機載公眾移動通信技術及發展應用研究

楊 淼，浦 星，戴慧玲

（國家無線電監測中心 北京100037）

1 引言

世界上幾乎任何時間和任何地點都實現了有線或無線等方式的網絡連接。而民用航空具有特定的空間性、時間性和運輸安全性，其網絡連接和覆蓋還未像地面一樣普及。隨著智能手機、平板電腦等便攜終端以及無線接入網絡的迅速發展與滲透，越來越多的人隨身攜帶個性化的通信設備，人們對隨時隨地網絡連接的需求越來越強烈，因此實現機載公眾移動通信十分必要。機載公眾移動通信將能為乘客提供與地面等同的實時互聯網接入、郵件、短信以及網絡電視廣播等服務，各種新的業務應用也將隨之陸續出現。

國外發達國家早已開展一系列研究與試驗，并通過不同的途徑實現了飛機與地面之間的機載公眾移動通信。國際電信聯盟（ITU）等國際標準化組織也開始研究相關的系統和標準。目前，我國也正逐步展開地空基站方式和衛星中繼方式的機載移動通信，并在民航飛機上試驗成功。

2 機載公眾移動通信的技術手段

2.1 組網架構

機載公眾移動通信是通過衛星中繼或地空基站等方式，實現飛機等航空器與公眾電話交換網、互聯網等地面網絡的連接，并且該通信網絡能夠提供一定范圍內連續的覆蓋區域。機載公眾移動通信網絡主要由機上通信系統、地面與機上傳輸鏈路以及地面通信網絡組成，如圖1所示。

圖1 機載公眾移動通信網絡架構

機上用戶終端通過無線或有線方式接入機上通信系統，機上通信系統再通過地面與機上傳輸鏈路接入地面通信系統，從而實現飛機乘客移動終端的語音、數據等業務。這里，地面與機上傳輸鏈路可以通過地空基站通信方式、衛星中繼通信方式以及以上兩種的混合方式實現。

目前實現機載公眾移動通信主要通過兩種方式：一種是在地面架設對天的超高功率基站，另一種是通過靜止軌道衛星或低軌衛星完成通信中繼。

2.2 地空基站通信方式

地空基站通信方式主要依靠特定的地空雙向通信頻段來組建專網，通過在飛行航線的范圍內部署地面超高功率基站對飛機進行無線信號覆蓋，機上乘客無線終端與機上基站連接，然后再通過機載基站與地面基站進行通信，完成飛機與地面網絡的連接，并對機上通信的線路進行集中管理。其網絡覆蓋方式如圖2所示。

地空基站不同于地面移動通信基站，需要考慮以下幾個方面。

（1）大的多普勒頻移

飛機飛行速度比地面蜂窩網內終端的移動速度快得多，因此多普勒頻偏也會相對增大。多普勒頻移計算公式如下：

其中，fd為多普勒頻偏，f為載波頻率，v是移動臺運動速度，c為電磁波傳播速度，c=3×108m/s。當載波為1 800 MHz時，飛機速度為340 m/s，此時的最大多普勒頻移為2 040 MHz。因此，地面基站在搜索接入信號時應考慮到多普勒頻移效應，當飛機從一個基站的扇區切換到另一個基站的某個扇區時，也應考慮多普勒頻偏的差異。

（2）大的小區半徑

地面基站的小區半徑一般為10 km以下，對于密集城區，單個基站的半徑一般為200～500 m。而地空基站的覆蓋范圍一般在200 km以上，因此需要對地空基站的空口進行專門設計。

對于地面地空基站，由于小區半徑增大，在多徑條件下，其時延也相對較大，接入信道多徑搜索時間變長。另外，小區半徑變大，接入信道搜索窗口寬度也應隨之變大。單小區內，兩架飛機最大可能的時間到達差（以碼片計算）如式（2）所示：

其中，R為小區半徑，h為飛機與地面基站之間的垂直高度，Rc為碼片速率，c為電磁波傳播速度。以CDMA系統為例，其典型碼片速率為1.228 8 Mchip/s，當小區半徑為400 km、飛機與地面基站間的垂直距離為1 km時，接入信道搜索窗口寬度不能小于3 277個碼片。

圖2 地空基站覆蓋方式示意

對于飛機上的機載接入終端，由于小區半徑的增大，同樣需要增加鄰接集搜索窗口的長度。此外，對于數據速率控制信息的交互也需要根據小區半徑的增大而進行調整和設計。

（3）天線

地面地空基站天線需要設計獨特的上傾天線，上傾角為11°～13°并具有良好的旁瓣抑制能力，可減少對其他地面系統的干擾。另外，機載天線還要考慮重量和體積以及安裝問題。機載天線可使用MIMO技術和自適應技術來獲得分集增益，提高系統性能。

