 G的N41频段组网，为避免与公网干扰，ATG系统规划采用N79的频段组网建设ATG专网，与公网进行频段隔离，同时，由于覆盖航路的基站基本均位于郊区和农村地区，对其他专网的4.9 G基站干扰可控，4.9 G频段可用带宽100 MHz。

频率使用策略，建议在网络规划初期，先行使用 4 000—4 040 MHz的60 MHz频段，开通后根据市场和业务发展情况，逐步开通60 MHz、80 MHz至最多100 MHz的频率资源，具体切频方案需根据实际业务需求进行规划。

（3）系统指标

最大下行带宽：每架飞机800 Mbit/s@100 MHz BW，最大上行带宽：每架飞机120 Mbit/s@100 MHz BW。

机载CPE：尺寸须符合标准航电设备。

机载天线：为确保系统性能，发挥5G Massive MIMO特性，机载端天线需采用高性能相控阵天线，满足-30 dB地面NR网络同频高干扰组网要求。

ATG地面基站：标准64T64R 5G AAU+BBU，系统带宽100 MHz，发射功率200 W。

MEC：一体化UPF设备，部署于地面基站机房内。

2   ATG技术难点和解决思路

为完成地空通信，需解决三大问题，第一，基站对空的覆盖问题;第二，ATG基站，机载CPE与外界的相互干扰问题;第三，地面专网组网形态问题。

2.1  地空覆盖解决方案

（1）ATG基站覆盖问题

在4.9 GHz频段，用NR标准规定的PRACH格式，覆盖半径最大为102 km，无法满足最大覆盖半径300 km的需求。为实现300 km大覆盖半径，需在3GPP现有标准下，进行定制化协议，改变帧结构，信号强度与PRACH信道无法支持大半径覆盖。

不同format格式对应小区覆盖半径表如表2所示：

现有帧结构仅支持≤102 km半径覆盖，无法满足300 km的大半径覆盖要求。

解决措施如下：

针对于PRACH Format 0格式进行深度修改，同时采用大周期的帧结构，获得频偏校正和大半径覆盖能力。建议采用20 ms长周期的帧结构，300 km覆盖半径的单向时延为1 ms，双向时延2 ms，NR标准帧结构无法满足。通过设计时长2 ms的4个特殊子帧来保证300 km覆盖的上下行切换时序要求。由于机载业务以下行为主，为了避免引入2 ms特殊子帧后下行业务比例过低，通过增加D子帧数量来提升下行业务比例（可达75%）。

图3为ATG帧结构示意圖（20 ms周期，30kHz子载波间隔）。

定制AAU：增强基站侧的覆盖方向性增益，通过优化阵子方向，并结合3D-MIMO的波束赋形技术，加强对空航路覆盖的方向性和指向性，增加基站侧覆盖的方向性增益。

（2）多普勒效应问题

民航飞机近1 200 km/h的移动速度，在1 200 km/h时速下的频偏将超过子载波带宽的4倍，而普通终端无上行纠偏能力，将极大地影响飞机接入网络的成功率，3GPP协议以及端到端算法和硬件需定制化支撑。

根据计算，在4.9 GHz频段，飞行时速1 200 km/h时，最大频偏5.44 kHz，NR标准技术Format 1，最大覆盖半径102 km时，PRACH信道子载波间隔仅有1.25 kHz;频偏校正难度大。受限于计算能力，目前地面消费类终端未进行上行纠偏，在ATG场景下会形成最大超过子载波带宽4倍的频偏，影响飞机的接入成功率，需在机载CPE侧增加上行预纠偏，且需在随机接入过程前完成。

解决措施如下：

1）定制机载天線：增加机载侧的增益，提高信噪比指标，采用性能较高的相控阵天线，增加机载侧的收发增益，同时发送定向窄波束，降低对地干扰，提高信噪比指标，提升了覆盖边缘的增益。

2）定制CPE终端：上行预纠偏能力提高接入成功率，波束控制能力增强了切换能力，增加终端计算能力，对多普勒频偏进行上行预纠偏，提高接入成功率，同时，加入基于GPS+北斗+GNSS的信号强度天线控制算法，加强机载天线波束控制，降低对地干扰，增强切换能力。

2.2  干扰规避分析

ATG系统与其他系统的干扰可分为两大方面，即系统间干扰和系统内干扰。国内4.5～4.9 GHz频率资源划分如表3所示。

（1）ATG对系统外干扰

WRC对4.9 G频段的分配方案：4 825—4 835 MHz用于射电天文业务（高优先级），4 830 MHz射电天文业务主要分布在新疆、内蒙、云南和贵州，其中贵州站处于航线密集区，其他站在航线边缘，且距离城区60～300 km。4 830 MHz频段射电天文站分布如图4所示：

