L 波段數字航空通信系統研究

朱永文，喻蘭辰暉

（1.空軍研究院，北京 100085；2.北京航空航天大學電子信息工程學院，北京 100191）

航空通信系統是航空運輸系統的核心基礎設施，是確保航空運輸安全高效運行的基本要素。根據國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）對地空通信業務量的統計，2020 年全球范圍內航空話音通信的業務量達到16.2 Merl（百萬愛爾蘭），數據通信的業務量接近577 000 Gb，平均每架飛機的數據傳輸速率約為10 Mb/s。隨著全球航空運輸的快速發展，空中交通管制（Air traffic control，ATC）與航空公司運控（Aeronautical operational control，AOC）等空中交通服務（Air traffic service，ATS）對航空通信能力提出了更高的需求。雖然現階段基于窄帶甚高頻（Very high frequency，VHF）的航空通信系統已經得到了迅速發展和大規模應用，但仍無法適應航空通信業務大帶寬、高可靠、高速率、全覆蓋等日益增長的發展需求。因此，推動航空通信系統由窄帶向寬帶發展，大力推進新一代航空通信系統的技術研究與發展，已經是全球現代航空通信系統建設的必然選擇，是全球航空業發展的統一共識［1-2］。

早在2002 年，美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）與歐洲航行安全組織（European Organization for the Safety of Air Navigation，EUROCONTROL）已經開始為下一代航空通信系統聯合開展組織研究工作。2005 年，ICAO 航空通信專家組開始規劃面向未來ATC 的移動通信系統，同時美國聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）和EUROCONTROL 也聯合發起了“未來通信研究計劃”。根據民航地空寬帶通信系統頻率規劃現狀，建議未來寬帶航空通信系統部署在L 波段的航空無線電導航頻段。2007 年國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）在世界無線電大會上，通過了對航空寬帶通信系統頻率資源的部署決議：將航空移動通信系統（L-band digital aeronautical communications system，L-DACS）部署在L 波段（890～1 164 MHz），以及將機場區域的寬帶航空移動通信系統（Aeronautical mobile airport communications system，AeroMACS）［3-4］部 署 在C 波 段（5 091～5 150 MHz）。AeroMACS 系統主要應用在機場場面區域，而L-DACS 系統主要用于終端區、高空航路空域。這兩項航空寬帶技術均作為支撐未來四維航跡運行的重要基礎［5］。如圖1 所示，依據通信對象可以將L-DACS 數據鏈劃分為空對地（Air to ground，A/G），空對空（Air to air，A/A）兩種類型。

圖1 L-DACS 數據鏈示意圖Fig.1 L-DACS data link schematic diagram

隨著航空運行服務能力需求的不斷提升，ACARS 和VDL Mode 2 將 無 法 滿 足 未 來ATC 及AOC 的運行需求［6］。ICAO 所發布的航空組塊升級 計 劃（Aviation system block upgrades，ASBU）（圖2）明確提出在組塊2 初始階段，需要民用航空寬帶數據鏈逐漸替代現有的窄帶VHF 數據鏈，以提升航空通信能力，滿足日益增長的通信服務需求。

圖2 2013—2028 ASBU 通信組塊路線圖Fig.2 2013—2028 technology roadmap of communication block in ASBU

為促進中國民航空管系統的發展建設，中國民用航空管理局（Civil Aviation Administration of China，CAAC）在2016 年發布了中國民航空管關于未來發展的中長期戰略綱要——《中國民航空管現代化戰略》（Civil Aviation ATM modernization strategy，CAAMS），并 于2020 年3 月 頒 布 了CAAMS 實施路線圖［7］，明確指出未來通信導航監視朝著高性能、高精度和空天地一體化方向發展，航空通信呈現出飛行全階段地空通信寬帶化的趨勢；在重點任務中提出了完善通信基礎設施和通信服務的要求，將開展航路L-DACS 寬帶通信技術的試驗與應用作為中遠期目標之一。2021 年4 月CAAC 印發了《中國民航新一代航空寬帶通信技術 路線圖》［8］（圖3），明確 提出了未來開展基于L-DACS 標準、實施、應用的探索和研究，需要推進5G L-DACS 2.0 技術的空管業務應用示范，要求在2031 年后能夠實現航空寬帶通信的全面應用，支撐新型基礎設施建設。推進新一代寬帶通信技術在民航中的應用，將為民航行業高質量發展提供有力保障，有效促進智慧民航的新技術發揮作用。表1 重點列出了L-DACS 系統相關的綜述論文、學術論文、研究報告以及發展規劃。

