涵蓋一系列新的通信技術 5G將為民用航空帶來新變革

中國航空報訊：5G涵蓋了一系列新的通信技術，包括新的空中接口（簡稱空口）接入技術、多頻段MIMO天線以及更有效的波束賦型技術等。但是5G應該如何移植改造才能在飛機、機場、維修以及航空IT網絡中得以應用並發揮價值需要進一步探討。

3GPP提出5G新空口標準 為各行業應用提供了基礎

2017年，第三代合作夥伴計劃（3GPP）聯盟正式提出了5G新空口的初始標準，該聯盟由7個移動電信和無線網絡標準組織組成，代表700多家電信公司，這些公司也為世界提供了3G、4G和4G LTE網絡的空中接口技術。5G網絡的信號將在運營商所使用的新無線電頻率上運行，包括低頻（1GHz及以下）、中頻（1~6GHz）和高頻（毫米波）三種網絡。

根據全球移動通信協會（GSMA）的數據，當前已部署的5G網絡實際上是非獨立組網（NSA）的5G網絡，這意味著它是建立在4G LTE之上的無線架構。而最近成為熱點的高速低延遲網絡是獨立組網的5G網絡（5G SA），預計將在未來兩三年內開展部署。

3GPP推出的5G空口功能更強、速度更快，有望大幅縮短智慧型手機下載或更新應用程式所需的時間。根據高通公司提供的數據，5G將提供高達每秒20Gpbs的峰值數據速率和每秒100Mbps以上的平均數據速率，下載時長兩小時電影所需時間不到10秒，而使用4G網絡平均需要7分鐘。

目前，地面5G網絡已經在多種行業中得到了應用。儘管還未能在商用客機上實現獨立連接的5G蜂窩無線網絡，但是整個航空業正在加大力度推動5G初始應用案例的研發。

Gogo在北美建設5G地面站 採用新技術提供空地鏈路

美國的空中網際網路提供商Gogo公司工程高級副總裁表示，該公司正在開發新型天線和數據機，計劃於2020年底完成地面站點建設並開展飛行測試，最終在2021年底前實現世界上第一個機上連接（IFC）5G空對地（ATG）網絡。

據悉，Gogo的5G網絡僅限北美地區使用。基於北美地區現有的250個3G和4G IFC發射塔，Gogo的ATG 5G網絡將使用2.4 GHz頻段的免執照頻譜，並採用新的數據機和波束成形技術來提供飛機到地面站的鏈路。未來該網絡還將開拓低、中、高頻段的授權、共享及未授權的頻譜。

英國的通信公司Airspan正在為Gogo的5G ATG網絡設計和建造專用5G虛擬無線電訪問網絡（vRAN）基站。在空中進行基站之間的信號移交與管理都卜勒效應是很困難的，因此與時速500英裡（804千米）、飛行高度35000英尺（10千米）以上的飛機建立並保持連續的網絡連接是非常具有挑戰性的。

機場5G專網可優化保障流程 提升機場管理自動化水平

部分國家的機場和飛機維修服務商已經開始嘗試應用5G技術優化維修保障流程。2020年2月，諾基亞使用其數字自動化雲（DAC）端到端私有無線網絡和邊緣計算平臺在德國漢堡部署了一個5G專用無線網絡，漢莎技術公司利用該網絡開展了一項名為「虛擬臺板檢查」的項目。利用5G專網，漢莎的維修工程師無需前往漢堡，在本地的工廠內就可以進行遠程虛擬協同的發動機零件檢查，還能夠開展高清視頻培訓。

同時，諾基亞與比利時的移動運營商Citymesh正在開展合作，計劃在布魯塞爾機場使用相同的技術探索機場的5G網絡應用。從IT運營商的角度來看，Wi-Fi足以滿足當前乘客和機場管理的網絡需求。但是，機場的大範圍部署會給Wi-Fi網絡服務的連續性帶來挑戰，而且Wi-Fi的數據吞吐量和速度無法提供自動化應用程式和工業4.0所需的性能水平。通過研究，諾基亞認為利用5G技術部署一個專用無線網絡可以實現無電纜、自主的機場網絡環境，設備和第三方客戶可在獨立於公共行動網路的頻率上運行。

