5G移動通信技術在地空互聯中的應用

楊旭 南京航空航天大學金城學院

1 引言

國際電信聯盟（ITU）定義了5G的三大主要應用場景，分別是：高帶寬（eMBB）、低時延（uRLLC）、大容量（mMTC）。5G應用范圍遠遠超出了傳統的通信和移動互聯網，全面向各個行業和領域擴展。5G典型應用場景包括地空互聯、自動駕駛、遠程控制、VR/AR、智能制造等，原來受限于網絡能力而體驗不佳或無法實現的應用，在5G時代將加速成熟并大規模普及。

2 地空互聯現狀

目前地空互聯主要有兩種可用的技術方案，衛星方案和ATG（Air to Ground）地面基站方案。

衛星方案主要采用Ku或Ka頻段衛星，利用衛星、飛機、衛星地面站三者進行數據通訊。衛星具有廣覆蓋、跨國境的優點，非常適合于跨洋、跨國境等國際航班應用。但衛星方案有窄帶寬、高成本的巨大缺陷，無法提供理想的高帶寬傳輸流量，這將制約衛星方案的推廣應用。當前的法國航空、漢莎航空、美國聯合航空、阿聯酋航空等提供的地空互聯方案都是衛星方案。

而基于ATG地面基站方案，提供高帶寬、高流量，低成本的解決方案，具有非常大的布網及升級維護優勢。ATG地面基站方案，主要沿航線部署地面基站，信號主要發射向天空，專門與飛機進行通信，由于專網專用，依托當前優越的地面通信技術，ATG具備高帶寬的優勢，相比于衛星通信，使用者具有更友好的上網體驗。ATG地面基站方案的主要缺點是基站難以跨越國界去部署，同時在廣袤的海洋也不宜進行安裝，所以具有地域性的劣勢。在技術應用方面，美國GOGO基于CDMA的EVDO應用方案是一個非常成功的運營案例。另外，中國國航在2014年完成了基于4G技術的機上互聯網服務的首飛及乘客體驗測試。

圖2 ATG地面基站方案實現地空通訊

3 基于5G的衛星方案

隨著通信技術不斷發展，將衛星與5G相融合已經成為當前眾多機構的重點研究對象。

(1）3GPP

3GPP從R14版本中引入衛星與5G的探討，并在衛星帶給5G移動通信的優勢方面做了重點論述。到了R15版本，3GPP提出了四種架構模型，分別是彎管有中繼、彎管無中繼、星上接入有中繼和星上接入無中繼，重點評估了衛星接入網協議，并討論了在衛星網絡與地面網絡間切換的解決方案。

(2）ITU

ITU提出了衛星與5G融合的4種應用場景，包括動中通、中繼到站、混合多播以及小區回傳。同時，ITU進一步明確了衛星通信需要具備的關鍵特性，包括延時、多播支持、智能路由、動態緩存管理、自適應流等。

(3）SaT5G

SaT5G（5G系統中衛星與地面網絡融合）受到歐盟委員會的支持，它的終極目標是提供一種即插即用的5G衛星解決方案。在2019年歐洲網絡與通信大會上，SaT5G成功演示了一些衛星與5G相融合的案例，其中為飛機乘客提供5G視頻演示最為引人關注，這項技術運用虛擬化服務進行內容分發，最終實現了基于5G連接的中軌道衛星通信解決方案。

(4）SANSA

SANSA（支持智能天線的共享地面-衛星回程網絡）為H2020支持的一個課題，SANSA 旨在為未來大容量通信系統的回程鏈路提供解決方案。SANSA項目提出了衛星5G融合、自組織地面網絡及動態頻譜共享等關鍵特性。

4 基于5G的ATG地面基站方案

美國基于CDMA EVDO技術的ATG地空寬帶通訊處于3G階段，CDMA EVDO的理論值為下行帶寬3.6Mbps，上行帶寬1.8Mbps。

我國的ATG地空寬帶通訊目前采用的是4G LTE技術，目前我國民航ATG地空寬帶通訊的帶寬可達15-30Mbps（上行+下行）。

2018年6月，5G獨立組網方案的凍結，標志著5G已經進入可商用階段。與4G通信相比，5G的系統性能大幅提高，見表1。有人做了一個非常形象的比喻，2G通信看文字，3G通信看圖片，4G通信看視頻，到了5G看高清實時直播。

表1 4G/5G數據對比

ATG地面基站方案使用5G的優勢在于：

(1）從速率來看，5G的理論值是4G的100倍。

(2）飛機在萬米高空高速飛行，一般時速在700-1000km，因此必須要解決這種特定條件下無線信號的覆蓋和接入問題，同時還要解決高速飛行引起的多普勒頻偏、以及地面基站信息高速切換等難題。相比于4G技術，5G的移動性支持的更好（提升了1.5倍）。

5 結束語

5G時代已經來臨，基于5G的地空互聯除了機上娛樂、機上辦公外，還有更為廣泛的行業應用前景，將來的地空互聯技術，必然是衛星方案和ATG地面基站方案與5G通信技術的有效結合。伴隨著國家產業政策調整、航空公司驅動、通用航空發展，地空互聯業務即將迎來發展熱潮。