表1 重要參考文獻匯總Table 1 Summerization of critical literature

圖3 中國民航新一代航空寬帶通信系統應用實施路線圖Fig.3 Technology roadmap of China civil aviation new generation aviation broadband communication

1 L-DACS 發展現狀

未來空中交通管制的運行概念是以航空器與ATC 地面系統的可靠數據通信為前提，向飛行員與管制員提供航班意圖信息、運行態勢信息以及實時管制指令信息等。L-DACS 不僅可以在安全通信的基礎上保證通信服務質量，而且可以滿足AOC 對大帶寬、高吞吐量的需求，也能夠實現大數據量信息的可靠傳輸，進而有助于實現基于航跡運行、數字化管制、高清監視信息實時共享等運行服務。對于ATC，L-DACS 是將航空器集成到廣域信息管理平臺（System wide information management，SWIM）先決條件，有利于促進管制信息的高效共享；對于航空公司，可以提升航空器機載運行數據、發動機運維數據的傳輸效率，能夠高效地支撐機隊管理方式，減少航空器的周轉時間，提高航司的經濟效應。

1.1 L-DACS 系統技術演進

由于使用VHF 通信信道的航空數據鏈系統存在帶寬受限的問題，國際將航空寬帶通信系統的技術發展轉向了L-DACS 的研究。最初的工作是集中在對VHF 數據鏈波形的研究上，期望通過小幅度變更的方式改進已經部署的數據通信系統，以達到提升帶寬，增強通信能力的目的。此項技術被稱作寬帶甚高頻數據鏈（Broadband VHF，B-VHF）［16］然而經過一系列實驗驗證之后發現：維持甚高頻頻段的使用，部署應用B-VHF 通信系統具有明顯的約束性。因此，在由FAA 與EUROCONTROL 聯合實施的行動計劃AP17 中，給出了L 波段是最適合支撐未來航空通信運行需求波段的結論，在此基礎上L-DACS 數據鏈技術的發展開始持續推進。由于目前的技術研究、試驗驗證與標準制定均針對L-DACS A/G 通信發展，L-DCAS A/A 尚處于初步探索階段，后文L-DACS 均 代 表L-DACS A/G 系 統。

L-DACS 系統分為多載波-L-DACS1 與單載波L-DACS2 兩個完全獨立的候選版本方案［17］。從兩個地空數據鏈方案的發展脈絡（圖4）可以看出，它們均是由現有的通信系統演化而來，但各自具備不同的技術特點與實施方式。L-DACS1 系統技術是基于B-VHF 技術，在AP17 后期階段，將前期研究關于可擴展的B-VHF 技術進行調整，遷移至L 波段的960～1 164 MHz 之間的頻段范圍進行研究。L-DACS1 系統采用基于正交頻分復用（Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）的多載波調制傳輸，雙工方式采用頻分雙工（Frequency division duplexing，FDD），前向鏈路（Forward link，FL）和反向鏈路（Reverse link，RL）傳輸帶寬均為500 kHz。基于所采用的自適應編碼調制技術（Adaptive modulation and coding，AMC），可以支持QPSK、16QAM、64QAM 的調制方式，進而實現了FL 傳輸速率為303～1 373 kb/s、RL 傳輸速率為220～1 038 kb/s。而L-DACS2 則是以全球移動通信（Global system for mobile communications，GSM）系統為基礎，采用單載波調制傳輸，調制方式為高斯最小頻移鍵控，雙工方式為時分雙工（Time division duplexing，TDD），在200 kHz 傳輸帶寬條件下傳輸速率為270.833 kb/s。相較而言，L-DACS1 比L-DACS2 具有更高的頻譜效率，具備更強的干擾抵抗能力。因為L-DACS1 采用了AMC 技術，能夠根據信道環境中噪聲和干擾模式，依據實際的信道狀態分別對各子載波采用不同的調制模式以適應通信環境，而L-DACS2 則難以適應高動態的信道環境［18］；L-DACS1 的FDD 特性使其更適合語音和數據傳輸，而L-DACS2 的TDD特性則不適合語音傳輸，難以有效支持數字化管制的通信需求；L-DACS1 幀格式的設計中，循環前綴和子載波間隔需要進一步分析，以適應遠距離和高速度的航空器航行狀態下的通信需求。

