張軍

1. 引言

航空運(yùn)輸是國家或地區(qū)重要的戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性和創(chuàng)新性產(chǎn)業(yè)，也是國家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級的驅(qū)動力。航空移動通信系統(tǒng)是保障航空運(yùn)輸系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的核心基礎(chǔ)設(shè)施。隨著全球航空運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，空中交通管制（air traffic control, ATC）、航空公司運(yùn)行控制（airline operation control, AOC）、空中旅客通信（airline passenger communication, APC）等航空業(yè)務(wù)對地空通信系統(tǒng)的通信能力提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)航空通信系統(tǒng)受限于技術(shù)體制、航空應(yīng)用壁壘等因素，通信效率不高、傳輸速率有限，難以滿足不斷增長的大帶寬、高可靠、廣覆蓋的航空多樣化通信業(yè)務(wù)要求。推動航空移動通信由窄帶向?qū)拵У陌l(fā)展已成為建設(shè)現(xiàn)代化航空運(yùn)輸系統(tǒng)、保障航空運(yùn)行安全、提高航空運(yùn)行效率、改善航空服務(wù)質(zhì)量的必然選擇，也是國際航空業(yè)界形成的共識。

近年來，以5G/B5G通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代寬帶通信技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展，為航空移動通信系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步帶來了新的可能。與其他領(lǐng)域的通信系統(tǒng)相比，航空移動通信系統(tǒng)作為保障航空器安全高效運(yùn)行的核心手段，在技術(shù)需求、業(yè)務(wù)場景、政策環(huán)境等方面具有自身的特點(diǎn)，發(fā)展航空寬帶移動通信系統(tǒng)面臨著自有的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文將結(jié)合航空通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析航空通信系統(tǒng)寬帶化所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的技術(shù)對策，在此基礎(chǔ)上提出空天地一體化新一代航空移動通信系統(tǒng)的構(gòu)想，并給出未來發(fā)展與應(yīng)用的建議。

2. 航空寬帶移動通信的特點(diǎn)與挑戰(zhàn)

航空移動通信系統(tǒng)具有廣覆蓋、高移動、高可靠、多業(yè)務(wù)、多場景等特點(diǎn)。按照通信區(qū)域可分為機(jī)場場面通信、陸地航路通信和跨洋/偏遠(yuǎn)地區(qū)航路通信，覆蓋機(jī)場場面、起飛、巡航、降落的全飛行階段；按照通信業(yè)務(wù)又可分為ATC、AOC、APC等多種業(yè)務(wù)[1]。

目前機(jī)場場面通信除了地空窄帶通信系統(tǒng)外，還有航空移動機(jī)場通信系統(tǒng)（aeronautical mobile airport communication system, AeroMACS）[2,3]。為提升航路地空通信速率，2009年美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐洲空中航行安全組織（EUROCONTROL）聯(lián)合提出了L波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)（L-band digital aeronautical communication system, L-DACS）的技術(shù)方案[4,5]；面向空中旅客通信服務(wù)，國內(nèi)外也積極開展了基于3G、4G無線寬帶通信技術(shù)的地空通信系統(tǒng)（air-to-ground, ATG）試驗(yàn)驗(yàn)證[6]；國際海事衛(wèi)星組織（International Maritime Satellite Organization, INMARSAT）計(jì)劃在第5代海事衛(wèi)星系統(tǒng)中采用Ka頻段通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球?qū)拵Ы尤敕?wù)。航空寬帶移動通信已成為大勢所趨。然而，發(fā)展航空寬帶通信技術(shù)仍然面臨諸多亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)。

（1）受限帶寬資源的地空高速率通信。航空新興業(yè)務(wù)的出現(xiàn)也對通信容量提出了更高的要求，如智慧機(jī)場大規(guī)模設(shè)備的智能互聯(lián)、機(jī)場場面實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、航班“黑匣子”數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控、機(jī)上旅客上網(wǎng)等。然而，航空通信容量受制于有限的專用頻段，如AeroMACS必須嚴(yán)格限制在5091～5150 MHz有限的頻段下使用，L-DACS寬帶通信技術(shù)的應(yīng)用面臨著頻率資源不足的窘境。在有限的帶寬下如何實(shí)現(xiàn)高速率大容量的信息傳輸，是航空移動通信系統(tǒng)寬帶化首先需要解決的問題。

