基于5G的ATG实现方式及网络部署规划-李宗林

3.中移(上海)信息通信科技有限公司，上海200120)【摘要】【关键词】通过民航领域对基于5G应用的ATG系统的需求进行分析和预测，对ATG系统的5G基本组网架构进行探讨，对基于5G的ATG系统的关键技术难点进行逐一分析和计算，同时，结合5G专网特性及MEC的应用，对ATG专网的组A6-1010(2020)09-0014-05扫描二维码与作者交流oymentPlanningLIZonglinLUORunGUOShiweiZHAIWenkai3ChinaMobileCommunicationsGroupDesignInstituteCo.,Ltd.,ShaanxiBranch,Xi’an710069,China;ChineseFlightTestEstablishmentXian,China;ChinaMobileShanghaiICTCoLtd.,Shanghai200120,China)Thisarticleanalyzesandpredictsthedemandfor5G-basedair-to-groundcommunication(ATG)systemsinthefieldofthecivilaviation,discussesthe5GnetworkarchitectureoftheATGsystem,andanalyzesandcalculateseachtechnicalimplementationdifficultyof5G-basedATGsystems.Meanwhile,basedonthecharacteristicsof5GprivatenetworksandMECapplications,thenetworkingformofATGprivatenetworksisalsodiscussedandfinally,acommunicationprivatenetworksolutionsuitableforthedomesticGbasedATGsystemisobtainedureCPEphasedarrayantennaMECaccesscontrolprivatenetworkbandwidth根据民航总局发布的《2019年民航行业发展统计公报》，2019年，国内航线完成旅客运输量58567.99万人次，国内航线完成运输飞行小时991.62万小时；民航全行业运输飞机期末在册架数3818架，国内航线完成运输起飞架次447.78万架次起降航班：496.62万架次，旅客人次：6.6亿人次，全国机队规模：3818架，同时在空飞机数：1500架。在5G时代，互联飞机多达24000余传感器需100%实时传输数据至地面，前舱在飞行中产生的实时飞行数据和维护诊断数据需与地面监控中心保持实时高速通信，以进行监视和大型数据分析，而民航当前使用的高频甚高频地空语音通信、AeroMacs等方式均为窄带通信，无法实现前舱数据的实时传送，仅能在落地后离线拷贝，效率低下，且无法实时监控飞机健康状态，根据空客skywise(智慧天空)测算，现代客机在飞行中前舱产生的飞行数据传输需求至少为30GB/航班，且随着飞机的更新换代技术升级，前舱的飞行数据会越来越多，亟需一种快速进行数据实时回传或落地后进行数据快速卸载的解决措施。另外，对于乘客的互联网通信需求的后舱业务，对地通信传输速率需求至少为300Mbit/s。5GATG(AirToGround，地空通信)大带宽、低时延特性与切片技术结合，可为前舱提供大带宽的专有网络，实现飞机驾驶舱安全数据传输、位置数据实时监控、视频监控实时传输，提高飞机驾驶安全。据此测算，未来民航业对ATG系统的市场容量将会越来越大，市场体量每年将达百亿元，ATG系统的前景非常广阔。