圖4 L 頻段地空數據鏈發展脈絡Fig.4 Development process of L-band air-ground data link

在世界無線電大會上雖然確定了將L 波段的960～1 164 MHz 頻段分配給新一代航空通信系統使用，但該波段已經由測距儀（Distance measuring equipment，DME），二次監視雷達（Secondary surveillance radar，SSR），多功能信息分發系統（Multifunction information distribution system，MIDS），聯合戰術信息分發系統（Joint tactical information distribution system，JTIDS）等航空系統占用，如圖5所示。GSM 系統與L 波段的低頻段緊鄰［19］；DME系統占用960～1 213 MHz 頻段，無論工作在X 模式或Y 模式，單DME 設備運行帶寬為1 MHz，載頻間隔為1 MHz。JTIDS 部署在969～1 206 MHz頻段，采用跳頻技術分布在51 個頻道內［9］。對于L-DACS 系統，嚴格要求不可與上述系統產生相互的干擾，在不變更頻譜資源分配方案的情況下僅能使用L 波段的剩余頻譜資源進行部署應用［20］。

圖5 L 波段資源使用情況Fig.5 L-band frequency resource utilization

因此，在頻譜資源飽和的前提下安全高效地部署L-DACS 系統是航空寬帶通信系統發展的重要難題。L-DACS1 提出了以頻率嵌入的方式部署在DME 系統頻段之間的技術方案，并且為實現頻譜的有效利用，在FL 與RL 之間設定了確定的頻率間隔。L-DACS1 與DME 的工作頻帶與系統帶寬接近，并且正常運行狀態下DME 信號傳輸功率遠高于L-DACS1 信號。研究表明，對于任意功率的DME 干 擾 信 號，單 個L-DACS1 符 號 受 到DME 脈沖信號干擾的概率接近90%，甚至在最嚴重情況下DME 信號能夠產生23.5 dBm 干擾影響。因此，解決與DME 系統之間嚴重干擾的難題是L-DACS1 系統的關鍵性技術需求。在L-DACS1系統的官方定義建議書中提出了采用擦失譯碼、過采樣和脈沖消隱3 項技術來抑制DME 干擾［10-11，21］，建議通過過采樣與其余2 種技術結合，以4 倍采樣頻率消除殘帶外干擾。

進一步的試驗研究表明，L-DACS1 系統不僅具有抗多徑能力強、傳輸容量大，拓展性靈活的明顯優點，也可以通過合理配置OFDM 系統的子載波以及頻帶劃分方式帶來高頻譜效率的優勢。L-DACS1 系統以內嵌方式部署在L 波段內，能夠在不同通信條件下調整可用信道資源，以低干擾的方式與原L 波段的其他航空系統共存，且不需要對現行L 波段的頻率劃分進行重新分配，而L-DACS2 系統在這方面存在明顯的技術限制［22］。

L-DACS1 系統獲得航空領域的廣泛關注，已經成為國際民航未來寬帶航空移動通信的重點研究方向。經過大量的實驗室環境試驗與飛行試驗驗證，L-DACS1 已經從兩項備選方案中脫穎而出，于2015 年確定成為航路運行階段航空寬帶通信技術發展的主要系統［12］。后文L-DACS 系統均代表L-DACS1 系統。截至目前，L-DACS 通信系統的能力已經逐步趨于成熟，現階段仍主要以技術的飛行試驗驗證為主［13，23］，但由于無標準規范的原因，沒有進入大規模部署應用的階段。

