基于5G的智慧機場行業網絡架構和部署方案的技術路線

摘要：近年來，我國的航空客運量增長速度已經遠遠超過了世界的平均水平，很多機場都面臨安全保障和航班正常率的嚴峻考驗，這就要求更強的信息化支持。然而，傳統的無線通信方式已經不能適應智能機場的需要。將機場已有的寬帶集群和5G專用網絡進行融合，利用“一張5G融合專用網”來管理機場內的各種應用，能滿足機場產業的多種業務需要，達到可管、可控、可視化的目的。基于此，本文探討基于5G的智慧機場無線專網規劃思路和技術路線，為智慧機場的形成助力。

關鍵詞：5G；智慧機場；網絡架構；技術路線

引言

當前，機場部署的AeroMACS 1.0網絡是基于WiMax（802.16e）技術標準的，而WiMax標準已經不再有后續演進，當前的AeroMACS網絡設備后續也已失去廠商的技術支持。因此，必須盡快研究確定基于5G的AeroMACS 2.0網絡架構和技術標準，在標準化、開放的5G技術之上構建新型AeroMACS 2.0網絡，平滑遷移既有業務并支持智慧機場業務持續創新。AeroMACS 1.0系統的關鍵性能如通信速率、支持移動速度、通信時延、安全性等，都已不能滿足機場關鍵業務如QAR/繞機檢測（通信速率200Mbps以上）、作業車輛無人駕駛（時延不超過20ms）等的要求。2022年民航局發布《航空5G機場場面寬帶移動通信系統建設應用實施方案》，明確提出建設基于5G技術標準的AeroMACS 2.0系統的要求[1]。

1. 5G智慧機場無線專網規劃思路

1.1 智慧機場業務需求

構建智慧機場已經成為提升機場運營效率、優化旅客體驗以及推動機場可持續發展的重要方向。智慧機場的核心在于運用尖端的信息與通信技術，對關鍵運營數據進行實時感知、深度分析及有效融合處理，確保能夠針對服務操作、安保措施、后勤維護等多個方面作出智能且高效的響應。通過智能化的管理和運營模式，智慧機場不僅能滿足現行的運營需求，確保旅客得到高標準的服務，還能支撐機場在向智慧化轉型過程中所承載的新型業務和創新模式的需求。這種轉型無疑將為機場的未來發展提供堅實的技術基礎與廣闊的發展空間。

1.2 覆蓋規劃

在制定覆蓋計劃時，嚴格遵循鏈路預算原則，綜合考量不同地域所提供的服務類型及其速率和質量目標，以及其他相關關鍵性參數。最大允許路徑損耗值（maximum allowable path loss，MAPL）這一指標是確保無線信號覆蓋質量與效率的關鍵因素。然后，根據修正后的傳輸模型，計算單個基站的覆蓋半徑，計算出所需基站總數。在機場的擴展模式中，以Uma、UMi為例，采用了典型地區的試驗數據對其進行修正。當前，我國運營公司主要采取宏微結合，高、低頻段協作組網，以Uma-NLOS模式，2.6G波段為例，基站間距300～400米。

1.3 容量規劃

在不同的應用環境中，網絡計劃的容量應該能夠滿足不同類型的應用終端對最大并發服務的承載要求。該系統包括多功能手持式終端、車載終端、高清視頻監控終端、智能機器人，以及各種傳感器和數據采集裝置。如果智能機場的專網采用公共網分段的方式，則需要考慮不同類型的空口資源，如公用網和信令等。在此基礎上，考慮單基站在典型結構下的承載能力，計算出滿足總容量要求的規劃車站數目。