地空基站方式的機載公眾移動通信與衛星移動方式相比，可以獲得足夠的帶寬和通信能力，保證機上語音、數據、多媒體等多種應用的使用，并且成本相對較低。該方式的缺點是需要重新建立地面基站覆蓋系統，局限于航線經過的陸地區域，在海洋區域則不易進行基站的架設。對于國際航線來說，則需要建立相關國際標準，并且航線途徑國家也采用同樣的覆蓋方式才可實現跨國漫游。

2.3 衛星中繼通信方式

衛星中繼通信方式是由機載通信系統利用相應的衛星頻段對衛星建立通信鏈路連接，再由衛星連接到地面關口站（地球站），通過其提供衛星網絡與地面互聯網、蜂窩移動網等的數據交換，從而完成飛機與地面的通信，如圖3所示。

該方式的關鍵技術之一是機載衛星天線的設計與安裝。機載衛星通信系統屬于高速移動通信，因此需要保證機載天線始終對準中繼衛星，并且在信號丟失后能快速捕獲衛星。在機載衛星通信中，可采用GPS引導天線快速捕獲并跟蹤衛星，或采用單脈沖跟蹤技術來精確跟蹤衛星，這就需要機載衛星通信天線具有自適應選擇方向的功能，保證天線始終朝向中繼衛星。衛星天線的種類和大小，不但和衛星通信系統的傳輸要求有關，而且還與飛機的型號和大小有關。一般來講，衛星系統的傳輸速率越高，需要的機載衛星天線的尺寸越大。而由于飛機承載能力和飛行阻力的限制，機載天線的體積和重量都不宜過大，天線外部需加裝整流罩，減少阻力。

衛星中繼方式也存在多普勒頻移效應，需要增加捕獲帶寬來消除頻差的影響。另外，在滿足一定技術指標的同時，需要注意機載通信設備的小型化；在做鏈路計算和估計時，根據不同的頻率和帶寬，還需要注意云衰、雨衰等特性的影響。

衛星中繼方式的優點是不需要重新建立中繼傳輸系統，覆蓋區域較廣，可實現跨國、跨洲和跨洋的覆蓋。在境外可以通過與外國航空公司簽約的運營商完成衛星和地面網絡的漫游通信。該技術方式的缺點是目前衛星通信系統傳輸信道較少，不能滿足機上任意的通信需求，另外衛星中繼傳輸的成本也較高。

不論使用上述哪種方式都應保證機載公眾通信終端設備與機上其他無線或有線電子系統及設備的電磁兼容性。機載無線電設備除了航空移動業務系統中的設備之外，還包括無線電導航業務和無線電定位業務的無線電系統，例如，儀表著陸系統中的高度表、羅盤、空管雷達應答器等，這些系統使用的工作頻段包括HF、UHF、VHF、L、S、C等。如果不對機載公眾移動通信系統進行充分的電磁兼容分析，就會影響上述系統的正常工作，從而導致飛機飛行安全問題。

此外，由于移動通信系統的不斷演進以及各個國家和地區間的移動通信標準的不統一，導致現存的移動通信制式多種多樣。因此要實現機上不同制式的設備終端通信，就需要進行多制式信號覆蓋。目前，機上覆蓋主要以WLAN技術為主，不論是哪種制式的通信終端都配有Wi-Fi，用戶通過無線局域網實現數據和VoIP的語音服務。

3 機載公眾移動通信的國內外應用情況

3.1 國外應用情況

國外在機載公眾移動通信方面的研究較早，目前，歐洲、美洲和亞洲等地的幾十家航空公司已經安裝了機載移動通信系統，并且均成立了專門的運營公司正式進入商業化運作。

（1）美國

美國聯邦通信委員會（FCC）在美國聯邦法規（CFR）第22.925章節中明確規定，飛行中的航空器上禁止使用移動電話機，主要是擔心手機對地蜂窩信號傳輸有可能對其他航空移動業務產生潛在干擾。但隨著國際上各大航空公司大力推進機載無線通信方面的工作，美國各大航空公司也開展了相關測試或項目，美國聯邦航空局（FAA）和聯邦通信委員會也認可了試航和試運行測試。目前，美國大部分的航空公司都能提供飛機上網服務，主要的機載移動通信服務商有AirCell和Row44等。