1.2 L-DACS 標準制定進展

目前階段，國際組織尚未發布L-DACS 相關的標準與法規。通常來講，作為部署、應用與實施L-DACS 系統的先決條件，需要由不同的國際標準化組織制定相關的技術標準，涵蓋頻譜資源分配、無線電信號特性、航電設備性能以及基礎設施運行要求等。基于已經部署使用的通信系統，ICAO 已經發布了L-DACS 系統的白皮書［14］，各個國際組織已經開始推進L-DACS 的標準化進程［24］：

（1）ICAO 的通信小組，在2018 年的項目組“地面數據鏈路”中草擬了L-DACS 的運行標準，并于2020 年底制定了初步的技術指導手冊。目前于2021 年完成了標準與建議措施（Standards and Recommended Practices，SARPs）文 件，計 劃 最 終定稿于2026 年并完成標準發布。

（2）歐洲民用航空設備組織（The European Organization for Civil Aviation Equipment，EUROCAE）圍繞L-DACS 技術的功能、設備與系統等重點內容，計劃發布涵蓋L-DACS 系統設備功能的最低運行性能標準（Minimum operational performance standards，MOPS）以 及 覆 蓋L-DACS 系 統運行性能的航空系統性能最低規范（Minimum aviation system performance standards，MASPS）。目前該組織已經與航空無線電技術委員會（Radio technical commission for aeronautics，RTCA）聯合完成了ATN B2 服務的性能與描述文件，正在進行制定面向ATN B3 的描述文件。現階段EUROCAE 聯合RTCA 已經啟動了針對L-DACS 標準化的項目，并確立了持續推進標準化制訂工作的小組。然而需要明確的一點是：EUROCAE 針對L-DACS 技術的標準制定，需要基于ICAO 所開展的L-DACS 標準化工作，因此EUROCAE 標準化進程將整體稍晚于ICAO 的工作進展情況。

（3）航空電子工程委員會（Airlines Electronic Engineering Committee，AEEC）計劃開展ARINC航電標準的研究工作，包含L-DACS 航電設備的架構組成、基本功能、適航能力等方面的內容，該標準的制定有利于促進L-DACS 機載航電設備在航空器上集成應用的進程。然而就目前數據鏈技術的發展階段而言，進行L-DACS 航電設備研發生產標準的制定尚早，因此國際建議需要由ICAO 與EUROCAE 的L-DACS 標準制定工作取得一定進展，待所擬定標準修訂程度已經處于較為成熟的階段之后，再由AEEC 進行ARINC 航電標準的制定工作。

2 L-DACS 系統技術

通過螺旋上升的演進方式推進L-DACS 的技術發展，可以有效地應用L-DACS 高容量帶寬的優勢以補充現行部署應用的通信系統。從長遠的角度來看，當L-DACS 的地面基礎設施部署完備之后，可以實現VDL 模式2 向L-DACS 的過渡，最終可以將VHF 的頻譜資源釋放，用于其他航空應用。目前L-DACS 系統的技術標準是由EUROCONTROL 進行主導，聯合荷蘭航空航天中心與德國宇航中心等機構進行技術方案設計、仿真實驗驗證與飛行試驗驗證后所確定的［15］。下文將介紹L-DACS 基于OSI 體系的網絡層、鏈路層與物理層。

2.1 L-DACS 系統網絡層

L-DACS 接入服務網絡（L-DACS access service networ，LDAN）定義為向L-DACS 系統的用戶（即航空器）提供無線電接入所需功能的完整網絡［25］。LDAN 需要具備的功能包括：（1）建立并保持L-DACS 機載端通信電臺和L-DACS 地面站（Ground station，GS）之間的通信連接；（2）將航空器的認證、授權與記賬（Authentication，authorization，accounting，AAA）消息傳遞至航空電信網絡的地面管制終端，進而向航空器提供AAA 服務；（3）航空器能夠在ATN 中進行發現和選擇，實現首選網絡服務提供方（即IP 地址分配）的決策，以及建立網絡層連通性的中繼功能；（4）進行頻譜資源的管理與配置。除了上述必須的功能外，對于動態變化的移動環境，地面控制站（Ground control station，GCS）應支持LDAN 移動性、位置注冊登記和與AAA 服務器接口等基本功能。

