國外ATG網絡進展及余割平方波束ATG地面天線設計

李立忠，王程，王來軍，陳偉

（上海安費諾永億通訊電子有限公司，上海 201108）

0 引言

ATG（Air to Ground，地空通信，也稱A2G）或DA2G（Direct Air to Ground，直接地空通信）系統沿航路部署地面基站，并在地面基站與飛行器之間建立直接的無線連接（如圖1），比之由衛星和地面站組成的航路覆蓋系統，ATG 部署快、投資少，更容易做到大帶寬、低延時，且受高空氣象條件影響小。由于ATG 是在地面基站與飛行器間通訊，無法覆蓋深海區域，因此洲際航線仍需衛星通訊支持，可由衛星與ATG 聯合組網。基于Massive MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）天線系統的信道容量較大，飛機不再只是運輸工具，也可能成為高速上網的辦公室、會議室甚至家庭影院。同時，乘客旅行行為及航空管理模式也有望發生變化，比如，乘客在飛機上就可以辦理轉機手續而不必要長時間聚集在機場轉機柜臺；機長可根據航線的氣象條件動態調整飛行高度，提升安全性及乘客舒適度；地勤可根據在途飛機的實際情況提前準備好合適數量的油料及補給品，減少浪費；機械師可根據實時的機上設備數據做好分析診斷，減少飛機維保時間等。此外，ATG 通訊對于新興起的無人機行業也提供了技術支撐。

圖1 覆蓋航路的直接地空通訊效果圖（圖片來源：Fluidmesh）

1 ATG在國外的進展

目前，ATG 網絡的大規模應用主要是在美、歐兩地。在美國，老牌ATG 運營商GOGO 和新興運營商Smartsky 正就建設5G ATG 網絡展開激烈競爭；而在歐洲，由Nokia 和Skyfive 建設、維護的EAN（European Aviation Network，歐洲航空網絡）處于ATG 網絡的壟斷地位。

1.1 美國

GOGO（原名Aircell）是ATG 大規模應用的鼻祖[1]，于2020 年把商業航空部門出售給Intelsat，此后專注于公務航空領域，至2021 年11 月，GOGO 的ATG 系統已安裝在5 550 架公務機（Business Jet）上。由于芯片短缺等影響，GOGO 把開始5G ATG 服務的時間由2021 年推遲到2022 年。2021 年11 月，GOGO 宣布全球最大的私人公務機維修、保養修服務提供商鄧肯航空正在完成基于來自龐巴迪、灣流、達索、德事隆（TEXTRON）的30 多個機型的首件STC 認證（First-article Supplemental Type Certification，首條補充型式認證），并稱其正在建造的是全球第一個，也是唯一真正的機艙5G 網絡。GOGO 5G ATG 網絡中，5G 云核及數據中心方面的合作伙伴是思科。GOGO 的計劃是一開始就提供包含150 個地面站點，覆蓋全部CONUS（即除阿拉斯加外的美國本土）的公務航空端到端5G 網路服務，然后快速延申至加拿大及阿拉斯加；每個地面天線的覆蓋距離達200～300 km，其主要競爭對手Smartsky 則在不斷宣傳其服務隨區域性部署漸次展開。2021 年底，GOGO 成功完成了基于7 個站點的試運行試驗，并稱全國網絡的運行會在2020 年下半年。GOGO 預期基于其5G ATG 的平均上網速率接近25 Mbps，峰值速率為75～80 Mbps。

Smartsky 公司是美國另一家活躍的新興ATG 技術提供商，一直宣稱的所擁有的200 項圍繞ATG 的專利是其強大的競爭優勢。GOGO 曾向美國專利與商標局申請就Smartsky 專利中通過軟件定義無線電進行波束賦形的部分進行多方重審，但沒有得到支持。裁決之后，Smartsky 首席執行官稱競爭對手GOGO 很難繞開其專利建成5G 網絡，而GOGO 則回應：無論是裁決結果還是Smartsky 的專利組本身都不影響其拓展GOGO 5G以及增強在公務航空市場地位的能力。在經過一系列的延誤并把設備供應商告上法庭之后，Smartsky 于2021年加快了網路部署。Smartsky 目前的計劃是在今年第一季度完成對不含阿拉斯加的美國本土航線的網絡覆蓋，至2021 年底已建成約80%。該公司也是第一家接入主流工業物聯網數據分析平臺Honneywell Forge 的ATG運營商，使飛機上不需降落就可把飛行數據傳至平臺進行分析。業界領先的艙內娛樂服務商霍尼韋爾已成為Smartsky 的增值分銷商。