（2）在高度動態(tài)和復(fù)雜的電磁環(huán)境中安全可靠的通信。航空飛行事關(guān)生命安全，航空移動通信對安全性和可靠性有著極高的要求。然而，航空器起降階段飛行姿態(tài)不斷變化，巡航時(shí)速達(dá)到1000 km，地空無線通信信道時(shí)變快、多普勒效應(yīng)明顯；同時(shí)，航空器有限空間內(nèi)密集安裝了通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等各類無線電設(shè)備系統(tǒng)，一架波音777飛機(jī)至少須安裝30副天線，機(jī)載電磁環(huán)境復(fù)雜，機(jī)載通信存在臨頻、同頻、帶外、互調(diào)等多類干擾問題。因此，航空寬帶通信須解決高動態(tài)飛行、多干擾環(huán)境下的地空高可靠通信技術(shù)挑戰(zhàn)。

（3）全球廣域飛行的低時(shí)延無縫通信。航空器全球飛行航空通信系統(tǒng)應(yīng)具備全球廣域覆蓋能力。同時(shí)隨著國際民航基于航跡的運(yùn)行概念（trajectory based operation, TBO）的提出，要求航空器具備秒級的定時(shí)到達(dá)控制能力，這對指令共享的實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。而航空器與衛(wèi)星或地面通信設(shè)備相距較遠(yuǎn)，如何在航空器高速遠(yuǎn)距離飛行過程中保持連續(xù)的低時(shí)延通信能力，是航空寬帶移動通信系統(tǒng)面臨的另一技術(shù)挑戰(zhàn)。

（4）多場景多業(yè)務(wù)的自適應(yīng)融合通信。有人駕駛、無人駕駛等不同類型的航空器，運(yùn)輸航空、通用航空等不同性質(zhì)的飛行活動，以及ATC、AOC、APC等不同的業(yè)務(wù)，對航空移動通信系統(tǒng)的性能有著不同的要求。如何為不同種類飛行活動、不同業(yè)務(wù)場景下的航空器提供通信性能需求自適應(yīng)的地空通信服務(wù)，是航空寬帶通信系統(tǒng)發(fā)展所需解決的又一挑戰(zhàn)性問題。

3. 實(shí)現(xiàn)航空寬帶移動通信的技術(shù)對策

針對上述航空通信系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，以下關(guān)鍵技術(shù)需要重點(diǎn)突破。

（1）針對受限帶寬資源的地空高速率通信問題，發(fā)展高效頻譜利用技術(shù)。新一代5G/B5G空口技術(shù)如新型調(diào)制編碼、多址技術(shù)[7]，大規(guī)模天線（massive multipleinput-multiple-output, Massive MIMO）技術(shù)[8]，全雙工通信技術(shù)以及智能超表面[9]等無線傳輸物理擴(kuò)圍技術(shù)等，可以有效解決航空通信系統(tǒng)頻譜資源受限的問題；此外，使用通信導(dǎo)航監(jiān)視一體化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)與監(jiān)視、導(dǎo)航頻段的復(fù)用，或可利用認(rèn)知無線電技術(shù)復(fù)用其他頻段的頻譜資源，提升頻譜資源利用率。同時(shí)，由于航空通信系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)靈活、高動態(tài)的特性，傳輸環(huán)境復(fù)雜且具有時(shí)變性，傳統(tǒng)的頻譜分配和接入方案無法保障頻譜的高效利用，機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能（AI）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)頻譜的智能分配，是支持航空通信高頻譜效率的重要候選技術(shù)。

（2）針對高動態(tài)多干擾的安全高可靠通信問題，開展機(jī)載通信抗干擾與適航符合性技術(shù)研究。針對航空系統(tǒng)高動態(tài)的問題，時(shí)頻同步等技術(shù)可提高地空傳輸?shù)目诡l偏能力；基于壓縮感知、小波變換的強(qiáng)脈沖干擾消除等技術(shù)可有效解決復(fù)雜機(jī)載電磁環(huán)境中的抗干擾問題。對于新型航空通信航電系統(tǒng)，亟需突破航電系統(tǒng)的適航安全性、適航符合性驗(yàn)證等基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)[10]，為新型機(jī)載寬帶通信航電系統(tǒng)的研制、適航和驗(yàn)證提供支持。

（3）針對全球廣域飛行的低時(shí)延無縫通信問題，發(fā)展空天地一體化的航空通信系統(tǒng)。航空器空空通信網(wǎng)絡(luò)因其節(jié)點(diǎn)動態(tài)組網(wǎng)、自組織[11]等優(yōu)點(diǎn)，與地空數(shù)據(jù)網(wǎng)和航空移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)等一同構(gòu)成空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，可以支撐實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。空天地一體化信息網(wǎng)[12]架構(gòu)復(fù)雜，涉及天、空、地多個(gè)通信系統(tǒng)，各系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)繁多且能力差異大，因此需要設(shè)計(jì)安全、可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)接口及通信協(xié)議，以確保航空器在系統(tǒng)間切換時(shí)信號的平滑過渡；部分接入節(jié)點(diǎn)移動性較強(qiáng)，因此需要低時(shí)延、高效率、健壯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和靈活的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)機(jī)制以應(yīng)對空基接入點(diǎn)的頻繁切換。