测算依据见表1所示：表1民航业ATG系统流量测算表后舱(实时通信300Mbit/s)前舱(30GB/架次)991万小时-产生的流量/PB9968473流量价值/亿元093注：依据2019年国内民航业统计数据，流量价值按照2元/GB进行测算1ATG5G系统综述1.1ATG系统网络架构ATG系统包括地面端和机载端两部分设备[1]，地面端主要由地面基站设备、传输设备、MEC(边缘计算设备)和5GC组成；机载端包括机载CPE端机、机载天线、图1ATG系统架构图1.2ATG系统基本指标根据《中国移动5G+行业解决方案白皮书》中飞联网部分相关内容，ATG的系统指标要求如下。(1)覆盖场景最大半径：300km，最大支持到1200km/h移动性，覆盖高度：最大13000m，连续覆盖高度7000~13000。组网及覆盖形态如图2所示：图2ATG系统覆盖示意图(2)频段选取由于中移动公网使用2.6G的N41频段组网，为避免与公网干扰，ATG系统规划采用N79的频段组网建设ATG专网，与公网进行频段隔离，同时，由于覆盖航路的基站基本均位于郊区和农村地区，对其他专网的4.9G基站干扰可控，4.9G频段可用带宽100MHz。频率使用策略，建议在网络规划初期，先行使用(3)系统指标zBW最大上行带宽：每架飞机120Mbit/s@100MHzBW。机载CPE：尺寸须符合标准航电设备。机载天线：为确保系统性能，发挥5GMassiveMIMO特性，机载端天线需采用高性能相控阵天线，满足-30dB地面NR网络同频高干扰组网要求。ATG地面基站：标准64T64R5GAAU+BBU，系统带宽100MHz，发射功率200W。MEC：一体化UPF设备，部署于地面基站机房内。2020年第9期2ATG技术难点和解决思路为完成地空通信，需解决三大问题，第一，基站对空的覆盖问题；第二，ATG基站，机载CPE与外界的相互干扰问题；第三，地面专网组网形态问题。2.1地空覆盖解决方案ATG覆盖问题在4.9GHz频段，用NR标准规定的PRACH格式，覆盖半径最大为102km，无法满足最大覆盖半径300km的需求。为实现300km大覆盖半径，需在3GPP现有标准下，进行定制化协议，改变帧结构，信号强度与PRACH不同format格式对应小区覆盖半径表如表2所示：表2不同format格式对应小区覆盖半径表FormatZc序列长度子载波间隔/kHzCP度半km08393168*Ts183921024*Ts328394688*Ts52383953168*Ts1现有帧结构仅支持≤102km半径覆盖，无法满足300km的大半径覆盖要求。针对于PRACHFormat0格式进行深度修改，同时采用大周期的帧结构，获得频偏校正和大半径覆盖能力。建议采用20ms长周期的帧结构，300km覆盖半径的单向时延为1ms，双向时延2ms，NR标准帧结构无法满足。通过设计时长2ms的4个特殊子帧来保证300km覆盖的上下行切换时序要求。由于机载业务以下行为主，为了避免引入2ms特殊子帧后下行业务比例过低，通过增加D子帧数量来提升下行业务比例(可达75%)。图3为ATG帧结构示意图(20ms周期，30kHz子载波间隔)。定制AAU：增强基站侧的覆盖方向性增益，通过优化阵子方向，并结合3D-MIMO的波束赋形技术，加强对空航路覆盖的方向性和指向性，增加基站侧覆盖的方(2)多普勒效应问题民航飞机近1200km/h的移动速度，在1200km/h时速下的频偏将超过子载波带宽的4倍，而普通终端无上行纠偏能力，将极大地影响飞机接入网络的成功率，3GPP协议以及端到端算法和硬件需定制化支撑。kmh最大频偏5.44kHz，NR标准技术Format1，最大覆盖半径102km时，PRACH信道子载波间隔仅有1.25kHz；频偏校正难度大。受限于计算能力，目前地面消费类终端未进行上行纠偏，在ATG场景下会形成最大超过子载波带宽4倍的频偏，影响飞机的接入成功率，需在机载CPE侧增加上行预纠偏，且需在随机接入过程前完成。1)定制机载天线：增加机载侧的增益，提高信噪比指标，采用性能较高的相控阵天线，增加机载侧的收发增益，同时发送定向窄波束，降低对地干扰，提高信噪比指标，提升了覆盖边缘的增益。