對于LDAN 網絡的構成元素，包含一個或多個L-DACS 地面站與一個地面控制站。不僅單個的LDAN 可以由多個通信服務提供方進行數據的信息共享，也可以通過接入網間的連接實現多個LDAN 間的數據交互。

圖6 為L-DACS 接入網絡架構的示意圖。可以看出，L-DACS 地面網絡參考模型包括：地面站、GCS、AAA 服務器、網絡接入和A/G 路由。對于地面部分，參考點G1 表示為由地面站與地面控制站之間的控制協議與用戶平面協議集的集成信息，包含LDAN 內的數據路由信息，數據路徑建立、修訂與釋放的控制信息以及與航空器運行情況匹配的控制協議；參考點G2 則表示為一系列控制平面協議，可由LDAN 地面站作為源點發送，也可由地面站進行接收，該類協議由地面站間進行協調；參考點G3 表示為有線的網絡連接，主要為AAA 服務器與GCS 之間進行航空器身份AAA 服務管理相關的協議。對于A/G 數據鏈路部分，參考點R1由航空器和地面站之間的通信協議和管制程序的相關指令構成，是L-DACS 空中接口（物理層與介質訪問層）的主要部分。而L-DACS 機載參考模型包含機載無線電（Airborne radio，AR），機載網絡接口（Airborne network interface，ANI）與機載語音接口3 個模塊。參考點A1 表示為ANI 和AR 之間進行交互的協議消息；參考點A2-a、A2-b、A2-c 分別表示為管理機載ATN-IPS 通信路由、管理機載ATN-OSI 通信路由、管理機載ACARS 通信路由的控制協議與用戶協議；參考點A3 由一組控制協議和用戶協議組成，用于管理機載語音管理系統的控制協議與用戶協議。

圖6 L-DACS 系統參考架構Fig.6 L-DACS system framework

2.2 L-DACS 系統鏈路層

支持空地通信的L-DACS 是一個基于蜂窩網絡的點對多點通信系統［26］，并且系統具有星型拓撲結構，其中機載端通信電臺通過全雙工的方式連接至地面站。L-DACS 協議棧明確定義了基于OSI 體系的兩層結構，為物理層和數據鏈路層（包括兩個子層），如圖7 所示。L-DACS 系統的物理層內容詳見2.3 節。

圖7 L-DACS 協議棧Fig.7 L-DACS protocol stack

L-DACS 數據鏈路層提供了數據傳輸的必要協議，以保證多用戶并發和可靠數據傳輸的通信需求［27］。L-DACS 的數據鏈路層依照結構又分為兩個子層：介質訪問子層（Medium access control，MAC）和邏輯鏈接控制子層（Logical link control，LLC）。LLC 子層由數據鏈路服務（Data link services，DLS）與話音接口（Voice interface，VI）兩部分組成。該子層主要負責通信鏈路的管理，并向上層提供不同類別的服務。其中DLS 在點對點RL或者點對多點FL 上能夠提供用戶數據的通信服務，VI 為虛擬話音電路提供支持。但是需要區分，VI 只提供話音數據的傳輸和接收功能，而話音鏈路的創建與選擇則是由LME 來負責。MAC 子層與LLC 子層的跨層管理由層間管理實體（Layer management entity，LME）提供，該模塊主要實現資源的集中管理，提供傳輸資源分配、移動性管理與通信鏈路維護等功能，能夠在考慮通信信道占用的約束條件下，向FL 與RL 提供通信資源的分配，能夠在功率、頻率與時間等多個維度提供動態鏈路的維護服務，并支持AMC 技術的實施。MAC 子層僅包含MAC 運行實體，負責管理LLC 實體對物理層資源的訪問，向LLC 子層提供了在邏輯通路上傳輸用戶和控制數據的能力；子網相關匯聚協議（Sub network dependent convergence protocol，SNDCP）向系統提供了到更高層次的接口，使得L-DACS 能夠成為航空電信網（Aeronautical telecommunication network，ATN）的一個子網，強化ATN 網絡的服務能力。SNDCP 不僅能為網絡層提供L-DACS 接口，為不同網絡協議（ATN/IPS和ATN/OSI）的網絡層協議數據單元提供透傳所需的適配服務，也能夠向無線信道提供安全通信所需的壓縮加密服務。

