航空移动通信发展：从窄带到宽带，技术策略与成本法

工程7（2021）431意见和评论航空移动通信：从窄带到宽带张军a，ba北京理工大学，北京100081bCNS/ATM国家重点实验室，北京1001911. 介绍航空运输是国家或地区经济发展和产业升级的动力，而航空通信系统（ACS）是航空运输系统（ATS）的核心基础设施，保证安全和高水平的效率。随着全球ATS的快速发展，包括空中交通管制（ATC）、航线运行控制（AOC）和航空旅客通信（APC）在内的各个航空领域对航空通信能力提出了更高的要求。然而，由于技术落后和应用障碍，当前ACS在效率和数据速率方面已经达到其理论极限，从而无法适应诸如大带宽、高可靠性和全球覆盖等多样化航空通信业务的激增需求。根据全球航空界的共识，推动ACS从窄带向宽带发展已成为现代ACS建设的必然选择，也是航空运营安全、效率和服务提升的必要条件。近年来，随着无线移动通信技术创新的快速发展，如第五代（5G）或5G以上无线通信、卫星通信以及人工智能（AI）技术，未来ACS范式转变有了新的可能性。作为保障飞机安全高效运行的关键手段，ACS与其他通信系统相比，在技术需求、业务场景、策略等方面具有典型的特点。因此，航空宽带通信（ABC）的发展具有特定的挑战。本文分析了ABC系统发展的主要障碍，提出了ABC系统发展的技术策略，提出了基于空-空-地一体化网络思想的新一代ABC系统的概念。并对新一代作业成本法的发展和应用提出了建议。2. 作业成本法的特点和障碍ACS是一种定制的移动通信系统，具有全球覆盖、高水平的移动性和可靠性以及多样化的服务和场景等显著特征。一方面，根据图形设想，空中交通管制系统分为三类：机场区域的空中交通管制系统;大陆区域的空中交通管制系统;海洋或偏远区域的空中交通管制系统这三个类别涵盖了所有飞行阶段，包括滑行、起飞、途中、着陆和停车。另一方面，ACS提供的通信服务通常分为ATC、AOC和APC等[1]。目前，航空移动机场通信系统（AeroMACS）提供宽带服务，并且是用于机场通信的空-地窄带通信系统的替代方法[2，3]。为了进一步提高航路数据速率，美国联邦航空管理局和欧洲航空控制局联合提出了L波段数字航空通信系统（LDACS）[4，5]。此外，为了为舱内通信提供稳健的数据服务，已经对基于3G/4G无线宽带技术的空对地（ATG）通信系统进行了积极的测试和验证[6]。此外，国际海事卫星组织计划在5G海事卫星系统中使用Ka波段通信卫星综上所述，新一代ABC是不可阻挡的趋势。然而，许多技术挑战仍有待解决，以使ABC取得成果。(1) 有限频谱资源下的高速率ATG通信。智慧机场大规模设备智能互联、机场实时视频监控、机上飞行数据记录仪实时数据采集监控、旅客机上互联网服务等新兴航空相关业务对通信能力提出更高要求。然而，有限的专用频谱限制了航空通信容量。例如，分配给AeroMACS的频带为5091https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.02.0022095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engJ. 张工程7（2021）431432·频率资源。因此，如何在有限的带宽下实现高速率、大容量的数据传输成为ABC首先要解决的问题(2) 在高度动态和复杂的电磁环境中实现安全可靠的通信。空中交通与旅客的人身安全密切相关，因此ACS对安全性和可靠性有着极其严格的要求。然而，飞机的飞行高度在起飞和着陆阶段不断变化，巡航速度高达1000 km h-1。因此，我们认为，ATG通信信道状态变化快，多普勒效应明显。此外，在每架飞机有限的空间内，密集地安装着各种具有通信、导航、监视等功能的无线电设备。例如，一架波音飞机至少需要安装30个天线777飞机。因此，空中电磁环境是复杂的，产生了诸如相邻信道、同信道、带外和互调干扰等问题。如何在高度动态和复杂的电磁环境中支持可靠的ATG通信是ABC需要解决的另一个挑战性问题。(3) 全球广域航班的低延迟无缝通信。ACS应具有全球飞机飞行的全球广域覆盖能力。此外，四维空间协同作战概念的引入，要求飞行器具有秒级精度的时间控制能力然而，在巡航期间，飞机远离卫星或地面通信基础设施。因此，如何在高速长距离飞行期间保持(4) 多场景多业务自适应融合通信。有人和无人机等不同类型的飞行器，商用航空和通用航空等不同类型的飞行活动，以及ATC、AOC和APC等不同应用混合在一起，对ABC产生了多样化的性能要求。因此，如何在各种类型的飞行活动和业务场景下提供具有自适应性能要求的通信服务的问题是ABC中的另一个开放问题。3. 新一代作业成本法解决上述影响ABC的挑战的有前景的技术在一定程度上详细地提炼如下。(1) 发展高效的频谱利用技术，解决有限频谱资源下的高速率ATG通信问题。