基于5G的智慧機場行業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和部署方案的技術(shù)路線

摘要：近年來，我國的航空客運量增長速度已經(jīng)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(tǒng)的無線通信方式已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)進行融合，利用“一張5G融合專用網(wǎng)”來管理機場內(nèi)的各種應用，能滿足機場產(chǎn)業(yè)的多種業(yè)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(wǎng)規(guī)劃思路和技術(shù)路線，為智慧機場的形成助力。

關(guān)鍵詞：5G；智慧機場；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；技術(shù)路線

引言

當前，機場部署的AeroMACS 1.0網(wǎng)絡(luò)是基于WiMax（802.16e）技術(shù)標準的，而WiMax標準已經(jīng)不再有后續(xù)演進，當前的AeroMACS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備后續(xù)也已失去廠商的技術(shù)支持。因此，必須盡快研究確定基于5G的AeroMACS 2.0網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)標準，在標準化、開放的5G技術(shù)之上構(gòu)建新型AeroMACS 2.0網(wǎng)絡(luò)，平滑遷移既有業(yè)務并支持智慧機場業(yè)務持續(xù)創(chuàng)新。AeroMACS 1.0系統(tǒng)的關(guān)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(guān)鍵業(yè)務如QAR/繞機檢測（通信速率200Mbps以上）、作業(yè)車輛無人駕駛（時延不超過20ms）等的要求。2022年民航局發(fā)布《航空5G機場場面寬帶移動通信系統(tǒng)建設(shè)應用實施方案》，明確提出建設(shè)基于5G技術(shù)標準的AeroMACS 2.0系統(tǒng)的要求[1]。

1. 5G智慧機場無線專網(wǎng)規(guī)劃思路

1.1 智慧機場業(yè)務需求

構(gòu)建智慧機場已經(jīng)成為提升機場運營效率、優(yōu)化旅客體驗以及推動機場可持續(xù)發(fā)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(shù)，對關(guān)鍵運營數(shù)據(jù)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(xiàn)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(zhuǎn)型過程中所承載的新型業(yè)務和創(chuàng)新模式的需求。這種轉(zhuǎn)型無疑將為機場的未來發(fā)展提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)與廣闊的發(fā)展空間。

1.2 覆蓋規(guī)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(zhì)量目標，以及其他相關(guān)關(guān)鍵性參數(shù)。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(zhì)量與效率的關(guān)鍵因素。然后，根據(jù)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(shù)。在機場的擴展模式中，以Uma、UMi為例，采用了典型地區(qū)的試驗數(shù)據(jù)對其進行修正。當前，我國運營公司主要采取宏微結(jié)合，高、低頻段協(xié)作組網(wǎng)，以Uma-NLOS模式，2.6G波段為例，基站間距300～400米。

1.3 容量規(guī)劃

在不同的應用環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)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(fā)服務的承載要求。該系統(tǒng)包括多功能手持式終端、車載終端、高清視頻監(jiān)控終端、智能機器人，以及各種傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置。如果智能機場的專網(wǎng)采用公共網(wǎng)分段的方式，則需要考慮不同類型的空口資源，如公用網(wǎng)和信令等。在此基礎(chǔ)上，考慮單基站在典型結(jié)構(gòu)下的承載能力，計算出滿足總?cè)萘恳蟮囊?guī)劃車站數(shù)目。

1.4 站址規(guī)劃

隨著5G智慧機場的構(gòu)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(wǎng)絡(luò)不僅在終端、貨運區(qū)、飛行區(qū)及配套設(shè)施等各關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)全面的信號覆蓋，而且必須同時兼顧室內(nèi)外環(huán)境。航站樓作為客流密集的關(guān)鍵節(jié)點，其安全和網(wǎng)絡(luò)可靠性尤為重要。針對該場景，本技術(shù)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(yōu)化室內(nèi)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(guān)鍵區(qū)域。此外，建議將室分信源集中部署于弱電單元，以提高系統(tǒng)的集成度和效率。對于室外環(huán)境，宏基站將承擔主要的通信服務角色，輔以微站技術(shù)以彌補覆蓋盲點。在布局設(shè)計上，宏基站的配置需與預定的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(jiān)控桿、停機坪高桿以及跑道周邊圍欄等結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)信號的高效傳播和服務的最大化。

2. 基于5G的AeroMACS 2.0網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

2.1 基于5G的AeroMACS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為支持中國民航局建設(shè)全國統(tǒng)管的AeroMACS骨干網(wǎng)，需要建設(shè)基于接入、匯聚及核心三層的骨干網(wǎng)。在全國5G AeroMACS骨干網(wǎng)中，接入層的各機場依托5G專網(wǎng)建設(shè)，在AeroMACS專用頻段疊加建設(shè)專有基站gNB-A或載波，實現(xiàn)AeroMACS功能。基于5G技術(shù)標準的機場AeroMACS 2.0系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上與標準的機場5G專網(wǎng)相同，僅需要在接口及通信協(xié)議棧、用戶接入管理、安全管理等方面，結(jié)合AeroMACS 1.0的業(yè)務功能需求及定義進行重耕。空口相關(guān)的移動性管理、無線資源管理等機制，可以重用3GPP規(guī)范中的相關(guān)標準和定義，但需遵循AeroMACS國際標準中規(guī)定的無線傳播特性。相比基于WiMax 802.16e的AeroMACS 1.0系統(tǒng)，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(wǎng)絡(luò)部署策略