對于應用L-DACS 系統進行通信的航空器，必須在GCS 進行登入注冊，以獲得由GCS 分配的靜態專用控制信道，用于航空器與地面站之間進行控制數據的傳輸；而地面站能夠通過當前航空器運行需求，對登入的航空器動態地調整用于用戶數據信道資源的分配。除此之外，所有航空器與GCS之間的通信流程（包括用戶數據傳輸的請求過程、傳輸資源分配過程以及重傳計時管理等）是由通信協議完全確定的，并且是由地面站進行管理。在通信系統負載一定的前提下，蜂窩小區內L-DACS系統的性能取決小區內地面站所服務的航空器數目，并且通信性能呈現出隨著所服務航空器數目的增加而線性下降的趨勢。

L-DACS 地面站和航空器之間的數據交互的邏輯信道結構如圖8 所示，說明了邏輯信道與LLC功能模塊之間的關系。具體而言，用戶數據的雙向交互是由DLS 在用戶層的邏輯數據通道（Dedicated channel，DCH）進行；邏輯專用控制信道（Dedicated control channel，DCCH）是用于從RL 控制層的數據傳輸，而通用控制信道（Common control channel，CCCH）則是用于FL 的控制信息傳輸；隨機訪問信道（Random access channel，RACH）和廣播控制信道（Broadcast control channel，BCCH）用于蜂窩小區的進入、退出與切換。

圖8 L-DACS 邏輯信道結構Fig.8 L-DACS logical channels

2.3 L-DACS 系統物理層

L-DACS 的物理層提供了數據傳輸物理鏈路的具體信息，同時支持多架航空器與地面站的雙向鏈接［28］。其中，FL 與RL 采用FDD 進行分隔；而在RL 方向上，應用時分多址（Time division multiple access，TDMA）和正交頻分多址（Orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）技 術 分別對不同的航空器從時間與空間兩個維度上進行分隔。在FL 中，地面站發送連續傳輸的OFDM 符號流；而在RL 中，航空器基于地面站所分配的資源與所定義的具體協議，發送不連續的突發脈沖，數據幀和控制幀被劃分為稱作“tile”的碎片，使得數據鏈路層的MAC 層的資源分配得到優化并且能夠根據干擾條件減小帶寬和占空比［29］。航空器僅在蜂窩單元覆蓋范圍內通過RL 進行接入數據的自主傳輸，而RL 的其他傳輸數據（控制信令、用戶數據等）均有地面站進行管理與控制。

L-DACS 系統物理層是基于OFDM 的調制方式，工作頻段為航空L 波段的960～1 164 MHz 頻段。以信道利用率和頻譜使用率最大化為目標，L-DACS 系統支持RL 和FL 數據的同時傳輸。具體系統物理層參數信息如表2 所示，由于保護帶寬的存在，總帶寬為625 kHz（總帶寬=子載波間隔×FFT 長度），而包含中心頻率的有效傳輸帶寬為498.05 kHz，這一數值表示FL 和RL 上被占用的射頻信道帶寬［30］。

表2 物理層參數信息Table 2 L-DACS physical layer parameters

為了盡可能降低與DME 之間的相互干擾，通過在DME 相鄰的信道之間插入帶寬為1 MHz 的L-DACS 信道，采用這種內嵌的方式，使得L-DACS 能夠在不對頻率資源分配作變更的情況下部署在L 波段［31］。盡管在L-DACS 研究的早期階段，提出過以非內嵌且不影響其他通信導航系統性能的方式，但考慮到頻譜資源短缺這一顯著問題，選擇高頻譜利用率的內嵌部署方式是L-DACS系統最終所采用的方式。