1.2 歐洲

EAN（European Aviation Network，歐洲航空網絡）的地面部分是第一個按3GPP 標準建造的ATG 網絡，包含了300 多個地面LTE 站點，其頻譜來自國際海事衛星運營商Inmarsat，地面網絡直接建在德國電信的4G 網絡上，天線安裝在原塔址[2]。圖2 為EAN ATG 天線垂直面方向圖。EAN 是由有實力的傳統運營商運營，有Nokia 等領先設備商提供設備，因此比起美國同行，在頻譜、硬件上有一定優勢。EAN 頻譜采用的是S 波段B65的下半部分（UL：1 980—1 995 MHz，DL：2 170—2 185 MHz）[3]，待需求上升，可擴展至上半部分（UL：1 995—2 010 MHz，DL：2 185—2 200 MHz）；EAN稱每個航班可達到100 Mbps 的下行網速。其5G 演進選用的是NSA（Non Stand Alone，非獨立組網），以便匹配機隊的4G 配置并兼容后面的5G 升級。EAN 已在40余個國家安裝并提供服務，其中有些小國家由鄰國的基站做航線覆蓋。

圖2 ENA ATG天線垂直面方向圖

EAN 地面基站天線能覆蓋從水平方向到垂直方向之間的范圍，圖2 中采用遙控傾角的對空覆蓋方案，以便通過飛行數據的積累不斷優化傾角，提升網絡工作質量。

EAN ATG基站天線的空間覆蓋如圖3所示。

圖3 EAN ATG基站天線的空間覆蓋

SkyFive 總部位于德國，由原Nokia 資深高管創建，致力于為航空旅客提供寬帶服務并實現大量航空數據的實時傳輸與分析，2019 年10 月完成了對Nokia ATG 資產的收購。Nokia 和SkyFive 是EAN 背后的技術和設備提供方。收購后，SkyFive 保證履行其在包括航空電子設備、電信、IT 系統等方面端到端方案的責任，而Nokia 基于其技術及交付能力繼續負責地面網絡的銷售和實施。除服務于EAN外，SkyFive 積極向歐洲之外拓展，其策略是與當地有實力的伙伴合作，尤其強調與現有網絡設施的協同。2021 年9 月，SkyFive 與澳大利亞的Pivotel 簽署《諒解備忘錄》，在悉尼與達博之間面積約5 萬平方公里的區域內，采用Nokia 的eNodeB、NEC 的iPasolink 微波技術及Flightcell的機上終端，建設一張ATG 實驗網絡，驗證飛行旅客的連接體驗及公共安全飛行的大數據量通訊。

比較起來，美國的GOGO 和Smartsky 選擇自己建設并運營ATG 地面網絡，其優勢是可以根據需要優化設計、進行必要的升級且決策效率高，有利于保證服務質量。而歐洲主流ATG 廠商則選擇“大聯合”，EAN 選用3GPP 標準，是要充分利用德國電信現有的4G 設施，降低設備與技術的成熟度風險，從而實現快速、低成本的部署和運營。GOGO 和Smartsky 的第一代ATG 地空通訊均使用或部分使用了非授權頻段，GOGO 既有的授權頻段3G/4G 網絡則作為5G 網絡的冗余配置，以提升網絡可靠性[4-5]。EAN 每座4G 地面天線的典型覆蓋距離為100 km，從其宣傳資料上，最長的數據是150 km，而GOGO 則稱最遠可覆蓋300 km。