為確保智慧機場業(yè)務開展的可靠性，5G AeroMACS網(wǎng)絡(luò)有兩種組網(wǎng)部署策略。第一，AB雙網(wǎng)冗余組網(wǎng)，每個物理站點部署兩套gNB設(shè)備，由于采用了物理設(shè)備100%冗余的備份方式，AeroMACS各類業(yè)務的可靠性保障都很充分，但建網(wǎng)成本高。第二，單網(wǎng)冗余組網(wǎng)，每個物理站點部署一套設(shè)備，每套設(shè)備板件采用冗余配置，由于僅在設(shè)備板件層面實現(xiàn)了冗余機制，單網(wǎng)冗余方案更多的是面向業(yè)務可靠性與建網(wǎng)成本平衡的場景。為確保智慧機場各類業(yè)務的需求及QoS，建議機場頻譜頻寬配置為50MHz，gNB-A收發(fā)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(qū)視野開闊，不允許有遮擋視線的建筑物存在；機坪區(qū)、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(wǎng)的協(xié)同

5G AeroMACS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與機場5G專網(wǎng)架構(gòu)完全相同，不同點在于5G AeroMACS網(wǎng)絡(luò)使用特定的授權(quán)頻段（5091～5150MHz），而機場5G專網(wǎng)使用運營商公網(wǎng)頻段。此外，5G AeroMACS網(wǎng)絡(luò)需要在接口及通信協(xié)議棧、用戶接入管理、安全管理等方面，結(jié)合AeroMACS 1.0的業(yè)務功能需求及定義進行重耕，因此基站及核心網(wǎng)通信協(xié)議棧需要疊加AeroMACS功能。為降低5G AeroMACS系統(tǒng)部署工作量及成本，可在機場5G專網(wǎng)基站扇區(qū)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(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的機場5G無線專網(wǎng)

智慧機場三大核心業(yè)務流分別是旅客業(yè)務流、飛行業(yè)務流及貨物業(yè)務流。飛行及貨物業(yè)務流絕大多數(shù)內(nèi)容是機場私有業(yè)務，而旅客業(yè)務流則兼有公有、私有業(yè)務。因此，智慧機場5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不能僅涵蓋行業(yè)專有網(wǎng)絡(luò)，還需要考慮與運營商公眾大網(wǎng)的協(xié)同配合。同時，利用運營商5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建機場5G無線專網(wǎng)還能加快建設(shè)速度，降低建設(shè)成本，但也會帶來一定的性能和安全妥協(xié)。飛行業(yè)務流主要依托AeroMACS和LDACS系統(tǒng)進行支撐，依托機場5G專網(wǎng)；而旅客業(yè)務流則主要面向旅客上網(wǎng)及信息查詢等需求，主要依托運營商5G公網(wǎng)及ATG網(wǎng)絡(luò)，不建議使用機場5G專網(wǎng)承載相關(guān)業(yè)務。

3.1 運營商5G基站共建共享策略

3.1.1 與公網(wǎng)完全共享

在構(gòu)建機場5G專用網(wǎng)絡(luò)的體系中，涉及的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)組件包括無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及管理信息系統(tǒng)，與電信運營商提供的公共網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)了共享。該5G專用網(wǎng)絡(luò)的運作模式基于向運營商租用定制的5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。在地理布局方面，運營商的骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要設(shè)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(jù)實際業(yè)務需求，部署于地級市或相應區(qū)縣的數(shù)據(jù)中心內(nèi)。以5G網(wǎng)絡(luò)為研究對象，以實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的安全與隔離為目標，以QoS優(yōu)先調(diào)度、RB資源預留等為手段，承載網(wǎng)采用FlexE硬隔離、“VPN+QoS”等軟隔離，實現(xiàn)對核心網(wǎng)的全面共享[3]。

優(yōu)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(wǎng)即可；運營人員負責網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與維護、設(shè)備更新、新技術(shù)的應用，降低了運營費用；可以根據(jù)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(yōu)化分配。網(wǎng)絡(luò)運營者將設(shè)備管理、參數(shù)設(shè)置和用戶配置數(shù)據(jù)保留在自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，并傳輸至相關(guān)園區(qū)。當這些配置信息與公共網(wǎng)絡(luò)混合時，會面臨網(wǎng)絡(luò)安全性和系統(tǒng)容量均低于那些采取獨立配置策略的情形。

3.1.2 與公網(wǎng)部分共享

機場5G無線專用網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)共用一個無線接入網(wǎng)絡(luò)，并共用一個核心網(wǎng)絡(luò)的控制平面網(wǎng)絡(luò)，而該網(wǎng)絡(luò)的用戶面網(wǎng)元則是下到空港園區(qū)的計算機室中，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對用戶面的實時在線卸載。機場5G無線專用網(wǎng)絡(luò)由運營商提供的5G切片技術(shù)進行產(chǎn)權(quán)歸屬，其中，運營商控制平面網(wǎng)絡(luò)通常集中在省會等核心城市。

