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一篇文章,彻底看懂 ATG(地空通信) | 科技云

一篇文章,彻底看懂 ATG(地空通信)

废话不多说,我们直奔主题!

到底什么是 ATG?

ATG,就是 Air To Ground,空对地通信,也叫地空通信。

它是一种非常特殊的通信技术,专门为天上的飞机提供服务。

简单来说,就是沿着飞机的航线,设置大量的地面基站。基站天线朝向天空,为飞机提供移动通信信号,以此实现飞机的互联网业务连接。

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ATG(地空通信)

ATG 有什么作用?

当然是为了让飞机上的人可以上网呀!

如今我们所处的信息时代,大家时时刻刻都离不开手机,离不开互联网。

我们已经基本实现了手机信号在地面的无缝覆盖,但是,一直以来,在飞机上上网,都是一个大问题。

每次飞机即将起飞,空姐都会提醒我们关闭手机,或者将手机设置为飞行模式。飞机飞上天空后,即便你偷偷打开手机,也是没有任何基站信号的。

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根据数据显示,民航旅客的单次航班平均飞行时长约为 2.5 小时。对很多人来说,这 2.5 小时就很难熬,如坐针毡。

对于很多商务人士来说,时刻确保“不失联”,也非常重要。有时候,错过重要的邮件和消息,会带来经济损失。(当然,有的打工人很享受这种“失联”。^_^)

不管怎么说,能够在飞机上使用网络,是大部分乘客的愿望。

2023 年,国内民航旅客数量高达 6.2 亿人次。根据民航旅客服务测评(CAPSE)的调研结果显示,其中 98% 的乘客有上网意愿,78% 的旅客会优先选择能上网的航班,63% 的乘客愿意为飞机上网服务单独付费。

这难道不是妥妥的刚需?

除了乘客之外,网络服务对于飞行员、空乘等机组人员也是非常有用的。

大家不要误会,不是为了让他们也刷剧和聊天,而是为了工作。

飞机分为前舱和后舱。乘客、空姐所处的区域,是后舱。飞行员所处的驾驶室区域,就是前舱。

ATG 可以帮助传输前舱的重要数据,例如如飞行数据、舱内视频数据、飞机位置和姿态数据、飞机健康监控数据等。机组成员佩戴无线健康手环,也可以通过 ATG,将身体状态数据同步给地面。

ATG 还可以支持一种叫电子飞行包(EFB)的应用,以文字、照片、语音、视频等方式与地面实现即时通讯,实时查询航路、机场雷达回波图及各类气象资料等,帮助机组人员进行决策。

大家都知道黑匣子。这个东西一般只能在事故发生后进行查询,但有了基于 ATG 的实时网络连接,飞机的很多动态数据,都可以被地面所掌握。这个意义,大家都懂。

ATG 还可以在紧急情况下用于远程协助。例如后舱有乘客突发疾病,地面人员可以获得准确的病状影像信息,空乘也可以获得地面的指导。

所有这些,都有利于提升民航飞行过程中的安全性。

ATG 有哪些技术优势?

想要让飞机具备互联网连接,一共有两种方式。

一种是通过卫星。在飞机上安装卫星通信装置,与卫星建立通信链路,实现上网。

这种方式的缺点很明显。

首先是网速慢。

Ku 低通量卫星单机带宽只有 2Mbps,Ku / Ka 高通量卫星是 100-150Mbps。现在很火的低轨星座卫星,最多也就 200Mbps 级别。看上去好像还行,但实际上,受各种因素影响,体验速率往往达不到这个水平。

其次是通信时延大。

高轨(36000km)、中轨(8000km)卫星离地面距离很远,空口时延高达 270ms 以上。低轨(几百 km)稍微近一点,最理想的情况也有 30ms。加上一些卫星与地面站的回传处理,时延就会更大,乘客上网体验会很差。

第三当然是价格。

卫星通信,涉及到卫星的研制、发射、运营及维护等环节,成本非常高,摊到用户头上,上网费用肯定不低。而且,卫星通信还涉及到卫星使用寿命问题。中高轨 15 年,低轨 5-8 年,成本就更高了。