新一代5G/beyond 5G空中接口技术-包括新兴的调制、编码和多址技术[7];大规模多输入此外，通信、导航和监视的集成使得能够在通信、导航和监视系统之间进行频谱此外，认知无线电允许充分利用任何空闲频谱，以提高频谱效率。然而，由于ACS的灵活性和动态特性，传输环境复杂且时变，使得传统的频谱分配和接入方案难以确保有效的频谱利用率。为了解决这个问题，机器学习等人工智能技术可以实现智能频谱分配，这是支持ABC高频谱效率的一个有前途的候选者。(2) 开展抗干扰和适航合规技术研究，应对高动态复杂电磁环境下安全可靠通信的挑战为了解决ACS中高动态环境的问题，时频同步技术可以使ATG通信抗频偏基于压缩感知和小波变换的强脉冲干扰消除技术可以有效地解决复杂机载电磁环境下的抗干扰问题。对于新一代航空电子系统而言，突破适航符合性验证和认证的基础理论和关键技术，是发展机载宽带通信航空电子系统的必要条件[10]。(3) 发展空-空-地一体化ACS，解决全球广域飞行中的低延迟、无缝通信问题。利用动态组网、自组织等优势[11]，飞机空对空通信网与ATG数据网、航空移动卫星通信系统可以形成空-空-地一体化网络，支持全球无缝覆盖。空-地-空一体化网络[12]具有复杂的体系结构，包括空间、空中和地面的多个每个系统包括许多具有不同功能的节点。因此，设计安全、可靠、高效的网络接口和通信协议，保证飞机在系统间切换时信息在不同系统间的顺利传输是非常必要的。有些节点是高度动态的;因此，低延迟、高效率、鲁棒的网络结构和灵活的节点组网机制对于处理基于空间的接入节点的频繁切换是重要的。(4) 设计异构航空联网智能技术，克服多样化场景和业务自适应融合问题。ABC系统涉及多种类型的异构通信网络，例如卫星通信、机场地面通信和ATG通信。利用数字传感器、智能终端、全息光传输以及5G、AI等智能组网关键技术[13]，设计安全、可靠、稳定、高效的网络接口，实现异构网络互联互通和新旧通信系统之间的协议转换。5G核心网技术[14]如网络功能虚拟化、网络切片等技术可以动态管理异构网络资源，以适应不同的业务需求，满足不同的服务质量要求，而边缘计算、人工智能等技术则可以进一步全面优化飞机机动性管理等业务。4. 新一代ABC系统新一代ABC系统将通过建立在空-空-地一体化网络基础上的天基、空基和地基平台一体化方案，提供全覆盖和无缝连接的服务。如图1所示，天基平台由高/中/低地球轨道卫星网络组成。空中平台包括机载航电系统和航空自组网，地面平台包括地面站、空港通信系统等。新一代ABC系统预计将满足所有飞行阶段的要求。 它应该为空中交通管制员、航空公司、机场、乘客和无人驾驶航空系统提供可靠的宽带数据链路和增强的应用，J. 张工程7（2021）431433Fig. 1. 新一代作业成本法的体系结构。A2 A：空对空; ATM：空中交通管理; C2：指挥和控制。他人此外，它旨在支持未来各种场景下智能民航的实现这些场景包括：①智能机场，包括无人机运输系统、智能滑行引导系统和旅客无感安检;②智能ATC，包括四维航班准点到达、自主空中交通运行和有人/无人机一体化运行;③智能航空公司，包括智能驾驶、智能旅客服务和智能物流系统。5. 结论和建议纵观全球技术发展，新一代移动通信技术在ACS中的加速融合将促进ACS的自我更新和跨代发展。本文强调指出，航空控制系统对适航性、安全性和标准化要求极高，需要对未来新一代航空控制系统的研制和应用进行相应的顶层设计和科学规划。(1) 设计新一代作业成本法的发展路径。由于适航性要求的不同层次的差异，建议采用ABC服务遵循一种逐步的方法，即从较容易的任务开始，然后再进行较困难的任务。特别是，ABC服务预计将首先应用于通用航空和无人驾驶航空，然后是运输航空。在运输航空领域，应部署ABC，在用于客舱前安全关键通信服务之前，为乘客提供客舱内非安全关键通信服务。(2) 加强与空间信息基础设施的协同规划。新一代ABC系统将依赖于国家级甚至全球级的空间信息基础设施，如互联网卫星。因此，新一代农业银行的发展应与SII的建设此外，频谱资源在新一代ABC中，要处理好SII的布局、空间承载设计和系统运行控制，以满足其可用性、连续性和完整性的要求(3) 加强国际组织间的协调与合作新一代ABC的开发和应用需要国际组织和各国加强合作。特别是国际民用航空组织、国际电信联盟和国际航空标准化组织之间的合作对于协调和优化航空通信频谱资源以及制定新一代ABC的技术标准和法规引用[1] 国际民用航空组织。民航组织民用航空无线电频谱要求第2版蒙特利尔：国际民航组织;2018年。[2] 国际民用航空组织。航空移动机场通信系统手册蒙特利尔：国际民航组织; 2019年。[3] 作 者 ： J. 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