優(yōu)點：與公用網(wǎng)絡(luò)完全共用方式相同，并且在核心網(wǎng)絡(luò)的用戶端完全與公用網(wǎng)絡(luò)進行物理上的隔離，用戶界面上的數(shù)據(jù)不會離開小區(qū)，具有更高的保密性；UPF獨有的下沉特性，實現(xiàn)了用戶界面上的數(shù)據(jù)的局部卸載，降低了延遲。

缺點：共用網(wǎng)絡(luò)單元的操作管理、參數(shù)操作、用戶配置等信息都保存在承載網(wǎng)絡(luò)中，而控制平面的數(shù)據(jù)則是從園區(qū)外流出的。采用公共網(wǎng)絡(luò)的局部共享方式，費用適中，能夠在網(wǎng)絡(luò)性能、安全隔離及費用等方面取得平衡，能夠滿足一般工業(yè)部門對網(wǎng)絡(luò)切片分層的要求。5G智慧機場5G無線專用網(wǎng)的規(guī)劃與部署，應當根據(jù)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(jù)不同的服務目的和實施方式，對5G的個性化網(wǎng)絡(luò)進行選擇。

3.2 運營商5G核心網(wǎng)共享策略

在5G核心技術(shù)體系中，5G核心網(wǎng)（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(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（NSSF）、認證服務器功能（AUSF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（UDM）、策略控制功能（PCF），這些元素共同支撐了網(wǎng)絡(luò)的智能管理和高效運轉(zhuǎn)性。用戶面則主要通過用戶面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能（UPF）實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的高效隔離、業(yè)務質(zhì)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(jù)此，建議針對智慧機場的5G網(wǎng)絡(luò)切片，配置專門優(yōu)化的UPF資源，以保障網(wǎng)絡(luò)的專業(yè)性及可靠性。

（2）鑒于機場的廣泛覆蓋范圍及其內(nèi)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(tǒng)、基于增強現(xiàn)實的飛機維護，這些業(yè)務均對于遠程操作和自動化技術(shù)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(xié)議）的體驗質(zhì)量，需特別關(guān)注由傳輸距離帶來的延時問題。

（3）在考慮智慧機場的業(yè)務操作時，一個關(guān)鍵的考量是可靠性。這涉及對高度可靠的需求以及生產(chǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)（UPF）功能。在此背景下，必須設(shè)計并實施一套冗余和災難備份方案，確保系統(tǒng)的持續(xù)運行與穩(wěn)定，也就是5G端到端切片中的5G專網(wǎng)模式建議針對核心業(yè)務（智慧助航燈、無人駕駛車輛等）與非核心業(yè)務（智慧貨艙、機場圍界無人巡檢等）分別部署UPF，以便實現(xiàn)更高級別的業(yè)務隔離安全性；對于核心業(yè)務，按照區(qū)域（如跑道、不同航站樓等）分別部署UPF+MEC，減少跨區(qū)域大數(shù)據(jù)流量的迂回。

4. 基于700MHz的機場5G無線專網(wǎng)

機場飛滑區(qū)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(qū)各類業(yè)務提供連續(xù)性的普遍服務；而室內(nèi)場景涉及的業(yè)務場景如旅客上網(wǎng)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(nèi)部署解決容量限制問題。運營商5G公網(wǎng)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(wǎng)。

中國移動5G公眾網(wǎng)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(qū)的環(huán)境特點及具體業(yè)務需求，飛滑/機坪區(qū)需要兼顧高流量（QAR、繞機、IEF等）及低時延業(yè)務（特種作業(yè)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(yè)務對載頻容量的要求，因此，建議在基站扇區(qū)同時配置2.6GHz、700MHz載頻；機場機載/車載業(yè)務終端需加快700MHz頻段適配工作；室內(nèi)小站面向高流量業(yè)務場景，為確保室內(nèi)外業(yè)務連續(xù)性及一致性體驗，建議室內(nèi)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(huán)境，700MHz上行可以考慮與2.6GHz部署SUL（超級上行技術(shù)）提升上行能力，并將高流量業(yè)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(fā)生；下行采用700MHz+2.6GHz的CA（載波聚合），提升下行吞吐率。

結(jié)語

智慧機場5G無線專用網(wǎng)的規(guī)劃與部署，需要根據(jù)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(jù)不同的服務目的和實施方式，選擇合適的5G個性化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

參考文獻：

[1]常希娟.長沙國際機場5G創(chuàng)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(shè)[J].通信與信息技術(shù)，2021（4）：11-12.

[3]楊飛虎，杜忠?guī)r，楊志全.5G智慧機場融合專網(wǎng)部署方案探討[J].郵電設(shè)計技術(shù)，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(jīng)濟師，研究方向：戰(zhàn)略規(guī)劃、智慧交通、創(chuàng)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(lǐng)域研發(fā)技術(shù)項目——智慧機場5G專網(wǎng)及場面應用研究示范項目（編號：2020B0101130024）。