1.4 站址規劃

隨著5G智慧機場的構建，對于機場的智慧運營和應急通信保障能力提出了更為嚴苛的標準。這要求無線網絡不僅在終端、貨運區、飛行區及配套設施等各關鍵區域內實現全面的信號覆蓋，而且必須同時兼顧室內外環境。航站樓作為客流密集的關鍵節點，其安全和網絡可靠性尤為重要。針對該場景，本技術方案提倡一種綜合性室分信源覆蓋模式，包括主信源、有源/無源室分信源及其組合形式。此方案著重于優化室內布局，并提升單個天線的覆蓋效能，確保信號均衡分布于各個關鍵區域。此外，建議將室分信源集中部署于弱電單元，以提高系統的集成度和效率。對于室外環境，宏基站將承擔主要的通信服務角色，輔以微站技術以彌補覆蓋盲點。在布局設計上，宏基站的配置需與預定的網絡架構相匹配，并在不違背機場對建筑物高度限制的前提下，充分利用屋頂、監控桿、停機坪高桿以及跑道周邊圍欄等結構，實現信號的高效傳播和服務的最大化。

2. 基于5G的AeroMACS 2.0網絡架構分析

2.1 基于5G的AeroMACS網絡架構

為支持中國民航局建設全國統管的AeroMACS骨干網，需要建設基于接入、匯聚及核心三層的骨干網。在全國5G AeroMACS骨干網中，接入層的各機場依托5G專網建設，在AeroMACS專用頻段疊加建設專有基站gNB-A或載波，實現AeroMACS功能。基于5G技術標準的機場AeroMACS 2.0系統在網絡結構上與標準的機場5G專網相同，僅需要在接口及通信協議棧、用戶接入管理、安全管理等方面，結合AeroMACS 1.0的業務功能需求及定義進行重耕。空口相關的移動性管理、無線資源管理等機制，可以重用3GPP規范中的相關標準和定義，但需遵循AeroMACS國際標準中規定的無線傳播特性。相比基于WiMax 802.16e的AeroMACS 1.0系統，基于5G的AeroMACS 2.0的載波帶寬可以在5MHz、20MHz、30MHz、40MHz、50MHz、60MHz間靈活配置，最高峰值速率可達350Mbps，端到端時延在移動邊緣計算平臺的支撐下可以低至10ms，且支持移動速度最高達400Km/h的通信[2]。

2.2 基于5G的AeroMACS網絡部署策略

為確保智慧機場業務開展的可靠性，5G AeroMACS網絡有兩種組網部署策略。第一，AB雙網冗余組網，每個物理站點部署兩套gNB設備，由于采用了物理設備100%冗余的備份方式，AeroMACS各類業務的可靠性保障都很充分，但建網成本高。第二，單網冗余組網，每個物理站點部署一套設備，每套設備板件采用冗余配置，由于僅在設備板件層面實現了冗余機制，單網冗余方案更多的是面向業務可靠性與建網成本平衡的場景。為確保智慧機場各類業務的需求及QoS，建議機場頻譜頻寬配置為50MHz，gNB-A收發配置為4T4R，空口無線幀配置為2：3（DSUUU）；考慮到機場建筑物特點（飛滑區視野開闊，不允許有遮擋視線的建筑物存在；機坪區、候機樓、貨場、機庫等存在連片高大建筑），對于基站天線掛高20米及以上場景，遮擋小，所以使用自由空間模型，對于基站天線掛高低于20米場景，容易被航站樓、飛機遮擋，使用射線追蹤模型。此外，車載終端無穿透損耗，機載終端考慮25dB遮擋損耗。

2.3 5G AeroMACS與機場5G專網的協同

5G AeroMACS網絡架構與機場5G專網架構完全相同，不同點在于5G AeroMACS網絡使用特定的授權頻段（5091～5150MHz），而機場5G專網使用運營商公網頻段。此外，5G AeroMACS網絡需要在接口及通信協議棧、用戶接入管理、安全管理等方面，結合AeroMACS 1.0的業務功能需求及定義進行重耕，因此基站及核心網通信協議棧需要疊加AeroMACS功能。為降低5G AeroMACS系統部署工作量及成本，可在機場5G專網基站扇區疊加5.1GHz AeroMACS專用載頻，共用5G基站回傳資源。