2)定制CPE终端：上行预纠偏能力提高接入成功率，波束控制能力增强了切换能力，增加终端计算能力，对多普勒频偏进行上行预纠偏，提高接入成功率，同时，加入基于GPS+北斗+GNSS的信号强度天线控制算法，加强机载天线波束控制，降低对地干扰，增强切2.2干扰规避分析ATG系统与其他系统的干扰可分为两大方面，即系统间干扰和系统内干扰。国内4.5~4.9GHz频率资源划分表3所示。ATG统外干扰WRCG825—4835MHz用nn-1nn+1n+2DDSSSSUUUUUUDDDDDDDDUUDDDDDDDDUUDDDDDDDD图320ms周期帧结构示意图表3国内4G频段划分表中华人民共和国无线电频率划分/MHz国际电联3区无线电频率划分4500—4800卫星固定(空对地)5.441移动CHN21-4500—4800卫星固定(空对地)移动4500—4800卫星固定(空对地)5.4414500—4800[射电天文]5.1495.339CHN12CHN214800—49404800—4990移动[射电天文]4800—4990移动5.440A5.442[射电天文]5.1495.3395.443于射电天文业务(高优先级)，4830MHz射电天文业务线密集区，其他站在航线边缘，且距离城区60~300km。4830MHz频段射电天文站分布如图4所示：图4射电天文站分布图射电天文业务不发射，仅接收，不会干扰其他业务，但因其干扰容忍门限非常严格，接近热噪，故需严格控制ATG系统对其干扰，对于同频下的系统外的射电天文业务需要做好干扰协调工作，包括频率保护带、设站隔离等手段。频率与射电天文异频部署，在满足隔离距离且结合机载赋形天线和功率控制方案时，可实现与射电天文业务共存。结论：ATG使用4.9GHz部署时，存在对射电天文业务干扰，主要为机载CPE干扰射电天文接收，为规避干扰，机载CPE需采用赋形天线+功率控制，并保持与射电台空间隔离超过50km的安全距离。如果可提前获取射电台的天顶观测角度，可通过机载天线波束主瓣和射电天线观测法线的夹角实时计算与射电台的隔离度，将隔离距离进一步缩短为30km。(2)系统内干扰对于同频下的系统内地面5G业务，需做好共频干扰协调，明确地面业务为高优先级，以不影响地面业务为前提的网络部署及规划。大气波导：干扰时段和强度对地面网络影响不大，4.9GHz为TDD系统，可能存在大气波导等干扰，但考虑在5G系统广播、用户数目、站点密度以及波导效应出现时间等因素，预计ATG系统大气波导干扰影响远小于ATG基站对地面基站和地面终端干扰：由于ATG系统使用和大网不同的帧结构，同大网4.9GHz基站共站会产生交叉时隙干扰，故ATG基站不可与大网4.9GHz基站共站建设。地面终端对ATG基站干扰：ATG基站与4.9GHz基站不共站建设，该干扰可忽略不计。地面基站对机载CPE干扰(主要)：4.9GHz频段用于室外微站部署时，经现网调研，对机载CPE干扰约20dB以内，通过加密ATG站点和定制相控阵天线，可将干扰控制在10dB左右，影响不大。机载CPE干扰地面终端：地面小区边缘RSRP为-69dBm/20MHz，来自机载CPE的干扰最大为-89dBm/20MHz，相比小区边缘信号强度可忽略不计。2.3ATG系统专网组网形态不同于地面公共基础服务网络，ATG系统为地空5G专网[2]，为提供统一的高质量的接入能力，同时确保2020年第9期不对地面公共网络产生干扰和影响，建议专网进行接入控制，按照独享专网形式进行规划建设。建议接入控制策略：根据《中国移动5G专网业务规范》关于PLMN标识广播网号，有如下说明：“5G行业网在与公众网共用网络时使用的广播网号(PLMN标识)为46000，尊享专用局域覆盖内可按需广播网号46008”。因此，未来中国移动ATG系统的PLMN标识建议采用广播网号为46008。因此，本文提出ATG的虚拟空中专网的概念。空中虚拟专网，通过5G网络切片+边缘计算(MEC)+UPFULCL(上行链路分流)功能，将不同行业专网的业务流映射至不同的UPF，同时结合SPN(切片分组网络)的FlexE能