圖9 L-DACS 前向鏈路符號頻域結構Fig.9 Frequency domain structure of L-DACS forward link symbol

圖10 L-DACS 反向鏈路符號頻域結構（高頻部分）Fig.10 Frequency domain structure of L-DACS reverse link symbol

圖11 L-DACS1 幀結構Fig.11 L-DACS frame structure in time domain

L-DACS 系統的單個OFDM 符號由64 個子載波組成。如圖12 所示，為系統RL 的幀結構，其中OFDM 符號的類型包括：（1）無傳輸數據的空符號（Null symbol）：如未經過調制的保護帶寬中的子載波和中心子載波；（2）用于傳輸有效數據信息的數據符號（Data symbol）；（3）用于信道估計的導頻符號（Pilot symbol）；（4）用于實現信號同步的同步符號（Sync symbol）；（5）用于抑制峰均比的PAPR符號（PAPR reduction symbol）；（6）用于接收機進行自動增益控制的前導符號（AGC Preamble）；而在RL 的頻域被劃分為兩個碎片，并分配給不同的航空器用戶。每個頻率碎片各自分別占用一半的連續子載波，這樣使得一次OFDMA 突發脈沖的有效帶寬可以傳輸兩個用戶的數據。

圖12 L-DACS 系統RL 幀結構Fig.12 L-DACS reverse link framework structure

通過對頻域的OFDM 符號做傅里葉變換可以得到OFDM 符號的時域波形圖，圖13 顯示了OFDM 符號的時域結構。L-DACS 的FL 和RL 有著相同的時域結構。信號時長表征為有用符號的持續時間。從圖13 中可以看到，最后一部分有用符號時間的符號作為循環前綴被拷貝到該有用符號周期的最前端，并且循環前綴中的一小部分又作為窗函數，而剩余部分用于容忍符號時間的同步錯誤以及抵消符號間干擾的產生。除此之外，和窗函數同等時長的循環后綴被加在了該有用符號時間的末尾，并與下一個有用符號時間的循環前綴重疊，這樣在時域上連續的OFDM 符號就串聯起來了。在RL 中不同的是，每個航空器用戶創建自己的OFDM 時域符號，而由于每兩個航空器用戶共用一個OFDMA 突發脈沖，地面站接收機收到的是兩個在時域上重合的OFDM 信號。此時需要通過利用這兩個信號在時域和頻域上的同步信息，以及功率差別將二者加以區分。在時間維度上的符號碎片能夠被不同的航空器用戶所使用，可以使得L-DACS 系統在RL 中傳輸來自不同航空器用戶的數據信息。

圖13 L-DACS 前向鏈路符號時域結構Fig.13 Time domain structure of L-DACS forward link symbol

3 L-DACS 技術面臨的挑戰及發展建議

從國際發展現狀來看，新一代航空通信系統從窄帶向寬帶的技術演進，已經是必然的發展趨勢。然而為了實現這一遠期發展目標，仍有許多重點問題與技術挑戰待進一步解決。

3.1 面臨的挑戰

（1）頻譜資源受限的高速通信。雖然L-DACS系統相較于VHF 數據鏈的能力有所提升，但隨著機載飛行數據實時下傳、航路運行態勢實時監視、機間態勢共享等航空業務運行數據量的大幅度提升，對航空通信能力提出了更高的要求。由于ITU 對航空通信系統所分配的頻譜資源被局限在L 波段，并且現階段所采用的OFDM 技術依然存在頻譜資源未高效利用的問題［32］。因此如何在有限帶寬的條件下，實現高速率大容量的數據傳輸是L-DACS 系統需要進一步解決的技術瓶頸。

（2）低延遲廣覆蓋的高效通信。作為下一代航空通信系統的目標之一，L-DACS 不僅需要為航空器提供廣域覆蓋能力，也需要具備面向多類型航空器提供服務的能力，能夠滿足不同空域、不同場景、不同業務條件下的通信需求。與此同時，由于基于四維航跡運行概念的引入也要求航空器具備定時到達能力，航路或進近階段所需到達時間的誤差為秒級，需要管制系統響應延遲處于毫秒級，數字化管制指令的正確傳輸也對實時性提出了更高的要求［33］。因此如何向航空器提供低延遲的高效通信，實現通信范圍的廣域覆蓋是L-DACS 發展所面臨的重要技術挑戰。