AirCell公司能夠提供兩種不同方式的機載移動通信服務，其中Gogo系統是基于ATG（air to ground）的機載移動通信技術，支持cdma2000和Wi-Fi。該系統共建有約300個蜂窩基站，每個蜂窩基站覆蓋半徑為140英里，覆蓋范圍不僅包括美國本土和阿拉斯加的部分地區，還擴展到墨西哥和加拿大的部分地區。該系統地對空頻段為849～850.5 MHz，速率為3.1 Mbit/s，空對地頻段為894～895.5 MHz，速率為1.8 Mbit/s。在飛機起飛和降落過程中，為防止影響飛機電子設備的正常工作，需關閉該服務，只有當飛機達到巡航高度才可開啟該服務。除此之外，AirCell也能通過銥星和國際海事衛星（INMARSAT）系統提供機上通信服務。AirCell已于2013年在第一顆第五代海事衛星上開展全球Xpress衛星服務機上測試，并計劃于2015年第一季度提供Ka頻段機載衛星航空通信服務?；贙a頻段海事衛星機載航空通信將從覆蓋、容量和花費等方面全面提升機載航空通信服務的性能。

Row44公司與全球最大的衛星通信公司休斯公司（Hughes）進行合作，使用機載衛星移動通信技術，在Ku頻段上提供機上Wi-Fi網絡服務。未來，Row44將對其進行技術升級，利用Ka頻段進行機載衛星移動通信。Row44系統有兩條獨立的數據流：一個用于寬帶數據；另外一個用于網絡電視（IPTV），其機載最大的帶寬能達到28 Mbit/s。

（2）歐洲

歐洲民航界也是機載公眾通信的積極倡導者。歐盟委員會在2008年4月已經出臺規定允許乘客在歐盟境內飛行途中打電話、發短信。歐洲電信標準協會（ETSI）也對地空基站方式的機載公眾移動通信系統制定了一系列標準。歐洲提供機上移動通信服務公司主要有瑞士的OnAir公司和英國的AeroMobile公司。

OnAir公司開發的機載通信系統稱為旅客空中通信系統，該系統是基于衛星中繼和GSM網絡實現的。該系統利用海事衛星的寬帶全球互聯網絡（BGAN）開展機艙GSM和Wi-Fi業務。移動電話與機載設備之間的通信頻率使用1 800 MHz制式機載設備，機載設備與海事衛星通信采用L頻段（接收頻段為1 525～1 559 MHz，發射頻段為1 626.5～1 660.5 MHz）。該系統機載通信系統集成了安全功能，在飛機起飛和著陸期間將關閉系統，不允許使用手機等無線終端設備。目前OnAir提供的最高速率為864 kbit/s。預計到2015年，將會采用海事衛星Ka頻段的Global Xpress系統，屆時速率將達到50 Mbit/s。到2013年3月，OnAir公司為16家航空公司提供機上通信服務，覆蓋50多個國家，跨越了五大洲。

英國AeroMobile公司推出的機載衛星移動通信服務主要基于Ku頻段和第四代INMARSAT系統L頻段。與OnAir公司的服務相同，支持GSM網絡、GPRS網絡以及Wi-Fi無線網絡服務。該系統作為松下集團全球通信套件，可以在飛機制造時直接安裝，也可以在飛機出廠后安裝在空客或波音機型上。當飛機飛在6 000 m以上高空時，可以使用該網絡，在飛機起飛降落時不可用。表1為國外服務提供商的情況比較。

總體來講，在歐洲，由于各國領土面積較小且彼此相鄰，飛機航線一般多為國際航線，機上移動通信主要以衛星中繼的方式為主。在美國，由于其地域比較寬廣，國內航線較多，機載移動通信以地空基站通信方式為主，而國際航線則以衛星中繼方式為主。從衛星中繼解決方案看，目前機上通信使用的衛星可分為同步地球軌道衛星和低軌道衛星兩種，具體包括海事衛星、美國衛訊衛星、歐洲通信衛星、國際通信衛星和銥星等，采用的頻段主要有L、Ku、Ka等頻段。

表1 國外服務提供商的情況比較

3.2 國內現狀

出于對安全的考慮，我國嚴格禁止飛機上使用手機等無線電子設備。然而，隨著機載移動通信技術和國外飛機上網業務的發展，一方面，國外航空公司已提出利用中國衛星及地面網絡為其進入中國領空的飛機提供機載衛星移動通信的要求；另一方面，工業和信息化部也立項對我國開展民用航空機載公眾移動通信的可行性進行研究，結果表明，飛機上打電話、上網的技術條件基本成熟，具有一定的可行性。因此，國內的機載移動通信產業也開始發展。