2 ATG天線的研究進展及本文天線的設計實現

2.1 ATG天線研究進展

目前，關于ATG 技術的應用研究主要聚焦于蜂窩通信，地面天線通常為定向天線。ETS 的Navid 等人設計的ATG地面基站天線為二維板狀天線，利用分扇區的方式進行覆蓋[6]。清華大學張超課題組給出了移動通信基站和ATG 基站共用的設計方案，具體為頂部天線用于ATG 通信覆蓋、下方的板狀天線用于地面的移動通信[7]；同時，該團隊還做了MIMO 天線在ATG 中的相關研究，但研究較為虛擬化，需要結合實際布局做進一步探討[8]。中電科航空電子有限公司和電子科技大學杜曉實等人闡述ATG 天線系統設計的要點、難點，并研究了機載端天線的選項要求，設計了一款滿足LTE 全頻段ATG 航線覆蓋的雙頻雙極化地面端天線單元[9-10]。另外，美國軍方實驗室的Steven D 等人在ATG 通信中利用圓極化的四臂螺旋天線來減少極化損耗[11]。高通公司在專利中給出了采用環形布陣，由多個陣列實現不同高低仰角的覆蓋[12]。GOGO 公司同樣采用多扇區的方法，并獲得了分集增益進而提高系統容量[13]。羅克韋爾柯林斯公司研究了飛機定位、通信塔的選擇以及如何實現需要的波束指向[14-15]。本文給出了基于余割平方波束的Massive MIMO 天線實現方案。

2.2 本例天線覆蓋方案的選擇

與天線對地覆蓋存在多徑衰減不同，對空輻射則可以傳播很遠，ATG 天線的覆蓋范圍可遠達300 km。通常飛機是沿著預先定義的航線，以較固定的高度勻速飛行。如圖4 所示，假設飛機A 的高度H按照固定值10 km，飛機A 相對于地面基站B 從300 km 外飛至距自己15 km的過程中，其連線和地面的夾角ε只需從0°抬升至約30°。為了保證飛機A 能獲得均勻的信號強度，根據三角函數關系和自由空間傳播模型[17]，地面基站B 的增益Gt和ε有如下關系：

圖4 ATG通信覆蓋示意圖

由式(1)可知，地面基站B 的增益和ε的余割平方成正比，按照此公式設計的方向圖稱為余割平方方向圖[18]。因此，地面基站天線只需要形成單波束就能實現較大的覆蓋范圍，這能大大提高ATG 天線的波束賦形效率。

本文中的天線實例是依據實際業務情況采用2.4 GHz頻段開發的垂直極化天線陣，基站采用6 扇區配置，天線在60°范圍內作水平波束掃描；垂直方向上為30°俯仰角的余割平方固定覆蓋。本天線將安裝在山頂、高樓等位置較高的地方，并配有機械裝置調整天線傾角，使得天線能獲得最大的接收功率，因此可忽略地形地貌帶來的影響。為接近水平方向的理論掃描效果，天線設計有校準裝置，以消除各端口幅相與理論值的差異。Massive MIMO 天線的拓撲結構如圖5 所示，x為垂直方向，y為水平方向。16 個1×16 天線陣列形成16 端口Massive MIMO 天線，16 端口從左到右依次命名為P1、P2、……、P16。1 個或多個端口同時工作來接收或發射信號。當在16 端口中同時饋入不同幅度和相位的信號時，可形成16×16 陣列天線。相比MIMO 天線的其他工作狀態，此時可獲得更大的增益。

圖5 Massive MIMO天線拓撲結構

2.3 天線覆蓋方案的設計實現

為在每個子陣列（縱向）取得余割平方輻射方向圖，首先設定余割平方方向圖函數為目標函數，使用原理簡單、參數簡潔和優化速度較快的PSO（Particle Swarm Optimization，粒子群優化算法）[19]，迭代出優選的單元數量及間距以及饋入子陣列中每單元信號的幅度、相位權值。

為了建立陣列天線方向圖和各單元信號的幅相之間的關系，利用等間距點源的直線陣模型作為余割平方方向圖綜合的依據[17]。圖6 為等間距點源的直線陣模型，其歸一化方向圖函數可表示為：

