5G移動通信技術(shù)在地空互聯(lián)中的應(yīng)用

楊旭 南京航空航天大學金城學院

1 引言

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

2 地空互聯(lián)現(xiàn)狀

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

衛(wèi)星方案主要采用Ku或Ka頻段衛(wèi)星，利用衛(wèi)星、飛機、衛(wèi)星地面站三者進行數(shù)據(jù)通訊。衛(wèi)星具有廣覆蓋、跨國境的優(yōu)點，非常適合于跨洋、跨國境等國際航班應(yīng)用。但衛(wèi)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(wèi)星方案的推廣應(yīng)用。當前的法國航空、漢莎航空、美國聯(lián)合航空、阿聯(lián)酋航空等提供的地空互聯(lián)方案都是衛(wèi)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(wǎng)及升級維護優(yōu)勢。ATG地面基站方案，主要沿航線部署地面基站，信號主要發(fā)射向天空，專門與飛機進行通信，由于專網(wǎng)專用，依托當前優(yōu)越的地面通信技術(shù)，ATG具備高帶寬的優(yōu)勢，相比于衛(wèi)星通信，使用者具有更友好的上網(wǎng)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(shù)應(yīng)用方面，美國GOGO基于CDMA的EVDO應(yīng)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(shù)的機上互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的首飛及乘客體驗測試。

圖2 ATG地面基站方案實現(xiàn)地空通訊

3 基于5G的衛(wèi)星方案

隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，將衛(wèi)星與5G相融合已經(jīng)成為當前眾多機構(gòu)的重點研究對象。

(1）3GPP

3GPP從R14版本中引入衛(wèi)星與5G的探討，并在衛(wèi)星帶給5G移動通信的優(yōu)勢方面做了重點論述。到了R15版本，3GPP提出了四種架構(gòu)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(wèi)星接入網(wǎng)協(xié)議，并討論了在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)間切換的解決方案。

(2）ITU

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

(3）SaT5G

SaT5G（5G系統(tǒng)中衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)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(wèi)星解決方案。在2019年歐洲網(wǎng)絡(luò)與通信大會上，SaT5G成功演示了一些衛(wèi)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(guān)注，這項技術(shù)運用虛擬化服務(wù)進行內(nèi)容分發(fā)，最終實現(xiàn)了基于5G連接的中軌道衛(wèi)星通信解決方案。

(4）SANSA

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

4 基于5G的ATG地面基站方案

美國基于CDMA EVDO技術(shù)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(shù)，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(wǎng)方案的凍結(jié)，標志著5G已經(jīng)進入可商用階段。與4G通信相比，5G的系統(tǒng)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(shù)據(jù)對比

ATG地面基站方案使用5G的優(yōu)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(shù)，5G的移動性支持的更好（提升了1.5倍）。

5 結(jié)束語

5G時代已經(jīng)來臨，基于5G的地空互聯(lián)除了機上娛樂、機上辦公外，還有更為廣泛的行業(yè)應(yīng)用前景，將來的地空互聯(lián)技術(shù)，必然是衛(wèi)星方案和ATG地面基站方案與5G通信技術(shù)的有效結(jié)合。伴隨著國家產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整、航空公司驅(qū)動、通用航空發(fā)展，地空互聯(lián)業(yè)務(wù)即將迎來發(fā)展熱潮。