2020年4月，美國聯邦通信委員會（FCC）決定通過美國衛星通信公司Ligado的通信頻段申請，允許其在L波段部署一個低功耗的全國性地面網絡，以支持5G和物聯網服務（IoT）。隨後在4月17日，國際航空運輸協會（IATA）發表聲明，同其他二十多個航空和非航空相關組織一致反對FCC的決定。IATA認為Ligado使用的頻段靠近全球定位系統（GPS）所使用的頻段，將對GPS信號造成嚴重影響，尤其在低海拔地區可能會中斷GPS信號，還會干擾諸如地形迴避與警告系統（TAWS）這類需要使用GPS信號向飛行員顯示準確位置報告的座艙系統。此外，如果機場附近設有Ligado地面基站，飛行員可能無法在起飛前驗證衛星通信系統是否正常運行，造成飛機無法正常起飛，為飛機的運營和改造都帶來昂貴的成本。

電信運營商與航空業界正在探索5G網絡的低空應用需求與案例

隨著民航監管部門對無人機交通管理（UTM）的概念逐漸明確，人們開始關注未來5G能否成為無人機、電動出租飛機、空中交通管理部門以及無線網絡服務提供商之間數據和信息共享媒介。

Iris Automation公司執行長亞歷山大·哈姆森認為對於無人機交通管理來說，當前的一大難題是需要一個百分百可靠的高帶寬通信網絡來跟蹤非合作飛機。Iris Automation公司是一家位於矽谷的初創公司，一直致力於研究一種機載防撞系統，該系統將首次為美國聯邦航空局批准的無人機提供動力，使其無需藉助視覺觀察員（VOs）或昂貴的地面雷達系統就可以完成超視距飛行（BVLOS）。藉助類似Iris公司的機載系統，無人機可以近乎實時地做出決策，而無需將數百兆的高解析度視頻和感官信息流傳輸到地面的指揮控制設施。這意味著該系統可以結合來自地面的信息實現無人機的低密度運行，而無需 5G網絡的帶寬和可靠性。

與電信行業廣泛合作的Akin Gump律師事務所合伙人詹妮弗·裡克特表示，電信運營商通過與3GPP聯合協助FAA 開發了可用於測量無人機與地面接收器之間無線連接可靠性的指標。運營商已經商定了十幾個數據點，希望通過無人機集成試驗測試無線網絡用於無人機通信的情況，並將通用數據反饋給FAA為其提供評估依據。FAA對於這類數據非常感興趣，希望藉此進一步了解無線網絡支持無人機作戰的安全性。

美國航空航天局（NASA）也希望探索5G在低空空域的數據共享及其他潛在使用案例。NASA的航空研究任務理事會贊助了多項活動用於開拓先進空中機動（AAM）市場中通信、導航系統（CNS）的發展需求。通過去年8月推出的「大挑戰」系列活動，NASA計劃將參與新興航空運輸系統的公司召集在一起，徵集無人機運營的需求和優秀的實踐案例，包括FAA對電動和混合電動飛機的認證要求。

NASA的先進空中機動項目經理戴維斯·哈肯伯格稱該局正在探索AAM的CNS體系結構和技術，以滿足城市空域內和周圍大容量、高密度運行的安全關鍵服務要求。新服務試圖將現有CNS系統的可靠度和一致性與LTE/5G以及衛星通信等非航空市場的前沿無線通信技術結合起來。同時，新服務對頻譜效率和網絡容量也提出了更高的要求，NASA希望能夠通過某些技術手段對新服務進行一些調整使其更加適合AAM的運營。

2020年12月8日，美國聯邦通信委員會（FCC）將舉行一次公開頻譜拍賣，旨在進一步促進5G在美國的使用。在3.7~4.2GHz頻段內，FCC將分配該頻段的3.7~4.0GHz部分用於移動應用，並拍賣3.7~3.98GHz中的280兆赫頻段用於美國周邊的無線服務。FCC預計此次拍賣將產生數百億美元的收益。

此次拍賣中獲得的部分頻譜能否為低空運行提供5G支持仍有待觀察，不過航空航天業界正在為這一天的到來做準備。美國航空航天工業協會無人駕駛和新興技術主管馬克斯·芬克爾稱業界非常關注各種蜂窩和廣播通信技術的可用性，根據不同的任務有不同的使用需求。

對於未來的低空航空運營來說，無論是無人機還是城市空中交通，FAA都沒有針對具體任務設定安全案例，也未明確其頻譜要求。芬克爾預計，絕大多數小型無人機將使用藍牙或WiFi在未經許可的頻譜上運行，但更高海拔的大型飛機將使用專用頻譜，更類似於目前的有人航空和空中交通管制員採用的廣播式自動相關監視系統（ADS-B）。與此同時，電信運營商正在等待FCC和FAA的明確監管指導意見從而啟動基礎設施建設，進一步推動未來低空空中交通系統的實現。

當上述預期成為現實以後，民用航空很可能成為5G技術的頭號用戶。