圖6 等間距點源的直線陣模型示意圖

其中，In為第n個陣元的激勵電流復矢量。根據式(2)可知，改變In可以靈活地對陣列天線的方向圖進行賦形。

根據天線增益和電場強度的關系，將式(3) 作為目標方向圖函數。借助于PSO 算法，將陣列天線的實際方向圖函數逼近目標方向圖函數。為此，定義了適應度函數如式(4) 所示。

I1,I2,…,I16為16 個陣元的歸一化的電流幅度，φ1,φ2,…,φ16分別為16 個陣元的電流相位，方向圖函數的權重w1和副瓣的權重w2均設為1，SSL(θ) 為實際方向圖函數的副瓣電平，SSL0(θ)為目標方向圖函數的副瓣電平。

經優化算法結束后，返回16 個陣元的歸一化的電流幅度和相位如表1 所示。

表1 優化后各單元的歸一化電流幅度和相位分布

相應優化后的方向圖如圖7 所示。可見，優化后的方向圖相比目標方向圖，在主瓣范圍內的增益最大差值小于1 dB，旁瓣電平小于-25 dB。因此，筆者認為獲得了余割平方的方向圖賦形，達到了算法的優化效果。

圖7 優化后的方向圖和目標方向圖對比

2.4 陣列天線的仿真與實測

基于以上優化結果，為了驗證上述獲取的各端口幅度、相位權值的準確性，我們利用CST 電磁仿真軟件設計了1×16 陣列天線。首先選擇了尺寸小、相鄰振子互耦合小的交叉饋電微帶天線作為天線單元，然后在饋電網絡中利用威爾金森功分器[20-21]并調整微帶線長度和移相器實現各端口的幅相分配，局部饋電網絡的實物圖如圖8 所示。為了驗證實際效果，對1×16 陣列進行加工和測試。1×16 陣列天線xoz面的歸一化方向圖如圖9 所示，可見，仿真和實測相比，實測方向圖主波束波動略微增加，副瓣電平略微提高，這是因為在實際加工過程中，材料的均勻性、線路加工公差和過孔加工公差等因素都會引起饋電網絡各端口的阻抗失配、相位延遲，進而造成饋電網絡各輸出端口的幅相和仿真有所差異。但本設計天線副瓣小于-20 dB，仍能達到設計要求。

圖8 饋電網絡局部實物圖

圖9 1×16陣列天線xoz面歸一化方向圖

為了實現陣列天線較高增益的波束掃描，根據實際項目的系統需求，將上述1×16 陣列作為子陣在y方向上等間距排列形成16 個端口的MIMO 天線。使用電子移相器將16 個端口同時激勵獲得了合成的方向圖，如圖10～12 所示。在xoz面，方向圖主瓣較仿真波動略微增加，原因在于相鄰子陣之間的耦合以及各端口的幅相激勵和理論值之間的差異；在yoz面獲得了較高增益窄波束的方向圖，MIMO 天線最大增益可達26.4 dBi；在y方向+30～-30°掃描范圍內，天線增益掃描損耗約為1 dB，天線設計達到了預期。實際項目上，為消除系統饋入各端口幅度和相位的誤差，在天線的16 個主潰口加入了校準網絡。

圖10 16端口MIMO天線3D方向圖仿真

圖11 16端口MIMO天線xoz面歸一化方向圖

圖12 16端口MIMO天線yoz面波束掃描方向圖

3 結束語

本文首先介紹了ATG 網絡在國外的進展，然后利用余割平方的基本原理設計了天線的覆蓋方案，并通過方向圖乘積定理和PSO 算法獲得了能產生余割平方波束的初始權值分配。在此基礎上，利用CST 仿真軟件設計了1×16 的陣列天線，并利用威爾金斯功分器和移相器實現了各端口幅相分配，進一步利用1×16 天線子陣設計并實現了具有高增益波束掃描的Massive MIMO 天線。測試結果表明，Massive MIMO 天線在xoz面具有余割平方方向圖，同時在yoz面實現了窄波束高增益方向圖且具有較強的波束覆蓋能力。本設計方案及天線已經過業界的實用性驗收，為ATG 通信天線的設計提供了參考案例。