3. 基于5G運營商網絡構建的機場5G無線專網

智慧機場三大核心業務流分別是旅客業務流、飛行業務流及貨物業務流。飛行及貨物業務流絕大多數內容是機場私有業務，而旅客業務流則兼有公有、私有業務。因此，智慧機場5G網絡建設不能僅涵蓋行業專有網絡，還需要考慮與運營商公眾大網的協同配合。同時，利用運營商5G網絡構建機場5G無線專網還能加快建設速度，降低建設成本，但也會帶來一定的性能和安全妥協。飛行業務流主要依托AeroMACS和LDACS系統進行支撐，依托機場5G專網；而旅客業務流則主要面向旅客上網及信息查詢等需求，主要依托運營商5G公網及ATG網絡，不建議使用機場5G專網承載相關業務。

3.1 運營商5G基站共建共享策略

3.1.1 與公網完全共享

在構建機場5G專用網絡的體系中，涉及的關鍵網絡組件包括無線接入網、核心網以及管理信息系統，與電信運營商提供的公共網絡資源實現了共享。該5G專用網絡的運作模式基于向運營商租用定制的5G網絡切片技術。在地理布局方面，運營商的骨干網絡節點主要設立于省會城市及其他重要中心城市。此外，用戶面位置功能（UPF）的配置由運營商根據實際業務需求，部署于地級市或相應區縣的數據中心內。以5G網絡為研究對象，以實現5G網絡的安全與隔離為目標，以QoS優先調度、RB資源預留等為手段，承載網采用FlexE硬隔離、“VPN+QoS”等軟隔離，實現對核心網的全面共享[3]。

優點：不需要額外的建造費用，只要從運營商那里訂購一臺實際的專用網即可；運營人員負責網絡的優化與維護、設備更新、新技術的應用，降低了運營費用；可以根據客戶的需要，為客戶提供個性化的服務，為客戶提供不同的終端對終端保護。

缺點：用戶面位置寄存器（UPF）尚未部署于機場路機房，此缺失阻礙了對流量的局部優化分配。網絡運營者將設備管理、參數設置和用戶配置數據保留在自己的網絡系統中，并傳輸至相關園區。當這些配置信息與公共網絡混合時，會面臨網絡安全性和系統容量均低于那些采取獨立配置策略的情形。

3.1.2 與公網部分共享

機場5G無線專用網絡與公共網絡共用一個無線接入網絡，并共用一個核心網絡的控制平面網絡，而該網絡的用戶面網元則是下到空港園區的計算機室中，在此基礎上實現了對用戶面的實時在線卸載。機場5G無線專用網絡由運營商提供的5G切片技術進行產權歸屬，其中，運營商控制平面網絡通常集中在省會等核心城市。

優點：與公用網絡完全共用方式相同，并且在核心網絡的用戶端完全與公用網絡進行物理上的隔離，用戶界面上的數據不會離開小區，具有更高的保密性；UPF獨有的下沉特性，實現了用戶界面上的數據的局部卸載，降低了延遲。

缺點：共用網絡單元的操作管理、參數操作、用戶配置等信息都保存在承載網絡中，而控制平面的數據則是從園區外流出的。采用公共網絡的局部共享方式，費用適中，能夠在網絡性能、安全隔離及費用等方面取得平衡，能夠滿足一般工業部門對網絡切片分層的要求。5G智慧機場5G無線專用網的規劃與部署，應當根據不同的機場服務需要，將投入收益、運營費用等因素進行綜合考量，并根據不同的服務目的和實施方式，對5G的個性化網絡進行選擇。

3.2 運營商5G核心網共享策略

在5G核心技術體系中，5G核心網（5GC）被劃分為兩個主要平面：控制面和用戶面。控制面的核心功能元素包括接入和移動性能管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、網絡切片選擇功能（NSSF）、認證服務器功能（AUSF）、統一數據管理功能（UDM）、策略控制功能（PCF），這些元素共同支撐了網絡的智能管理和高效運轉性。用戶面則主要通過用戶面數據轉發功能（UPF）實現數據傳輸。

（1）專用UPF的引入將帶來顯著益處，包括但不限于對用戶數據的高效隔離、業務質量的定制化管理、計費審計的精確性以及安全性的全面增強。據此，建議針對智慧機場的5G網絡切片，配置專門優化的UPF資源，以保障網絡的專業性及可靠性。

