ATG地空互联网技术，开启空中互联网时代
发布时间：2021-01-27 作者：中兴通讯 韩营 阅读量：
ATG场景需求分析
我们目前处在一个信息高速发展的时代，移动网络技术也从传统的2G/3G发展为4G/5G高速互联网技术，移动应用极大丰富，用户对移动网络和终端设备的依赖性也达到了一个新的高度。但对于航空场景，目前网络覆盖还处在一个相对发展缓慢的阶段，与地空互联应用的迫切需求不匹配。2018年4月，李克强总理主持的国务院常务工作会议上，正式把推动飞机上互联网接入业务纳入提速降费工作内容。同年，民航局联合中航协下发互联网接入实施意见，明确推动空中接入互联网服务，到2022年基本实现干线客运空中接入互联网服务全覆盖。空中互联市场发展亟需低成本、大带宽、高体验的网络接入方案。
ATG（Air to Ground）利用成熟的陆地移动通信技术，针对航空高速移动、广覆盖等特性进行定制化开发，在地面建设能够覆盖天空的专用基站，构建一张地空立体覆盖的专用网络，可有效解决高空立体覆盖问题，实现地空高速数据传送。地面基站方案紧随移动通信技术发展，提供高带宽、高流量、低成本的解决方案，具有非常大的布网及升级维护优势。ATG服务可为航空旅客提供机上娱乐、机上办公及定制服务，还有广泛的行业应用前景，如航空公司的医疗救援、航班运营、空中气象及飞行安全需求，空管部门的智能化、数字化空管应用、地面远程行业控制应用等。
ATG技术方案
ATG系统网络框架类似于地面基站网络，地面基站信号通过机载天线引入到飞机机舱内部，机舱内信号由CPE接收后，转化为Wi-Fi信号为机舱用户提供数据服务。ATG系统网络架构如图1所示。
图1 ATG网络系统架构图
由于ATG网络场景的特殊性，如飞机的飞行高度、高飞行速率及机舱安全等要求，需要专业技术来保障空中用户体验。ATG系统的主要关键技术有超高速多普勒频移补偿技术、超大小区半径覆盖技术、差异化QoS保障策略及高性能天线等。
- 超高速多普勒频移补偿技术
飞机飞行速率一般在800千米/小时，最高可达1200千米/小时，超高速移动会带来较严重的多普勒频移，影响系统性能。中兴通讯采用独有的超高速频偏补偿技术，为降低频偏对接入的影响，机载CPE将下行信道估计的频偏值在上行侧进行预补偿。针对gNB接收信号存在CPE与gNB之间2倍的时钟频率偏差，机载CPE侧进行频偏估计及预补偿，从而使得基站侧接收到基本无频偏的上行接收数据。基站侧同样采用类似频偏估计方法来进行相关频率补偿。采用该超高速频偏补偿技术，可大大降低接入影响，保障空中网络的系统性能。
- 超大小区半径覆盖技术
由于飞机飞行速率较高，采用普通的小区覆盖半径，会引起频繁切换，影响ATG系统性能和用户体验，故ATG系统一般需要超大小区半径。除了避免切换的技术原因外，还存在我国东部沿海航线覆盖、西北空阔低话务地区低成本建网及陆台两地航覆盖等需求，最大覆盖需求距离在200~300km。中兴通讯ATG系统小区覆盖半径最大可达300km，可满足以上多种空中覆盖场景需求。为实现超大小区半径覆盖，中兴通讯采用独有的系统帧结构设计、PRACH发送时序调整、上下行HARQ及干扰抑制等多种专利技术，来保证最大300km的小区半径接入和网络性能。
- 差异化的QoS保障策略
由于航空场景有特定的业务保障及监控需求，需要对用户进行差异化的QoS保障。ATG系统支持不同的QCI业务优先级，如信令、飞行数据、版本数据、业务数据等，可配置QCI和不同数据之间的mapping关系。同时机舱内是Wi-Fi系统，QCI的优先级关系，还可与机载服务器/Server参与共同配置。
- 定制化的高性能天线
由于高空特殊的信道环境，及其与地面环境的隔离、抗干扰等要求，ATG系统的天线需要特殊定制化技术，以增强信号，抑制干扰，实现低空至高空的高质量覆盖。
中兴通讯ATG应用案例
基于以上场景分析，ATG系统涉及到复杂的算法定制和协议修改，包括机载设备，需要符合航电要求，更需要有丰富商用部署经验的厂商来设计。中兴通讯从2008年开始发力ATG技术和应用，无论地面基站还是机载CPE，均有大量的研发、地面测试、航测和部署建设经验。2009年，中兴通讯为美国Gogo承建了全球最早、规模最大的3G ATG网络，覆盖美国全境，目前已为全美超过7000架飞机提供服务；2014年，中兴通讯承建了全球第一个LTE FDD ATG网络，并联合国航完成ATG飞行测试，可为机舱内用户提供4G网络速率体验，并在2016年的春节进行了万米高空看春晚的在线直播活动；2019年6月，在上海举办的MWC 2019亚洲年度科技行业盛会上，中兴通讯“ATG空中宽带方案”获得“亚洲最佳互联生活移动应用”大奖。
随着5G网络时代的到来，中兴通讯也开启了5G ATG的研发和试验，力争今年年底实现全国5G ATG的商用，开启我国5G空中高速互联网的新时代。
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