射电天文业务不发射，仅接收，不会干扰其他业务，但因其干扰容忍门限非常严格，接近热噪，故需严格控制ATG系统对其干扰，对于同频下的系统外的射电天文业务需要做好干扰协调工作，包括频率保护带、设站隔离等手段。

机载CPE对射电天文台的干扰，利用4 840—4 900 MHz频率与射电天文异频部署，在满足隔离距离且结合机载赋形天线和功率控制方案时，可实现与射电天文业务共存。

结论：ATG使用4.9 GHz部署时，存在对射电天文业务干扰，主要为机载CPE干扰射电天文接收，为规避干扰，机载CPE需采用赋形天线+功率控制，并保持与射电台空间隔离超过50 km的安全距离。如果可提前获取射电台的天顶观测角度，可通过机载天线波束主瓣和射电天线观测法线的夹角实时计算与射电台的隔离度，将隔离距离进一步缩短为30 km。

（2）系统内干扰

对于同频下的系统内地面5G业务，需做好共频干扰协调，明确地面业务为高优先级，以不影响地面业务为前提的网络部署及规划。

大气波导：干扰时段和强度对地面网络影响不大，4.9 GHz为TDD系统，可能存在大气波导等干扰，但考虑在5G系统广播、用户数目、站点密度以及波导效应出现时间等因素，预计ATG系统大气波导干扰影响远小于地面网络。

ATG基站对地面基站和地面终端干扰：由于ATG系统使用和大网不同的帧结构，同大网4.9 GHz基站共站会产生交叉时隙干扰，故ATG基站不可与大网4.9 GHz基站共站建设。

地面终端对ATG基站干扰：ATG基站与4.9 GHz基站不共站建设，该干扰可忽略不计。

地面基站对机载CPE干扰（主要）：4.9 GHz频段用于室外微站部署时，经现网调研，对机载CPE干扰约20 dB以内，通过加密ATG站点和定制相控阵天线，可将干扰控制在10 dB左右，影响不大。

机载CPE干扰地面终端：地面小区边缘RSRP为

-69 dBm/20 MHz，来自机载CPE的干扰最大为-89 dBm / 20 MHz，相比小区边缘信号强度可忽略不计。

2.3  ATG系统专网组网形态

不同于地面公共基础服务网络，ATG系统为地空5G专网[2]，为提供统一的高质量的接入能力，同时确保不对地面公共网络产生干扰和影响，建议专网进行接入控制，按照独享专网形式进行规划建设。建议接入控制策略：根据《中国移动5G专网业务规范》关于PLMN标识广播网号，有如下说明：“5G行业网在与公众网共用网络时使用的广播网号（PLMN标识）为46000，尊享专用局域覆盖内可按需广播网号46008”。因此，未来中国移动ATG系统的PLMN标识建议采用广播网号为46008。

因此，本文提出ATG的虚拟空中专网的概念。空中虚拟专网，通过5G网络切片+边缘计算（MEC）+UPF ULCL（上行链路分流）功能，将不同行业专网的业务流映射至不同的UPF，同时结合SPN（切片分组网络）的FlexE能力，使网络分配不同的传输资源到专有虚拟通道中，达到专网业务隔离、业务能力保障和业务分流的目的，不同航空公司也可建立各自的MEC服务器，将各自机载数据业务通过MEC分流至本公司的专网服务器，ATG空中虚拟专网网络架构如图5所示：

不同行业的专网划分示意如表4所示：

3   结束语

ATG基站由于其覆盖半径大（最大300 km），系统性能优越（提供系统容量远大于LTE系统和卫星系统），单小区（波束）可提供最大800 Mbit/s的下行带宽，100 Mbit/s的上行带宽，将极大满足空中互联业务的需求。基于5G的ATG系统对国内民航业的空中互联业务将带来跨越式的发展，其中蕴含的市场前景每年将达百亿。

另外，由于ATG系统覆盖空域面积大，且覆盖范围从低空（300 m）至高空（13 000 m），立体空间大，不仅可用于普通民航飞机，还可提供5G无人机的业务接入能力，随之可衍生扩展至各类通航类业务、无人机行业、应急救援业务的虚拟专网业务，该类扩展型业务在ATG系统成熟后也可继续进行探索。

参考文献：

[1]     杨立勇，钟德超，李智强. 浅析ATG空地宽带前舱通信系统的开发与应用[J]. 航空维修与工程， 2017（3）： 33-35.

[2]    王靖，黄曜明，谢宁，等. ATG地空通信业务分析与策略研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2019，32（2）： 70-74.