在地空基站通信方面，民航地空寬帶通信系統關鍵技術研究已被科技部確認為2012年國家科技支撐計劃“航空信息系統關鍵技術研究與應用示范”的“新一代空地寬帶無線航空通信系統關鍵技術和系統”子項。該項目采用專門的FDD-LTE宏蜂窩網絡結構，沿飛行航路架設地面基站，向在不同高度層中飛行的飛機提供30～60 Mbit/s的寬帶無線數據傳輸通道，試驗頻率為962～975 MHz頻段（基站接收）及1 037～1 057 MHz頻段（基站發射）。該頻段在中國內地的劃分是：主要劃分為航空無線電導航業務，次要劃分為沿航線的航空移動業務。而航空移動業務對該頻段的使用，根據《無線電規則》腳注5.327A，僅限于根據公認國際航空標準運行的系統。由于工作在UHF頻段，每個基站的覆蓋可達200 km，約用300個基站就可以覆蓋全部國內航線。

目前，民航地空寬帶通信系統前期研制工作已基本完成，并于2011-2012年，在國航的波音737-800客機上成功完成了綿陽—廣漢—南充及成都—西安航線飛行試驗，實現了機上通信、上網、視頻等功能，且效果良好。國航也成為了該系統國內首家獲得民航總局運營許可的航空公司，并將逐步在全機隊推廣機上無線局域網。

在衛星中繼方面，2013年7月，中國國際航空從北京飛往成都的CA4109航班進行了我國首次全球衛星通信互聯網航班體驗飛行活動。國航采用海事衛星，通過機上的無線裝置傳輸到衛星，再從衛星傳輸到地面的接收站，并接入互聯網。這一技術的最大優勢是覆蓋面廣，不過帶寬較窄，只有864 kbit/s，屬于窄帶通信。除了國際的通信衛星之外，還可以使用中國的衛星資源，如中國衛通的Ku波段衛星（FSS業務，10.7 GHz／14.5 GHz）來完成機載公眾移動通信的衛星中繼。

總體來看，我國的民用航空機載移動通信剛剛起步，兩種主要的技術手段（地空基站方式和衛星中繼方式）都處于試驗階段，還未大規模應用。我國作為一個幅員遼闊、民用航空發達的國家，此業務的需求非常巨大。截至2012年年底，我國共有定期航班航線2 457條，全行業在冊運輸飛機1 800余架。如果能夠使公眾移動通信與民用航空相結合，將能形成包括生產和運營等方面的產業鏈條，具有一定的社會效益。

4 結束語

機載公眾移動通信是近年來逐步興起的一種無線電新應用。它實現了乘客在飛機上的通信。目前，機載公眾移動通信主要通過地空基站和衛星中繼兩種方式實現。這兩種方式各有優缺點，并形成一定的互補。較早推出飛機上網服務的是美國，隨后歐洲也開始興起。美國同時采用地空基站和衛星中繼兩種方式，而歐洲主要采用衛星中繼方式。我國目前也在積極地開展機載公眾移動通信的試驗。我國環境類似于美國，地域廣闊，在國內航線部分，由于國內航線比較集中，適合以成本較低的架設地空基站通信的方式為主；在國際航線部分，由于地空基站的局限性，可以采用衛星中繼通信的方式。

從無線電臺（站）的設置看，地空基站屬于基站，機載地空通信終端設備屬于航空器電臺，而機載衛星移動通信終端屬于航空器地球站。在我國，涉及上述電臺設置的法律法規主要有《中華人民共和國無線電管理條例》、《中國民用航空無線電管理規定》和《無線電臺執照管理規定》等。若設置機上衛星固定業務的航空器地球站，還要遵行工業和信息化部的《建立衛星通信網和設置使用地球站管理規定》和《衛星固定業務通信網內設置使用移動平臺地球站管理暫行辦法》。

從機載公眾移動通信的頻率使用來看，衛星中繼方式一般使用國際上劃分的衛星移動業務頻段。地空通信方式在國際上還沒有統一的頻率劃分，美國使用850 MHz頻段，日本則使用40 GHz頻段進行試驗，我國目前的試驗頻段處于960～1 164 MHz頻段，而該頻段沿航線的航空移動業務屬于次要劃分。

隨著我國民用航空的快速發展，民航飛機數量、航線里程以及乘客數量都將增加，飛機上網的需求也會激增，發展機載公眾移動通信業務會帶來巨大收益。而在發展機載公眾移動通信系統的同時，也需要對該系統在用頻段和設臺等方面做充分考慮，進行系統間和系統級的兼容共存研究，制定詳細的標準和法規，以確保航空飛行的安全。

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