（3）高動態復雜環境的可靠通信。航空通信系統需要同時支持ATC、AOC 與AAC 的服務，因此對其運行狀態的可靠性與安全性有著極其嚴苛的要求。航空器運行階段氣象態勢動態變化，雷暴天氣對電磁環境干擾顯著；航空器巡航階段時速接近1 000 km/h，多普勒擴展效應明顯，雖然現階段L-DACS A/G 能夠解決1 kHz 的多普勒頻偏問題，但是對于L-DACS A/A 系統高頻偏移仍是需要解決的技術難點［34］；此外當航空器處于起降運行階段時，由于在有限空域范圍內存在密集的通信、導航、監視等功能的無線電設備［35］，L-DACS 系統存在著同信道干擾、帶外干擾、鄰接信道干擾等問題［36］。因此，如何在高動態的復雜環境條件下，實現L-DACS 系的高可靠安全通信是另一項需要解決的難題。

3.2 發展建議

（1）持續開展頻譜資源高效利用的技術研究，進一步提高頻譜資源受限約束條件下L-DACS 系統的高速傳輸能力。基于頻譜感知技術與調制識別技術的認知無線電，可以顯著的提高頻譜利用率；以大規模天線多入多出技術［37］、非正交多址接入技術以及Polar 信道編碼等新興技術為代表的5G 空口技術［38］，能夠有效地解決頻譜資源受限的問題。與此同時，無線電傳輸環境復雜多變，傳統的靜態頻譜分配與接入方案難以滿足頻譜高效利用的需求，需要開展頻譜資源動態分配的實時優化技術，以實現L-DACS 系統支持大規模航空器運行的接入需求。

（2）進一步推進基于L-DACS 系統子網的網絡架構與組網機制的技術研究，可靠融入ATN 網絡，以支撐低延遲廣覆蓋的高效通信能力，進而實現全球區域航空器的高效運行。研究設計安全可靠的網絡接口與通信協議，確定魯棒高效的網絡結構，融合航空移動衛星系統技術［39］，有助于加裝L-DACS 系統的航空器具備入網區域頻繁切換的能力，實現基站覆蓋范圍內的無縫通信，確保有效數據信息的正確傳輸［40］；利用動態組網、航空自組網［41］等技術優勢，通過靈活可靠的組網機制以實現機間態勢的高效共享。

（3）針對實際運行需求進行抗干擾技術研究，并推進L-DACS 系統的適航審定進程，以應對高動態復雜環境下安全可靠通信的挑戰。為了應對航空器實際運行通信環境高動態變化的運行需求，可以從時域/頻域/空域等多資源維度解決問題：通過高精度或自適應的時頻同步技術解決高速環境下的多普勒拓展問題［42-43］，采用壓縮感知技術利用空地信道的稀疏特性還原接收信號［44］，基于四維航跡運行的先驗信息進行子載波間隔干擾抑制處理［45-46］。與此同時，L-DACS 系統的發展需要突破適航性認證的基礎理論和關鍵技術，使得所部署L-DACS 具備消除與現行航空導航/通信系統間干擾的能力，這也是支撐航空寬帶通信系統發展的必要條件。

4 結 論

從全球航空通信技術發展的全景來看，L 波段數字航空通信（L-DACS）數據鏈技術作為新一代航空通信系統發展的未來目標，是有效解決頻譜資源飽和難題、滿足高速率傳輸需求的有效途徑，能夠進一步提升集成的CNS 系統能力，促進航空通信系統的技術革新。正如本文所強調，現階段L-DACS 系統技術已經趨于成熟，但航空通信系統對于適航性、安全性與標準化要求很高，需要進一步對L-DACS 系統的部署與應用進行合理的頂層設計與實驗驗證，同時對于L-DACS A/A 的研究也是未來技術發展的重要關注點。