相比之下,ATG 显然就更具优势。

首先,ATG 采用蜂窝移动通信技术,如果采用现在主流的 5G 技术,实测带宽可以达到 486Mbps(100MHz 频宽)。

其次,飞机的飞行高度一般在 1 万米(10km)左右,这个距离远远小于卫星高度,所以通信时延会比卫星更低(空口时延大约 20ms)。

第三,价格成本低。

在网络侧,基站肯定比卫星便宜,是吧?ATG 站址可以利用现有 5G 基站站址、传输和核心网资源。

ATG 基站要单独买。根据测算,只需要 1000 个专用 5G ATG 基站,就可以实现全国的航线覆盖。对运营商来说,这都不是个事。

在飞机侧,飞机需要改造才能支持卫星通信或 ATG 通信。根据有关机构的测算,在单机改造成本上,ATG 大约是 100-250 万一架,卫星通信是 300-400 万一架,这又拉开了成本差距。

ATG 有一个方面不如卫星,那就是覆盖场景。

卫星是全球全域覆盖,而 ATG 必须要有基站。海上是没有办法建设基站的。所以,对于国际航班(跨海比较多),ATG 往往用不了,只能依靠卫星。

话说回来,国内航班的航线,90% 都是在陆地上空。只有少部分场景,位于近海区域。所以,采用 ATG,能够满足绝大部分的国内航班上网需求。

ATG 的技术架构是怎样的?

ATG 整个架构并不算复杂,主要分为地面部分和机上部分。

以 5G ATG 为例,如下图所示:

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地面首先是要有航线沿线的 5G ATG 基站(略有不同),然后通过传输设备(和公网相同),连接到 5G 核心网(和公网相同,可单独设置)。最后,乘客使用的互联网业务,连到 Internet。前舱业务等,通过专线,连接到航空公司等平台。

机上部分,比较特别,涉及到很多改造工作。

首先,要加装专门的天线,一般安装在机腹位置(卫星通信天线会安装在机背位置)。

然后,连接到 CPE。再连接到机舱内的 Wi-Fi 装置,或前舱的专用网络设备。

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ATG 机上部分(图片来自网络)

从系统架构的角度来说,好像并不是很复杂。

ATG 的主要技术挑战在飞机和基站之间的无线连接部分。

民航飞机的飞行速率一般是 800 千米 / 小时左右,最高可达 1200 千米 / 小时。飞行高度前面说过了,平流层飞行一般在 1 万米高空。

这么远的距离,这么快的速度,加上天气等因素的影响,想要保证网络连接的高速稳定,是极具挑战的。

针对超高速移动带来的多普勒频移,需要通过算法设计和参数优化,进行补偿,尽可能降低频偏。

ATG 系统的基站覆盖半径也比普通基站大得多。因为如果覆盖半径小,飞机飞得快,就会频繁发生小区切换,影响用户上网体验。

目前,通过采用特殊的帧结构、调整空口无线参数,中兴通讯的 5G ATG 基站可以实现最大 300km 的小区覆盖半径,覆盖高度也可以达到 13000 米。

再有就是差异化的 QoS 保障。

飞机上的上网业务有很多,有的重要,有的不重要,需要通过设置不同的 QCI 业务优先级,对重点业务(飞行数据、控制数据等)进行保障。

第四就是天线。天线对信号的影响很大。采用相控阵天线,可以提升信号的指向性,增强信号收发效果,抑制干扰。

值得一提的是,国外很多 ATG 用的是专门的频段,且速率低,所以对天线要求不那么高。现在国内搞 5G ATG 的话,基本上都是 64T64R 的定制化 Massive MIMO 天线,具备更强的波束赋形和波束跟踪能力。

航空飞行最重要的就是安全。

虽然 ATG 的技术不算很复杂,但落地不容易。在飞机上进行改造,绝对不像我们自己家随便走个线那么简单。哪怕安装一个很小的东西,都涉及到非常复杂的研究和论证工作,还要层层审批。

ATG 系统改造,只能通过飞机制造企业来完成,周期很长,手续很多。没有拿到民航局的适航证,改造就是非法的,不被允许。

地面部分,一般来说,由电信运营商来完成。相对简单一些,但也涉及到频谱资源分配、信号干扰抑制等复杂细节。

ATG 的商业化进展如何?

