基于5G的ATG實現方式及網絡部署規劃

李宗林 駱潤 郭世偉 翟文凱

【摘 ?要】

通過民航領域對基于5G應用的ATG系統的需求進行分析和預測，對ATG系統的5G基本組網架構進行探討，對基于5G的ATG系統的關鍵技術難點進行逐一分析和計算，同時，結合5G專網特性及MEC的應用，對ATG專網的組網形態也進行了探討，最終得出適合于國內5G的ATG系統的通信專網解決方案。

【關鍵詞】5G ATG;幀結構;CPE;相控陣天線;MEC;接入控制;專網;帶寬

0 ? 引言

根據民航總局發布的《2019年民航行業發展統計公報》，2019年，國內航線完成旅客運輸量58 567.99萬人次，國內航線完成運輸飛行小時991.62萬小時;民航全行業運輸飛機期末在冊架數3 818架，國內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，全國機隊規模：3 818架，同時在空飛機數：1 500架。在5G時代，互聯飛機多達24 000余傳感器需100%實時傳輸數據至地面，前艙在飛行中產生的實時飛行數據和維護診斷數據需與地面監控中心保持實時高速通信，以進行監視和大型數據分析，而民航當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，無法實現前艙數據的實時傳送，僅能在落地后離線拷貝，效率低下，且無法實時監控飛機健康狀態，根據空客skywise（智慧天空）測算，現代客機在飛行中前艙產生的飛行數據傳輸需求至少為30 GB/航班，且隨著飛機的更新換代技術升級，前艙的飛行數據會越來越多，亟需一種快速進行數據實時回傳或落地后進行數據快速卸載的解決措施。

另外，對于乘客的互聯網通信需求的后艙業務，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結合，可為前艙提供大帶寬的專有網絡，實現飛機駕駛艙安全數據傳輸、位置數據實時監控、視頻監控實時傳輸，提高飛機駕駛安全。據此測算，未來民航業對ATG系統的市場容量將會越來越大，市場體量每年將達百億元，ATG系統的前景非常廣闊。

測算依據見表1所示：

1 ? ATG 5G系統綜述

1.1 ?ATG系統網絡架構

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

1.2 ?ATG系統基本指標

根據《中國移動5G+行業解決方案白皮書》中飛聯網部分相關內容，ATG的系統指標要求如下。

（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，連續覆蓋高度7 000～13 000。組網及覆蓋形態如圖2所示：

（2）頻段選取

由于中移動公網使用2.6 G的N41頻段組網，為避免與公網干擾，ATG系統規劃采用N79的頻段組網建設ATG專網，與公網進行頻段隔離，同時，由于覆蓋航路的基站基本均位于郊區和農村地區，對其他專網的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，建議在網絡規劃初期，先行使用 4 000—4 040 MHz的60 MHz頻段，開通后根據市場和業務發展情況，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實際業務需求進行規劃。

（3）系統指標

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：尺寸須符合標準航電設備。

機載天線：為確保系統性能，發揮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網絡同頻高干擾組網要求。

ATG地面基站：標準64T64R 5G AAU+BBU，系統帶寬100 MHz，發射功率200 W。

MEC：一體化UPF設備，部署于地面基站機房內。

2 ? ATG技術難點和解決思路

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，地面專網組網形態問題。

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標準規定的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300 km大覆蓋半徑，需在3GPP現有標準下，進行定制化協議，改變幀結構，信號強度與PRACH信道無法支持大半徑覆蓋。

不同format格式對應小區覆蓋半徑表如表2所示：

現有幀結構僅支持≤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構，獲得頻偏校正和大半徑覆蓋能力。建議采用20 ms長周期的幀結構，300 km覆蓋半徑的單向時延為1 ms，雙向時延2 ms，NR標準幀結構無法滿足。通過設計時長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。由于機載業務以下行為主，為了避免引入2 ms特殊子幀后下行業務比例過低，通過增加D子幀數量來提升下行業務比例（可達75%）。

圖3為ATG幀結構示意圖（20 ms周期，30kHz子載波間隔）。

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

（2）多普勒效應問題

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絡的成功率，3GPP協議以及端到端算法和硬件需定制化支撐。