（4）針對多場景多業(yè)務(wù)的自適應(yīng)融合通信問題，攻克航空異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)智聯(lián)技術(shù)。航空移動通信涉及衛(wèi)星通信、機(jī)場場面通信、空地通信等多類型異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，需借助數(shù)字傳感器、智能終端、全息光傳輸與5G、AI等智聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵支撐技術(shù)[13]，設(shè)計(jì)安全、可靠、穩(wěn)定、高效的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通、新舊通信體制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、網(wǎng)絡(luò)切片等5G核心網(wǎng)技術(shù)[14]能夠動態(tài)管理異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源適配不同業(yè)務(wù)需要，提供多類型業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量保障；邊緣計(jì)算、AI等技術(shù)可以優(yōu)化頻譜資源分配、飛行器移動性管理等業(yè)務(wù)，進(jìn)一步綜合提升網(wǎng)絡(luò)性能。

4. 新一代航空寬帶通信系統(tǒng)構(gòu)想

新一代航空寬帶通信系統(tǒng)將基于空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的天基、空基、地基多網(wǎng)融合方案，為航空寬帶通信網(wǎng)絡(luò)全球廣域覆蓋、無縫連接提供技術(shù)支撐。如圖1所示，天基系統(tǒng)包括高中低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；空基系統(tǒng)包括機(jī)載航電系統(tǒng)以及航空器自組網(wǎng)系統(tǒng)；地基系統(tǒng)包括地面通信臺站、機(jī)場場面通信系統(tǒng)等。

新一代航空寬帶移動通信系統(tǒng)能夠滿足飛行各階段的業(yè)務(wù)需求，為航空管制部門、航空公司、機(jī)場、旅客、無人駕駛航空等提供可靠的寬帶數(shù)據(jù)通信與增強(qiáng)服務(wù)，可強(qiáng)有力支撐未來智慧民航系統(tǒng)各類運(yùn)行場景的實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)場場面無人駕駛交通系統(tǒng)、航空器智能滑行引導(dǎo)、旅客無感安檢等智慧機(jī)場的場景，四維精準(zhǔn)定時(shí)到達(dá)、空中交通自主運(yùn)行、有人機(jī)無人機(jī)融合運(yùn)行等智慧空管系統(tǒng)的場景，以及智能飛行駕駛、智慧旅客服務(wù)、智慧物流系統(tǒng)等智慧航空公司的運(yùn)行場景。

5. 發(fā)展建議

縱觀全球科技發(fā)展，新一代通信技術(shù)與航空系統(tǒng)的加速融合發(fā)展將倒逼航空移動通信系統(tǒng)的自我革新與跨代發(fā)展。航空通信在適航性、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化等方面具有嚴(yán)苛要求，新一代航空移動通信系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用須做好頂層設(shè)計(jì)與科學(xué)規(guī)劃。

（1）系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)新一代航空移動通信的未來發(fā)展路徑。鑒于機(jī)載適航性要求等級的差異，寬帶通信新技術(shù)及服務(wù)的應(yīng)用總體上建議遵循“先易后難”的發(fā)展思路：先應(yīng)用于通用航空、無人航空，再過渡到運(yùn)輸航空；運(yùn)輸航空方面先應(yīng)用于航空器客艙、旅客的通信服務(wù)，再過渡到航空器前艙的寬帶安全通信服務(wù)。

（2）加強(qiáng)與國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同規(guī)劃。未來的航空移動通信系統(tǒng)必將依賴于互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星等國家級乃至全球性的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施（spatial information infrastructure, SII）。因此，航空移動通信系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)與空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展建設(shè)進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃，空間基礎(chǔ)設(shè)施的頻率資源分配、空間載荷設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行控制等應(yīng)滿足可用性、連續(xù)性、完好性等航空通信性能需求。

（3）加強(qiáng)國際組織間的協(xié)調(diào)與合作。航空通信新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用必須加強(qiáng)國際組織與國家間的密切協(xié)作，特別是應(yīng)加強(qiáng)國際民用航空組織（ICAO）與國際電信聯(lián)盟（ITU）、國際航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的全球協(xié)調(diào)與合作，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)與優(yōu)化利用航空通信頻率資源，共同制定航空寬帶移動通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用規(guī)則。

圖1. 新一代航空寬帶移動通信系統(tǒng)。