（2）鑒于機場的廣泛覆蓋范圍及其內部多樣化的服務需求，如智能化巡檢、智能引導車輛、先進貨物處理系統、基于增強現實的飛機維護，這些業務均對于遠程操作和自動化技術有特定的依賴。為了保障服務的差異化和確定性SLA（服務等級協議）的體驗質量，需特別關注由傳輸距離帶來的延時問題。

（3）在考慮智慧機場的業務操作時，一個關鍵的考量是可靠性。這涉及對高度可靠的需求以及生產控制的高可用性，特別是對于管理信息所對應的專用用戶面數據轉發（UPF）功能。在此背景下，必須設計并實施一套冗余和災難備份方案，確保系統的持續運行與穩定，也就是5G端到端切片中的5G專網模式建議針對核心業務（智慧助航燈、無人駕駛車輛等）與非核心業務（智慧貨艙、機場圍界無人巡檢等）分別部署UPF，以便實現更高級別的業務隔離安全性；對于核心業務，按照區域（如跑道、不同航站樓等）分別部署UPF+MEC，減少跨區域大數據流量的迂回。

4. 基于700MHz的機場5G無線專網

機場飛滑區面積廣闊，地勢平坦，并且不能有明顯的突出物體如建筑或鐵塔等，缺乏室外宏站的安裝條件，因此需要5G基站的廣覆蓋能力，為飛行區各類業務提供連續性的普遍服務；而室內場景涉及的業務場景如旅客上網娛樂、貨物自動識別管理等需要高密度連接和極高流量，基站容量成為最大瓶頸，需要使用pRRU密集室內部署解決容量限制問題。運營商5G公網使用的主流頻譜往往不能滿足廣覆蓋的要求，需要機場依托特定頻段組建特定能力的5G無線公專網。

中國移動5G公眾網主要使用2.6GHz頻段和4.9GHz頻段，其中4.9GHz頻段主要用于熱點覆蓋，此外移動還與廣電在700MHz頻段共建共享5G站點。考慮到機場飛滑區的環境特點及具體業務需求，飛滑/機坪區需要兼顧高流量（QAR、繞機、IEF等）及低時延業務（特種作業車輛自動駕駛）的需求。由于700MHz頻段可用頻寬僅有2×30MHz（703～733MHz/758～788MHz），無法滿足高流量業務對載頻容量的要求，因此，建議在基站扇區同時配置2.6GHz、700MHz載頻；機場機載/車載業務終端需加快700MHz頻段適配工作；室內小站面向高流量業務場景，為確保室內外業務連續性及一致性體驗，建議室內小站使用2.9GHz頻段進行密集部署，也降低了對終端頻段適配性的要求。

在室外環境，700MHz上行可以考慮與2.6GHz部署SUL（超級上行技術）提升上行能力，并將高流量業務終端與2.6GHz載頻駐留捆綁，避免用戶過度附著在700MHz上行鏈路，造成700MHz下行擁塞發生；下行采用700MHz+2.6GHz的CA（載波聚合），提升下行吞吐率。

結語

智慧機場5G無線專用網的規劃與部署，需要根據不同的機場服務需要，將投入收益、運營費用等因素進行綜合考量，并根據不同的服務目的和實施方式，選擇合適的5G個性化網絡架構。

參考文獻：

[1]常希娟.長沙國際機場5G創新應用探討[J].長江信息通信，2021，34（11）：214-216.

[2]過鑫，朱平.成都電信匠心鑄精品助力5G智慧機場建設[J].通信與信息技術，2021（4）：11-12.

[3]楊飛虎，杜忠巖，楊志全.5G智慧機場融合專網部署方案探討[J].郵電設計技術，2020（6）：80-86.

作者簡介：李雪暉，碩士研究生，高級工程師，研究方向：項目管理；宋健，碩士研究生，高級工程師，研究方向：項目管理；單泓博，碩士研究生，助理工程師，研究方向：項目管理；鄧庭俊，碩士研究生，經濟師，研究方向：戰略規劃、智慧交通、創新管理；楊磊，本科，工程師，研究方向：項目管理。

基金項目：廣東省重點領域研發技術項目——智慧機場5G專網及場面應用研究示范項目（編號：2020B0101130024）。