在飞机上使用互联网,早在本世纪初就被提上了议程。

2005 年,欧洲空中客车宣布推出了全球首个客舱“无线网络系统”。不过,它借助的是“全球星”卫星通信系统。

2007 年,美国的 Aircell 公司(后来改名为 GoGo air)买下了美国对空的 3MHz 频率(属于 800MHz 频段),并以此建设了全球首个 3G ATG 系统。这个系统基于 CDMA EVDO 技术,当时引起了轰动。(当时我同事还去美国参与了这个项目。)

后来,欧洲空中网络(EAN)借助海事卫星组织的支持,建设了一套“卫星 + 4G ATG”的网络,为欧洲提供机载通信覆盖,也取得了不错的效果。

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相比之下,国内的机上联网和 ATG 技术起步稍微晚了一些。

2013 年 7 月,国航北京直飞成都的航线,推出了我国民航史上首架能在飞行途中实现上网的航班,采用的主要是卫星通信。

2016 年,国航成都分公司顺利完成了第一架空客 A321 飞机 ATG 系统的改装升级工作,将机上宽带上网速度提升到了 30Mbps。

后来,运营商越来越看重这一块市场。但是,可能是考虑到 5G 即将到来,所以,他们并没有大力建设 4G ATG 网络。

2018 年,飞行上网这块业务迎来了一波利好。

这一年的 1 月 15 日,中国民用航空局飞行标准司下发《机上便携式电子设备(PED)使用评估指南》,有条件地开放使用手机等移动设备上网。12 月,中国商飞公司牵头研制的 ATG 系统首次在国产支线客机 ARJ21 飞机 103 架机上进行了测试试飞,试验取得圆满成功。

2020 年,围绕 ATG 的竞争开始变得激烈。主要竞争对手是中国移动中国电信

中国电信这边,2020 年,他们与民航单位合作组建了天翼智慧航空科技股份有限公司(以下简称“天翼智航”)。年底,中国电信开通北京至成都、北京至上海、北京至广州三条 ATG 试验航线(目前有的还在运行)。当时,他们打算在 2021 年建设全球首张 5G ATG 商用网络,单架飞机峰值带宽预期高达 1Gbps。

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中国移动这边,2020 年 10 月,他们与中国商飞、中兴通讯合作,在山东东营成功进行了搭载 5G ATG 系统的国产大飞机首飞。

2021 年 4 月,中国民航局发布了《中国民航新一代航空宽带通信技术路线图》,再次给 5G ATG 加了一把火。

最近的大新闻,就是 2023 年 5 月,工信部依申请批复中国移动使用其 4.9GHz 部分 5G 频率资源,在国内有关省份开展 5G 地空通信(5G-ATG)技术试验。

这个意义很重大,是国内首次专门批复了 5G ATG 的试验频段。试验地点就是商飞东营试飞区和陕西阎良试飞区。

目前,在 5G ATG 这块,中国移动和中国电信之间的赛跑非常激烈(中国联通可能后期会与电信共建共享),大家都在积极推动 ATG 的落地,试图抢占这块市场。

据悉,围绕京沪、京蓉、京广、沪蓉等国内干线实验地面网的建设,正在紧锣密鼓地进行之中。运营商已经制定了推进路线图和时间计划,还成立了很多工作团队,全力推进飞行安全性、通信稳定性、系统互操作性等关键领域的测试验证,以及地面配套、机载软硬件、适航审定等标准规范的制定完善。

好啦,以上就是关于 ATG 的详细介绍。

根据数据显示,中国民航客机联网率仅仅只有 6%(且基本上是卫星通信),远远落后于欧美发达国家(83%),甚至远低于全球平均水平(49%)。这个和我们的经济发展水平以及通信技术水平是非常不对称的。

我相信,接下来的几年,随着国内 5G ATG 的加速建设,这一局面将会有很大的改观。不久以后,我们在飞机上一定能够享受高速且低价的互联网连接服务。

参考文献:

  • 《空中 5G 上网再进一步中国移动 5G-ATG 试验获批》,谭伦,中国经营报;

  • 《直冲云霄!探寻空中“5G 冲浪”新高地》,刘亚廷等,人民邮电报;

  • 《ATG 地空互联网技术,开启空中互联网时代》,韩营,中兴通讯;

  • 《工信部批复移动开展 5G-ATG 试验,空中用 5G 不远了?》,孔学劭,南方都市报;

  • 《左手卫星,右手 ATG:中国电信的航空互联网梦想》,水易,c114 通信网;

  • 《机上网络技术与差异化 2C 策略之研究》,许洪澎;

  • 《坐飞机将能 5G 上网了,但背后的科学你一定要知道》,赵涵,中国战略新兴产业;

本文来自微信公众号:鲜枣课堂(ID:xzclasscom),作者:小枣君

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