根據計算，在4.9 GHz頻段，飛行時速1 200 km/h時，最大頻偏5.44 kHz，NR標準技術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側增加上行預糾偏，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：增加機載側的增益，提高信噪比指標，采用性能較高的相控陣天線，增加機載側的收發增益，同時發送定向窄波束，降低對地干擾，提高信噪比指標，提升了覆蓋邊緣的增益。

2）定制CPE終端：上行預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 ?干擾規避分析

ATG系統與其他系統的干擾可分為兩大方面，即系統間干擾和系統內干擾。國內4.5～4.9 GHz頻率資源劃分如表3所示。

（1）ATG對系統外干擾

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

射電天文業務不發射，僅接收，不會干擾其他業務，但因其干擾容忍門限非常嚴格，接近熱噪，故需嚴格控制ATG系統對其干擾，對于同頻下的系統外的射電天文業務需要做好干擾協調工作，包括頻率保護帶、設站隔離等手段。

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合機載賦形天線和功率控制方案時，可實現與射電天文業務共存。

結論：ATG使用4.9 GHz部署時，存在對射電天文業務干擾，主要為機載CPE干擾射電天文接收，為規避干擾，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）系統內干擾

對于同頻下的系統內地面5G業務，需做好共頻干擾協調，明確地面業務為高優先級，以不影響地面業務為前提的網絡部署及規劃。

大氣波導：干擾時段和強度對地面網絡影響不大，4.9 GHz為TDD系統，可能存在大氣波導等干擾，但考慮在5G系統廣播、用戶數目、站點密度以及波導效應出現時間等因素，預計ATG系統大氣波導干擾影響遠小于地面網絡。

ATG基站對地面基站和地面終端干擾：由于ATG系統使用和大網不同的幀結構，同大網4.9 GHz基站共站會產生交叉時隙干擾，故ATG基站不可與大網4.9 GHz基站共站建設。

地面終端對ATG基站干擾：ATG基站與4.9 GHz基站不共站建設，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，經現網調研，對機載CPE干擾約20 dB以內，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，相比小區邊緣信號強度可忽略不計。

2.3 ?ATG系統專網組網形態

不同于地面公共基礎服務網絡，ATG系統為地空5G專網[2]，為提供統一的高質量的接入能力，同時確保不對地面公共網絡產生干擾和影響，建議專網進行接入控制，按照獨享專網形式進行規劃建設。建議接入控制策略：根據《中國移動5G專網業務規范》關于PLMN標識廣播網號，有如下說明：“5G行業網在與公眾網共用網絡時使用的廣播網號（PLMN標識）為46000，尊享專用局域覆蓋內可按需廣播網號46008”。因此，未來中國移動ATG系統的PLMN標識建議采用廣播網號為46008。

因此，本文提出ATG的虛擬空中專網的概念。空中虛擬專網，通過5G網絡切片+邊緣計算（MEC）+UPF ULCL（上行鏈路分流）功能，將不同行業專網的業務流映射至不同的UPF，同時結合SPN（切片分組網絡）的FlexE能力，使網絡分配不同的傳輸資源到專有虛擬通道中，達到專網業務隔離、業務能力保障和業務分流的目的，不同航空公司也可建立各自的MEC服務器，將各自機載數據業務通過MEC分流至本公司的專網服務器，ATG空中虛擬專網網絡架構如圖5所示：

不同行業的專網劃分示意如表4所示：

3 ? 結束語

ATG基站由于其覆蓋半徑大（最大300 km），系統性能優越（提供系統容量遠大于LTE系統和衛星系統），單小區（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業務的需求。基于5G的ATG系統對國內民航業的空中互聯業務將帶來跨越式的發展，其中蘊含的市場前景每年將達百億。

另外，由于ATG系統覆蓋空域面積大，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無人機的業務接入能力，隨之可衍生擴展至各類通航類業務、無人機行業、應急救援業務的虛擬專網業務，該類擴展型業務在ATG系統成熟后也可繼續進行探索。

參考文獻：

[1] ? ? 楊立勇，鐘德超，李智強. 淺析ATG空地寬帶前艙通信系統的開發與應用[J]. 航空維修與工程， 2017（3）： 33-35.

[2] ? ?王靖，黃曜明，謝寧，等. ATG地空通信業務分析與策略研究[J]. 電信工程技術與標準化， 2019，32（2）： 70-74.