机载互联网的卫星通信实现方式分析和展望

机载互联网的卫星通信实现方式分析和展望

黄松涛，李洲

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

摘　要　本文介绍了机载互联网的国内外发展情况以及采用的技术体系和业务类型，并分析了机载互联网所涉及的国

内卫星资源、电信运营商、频率规划以及航空公司的限制和风险，旨在探讨国内尚处于起步阶段的机载互联网业务的技术发展方向。

关键词　机载公众通信；机载互联网；高通量卫星；ATG

中图分类号 TN927 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2018）11-0006-05

收稿日期：2018-10-18

1 引言

长期以来，由于飞机移动速度快、航线分布广、舱内电磁兼容要求高等限制，机载公众通信一般都用于机组通信，很少向公众开放。近年来，我国航空市场发展迅速，截至2017年底，民航全行业运输飞机期末在册架数3 296架，比上年底增加346架[1]。随着乘客数量的飞速增长、通信技术的创新发展和通信成本的逐年下降，国内外航空公司纷纷开始提供客舱内互联网接入服务，包括面向公众乘客的网页浏览、即时通信、电子邮件、企业VPN 应用，面向航空公司的运营数据、客舱娱乐更新以及电商平台消费应用等。

我国正在推动将目前的航空机载通信业务商用试验转为正式商用，本文主要对机载互联网的卫星通信实现方式和发展前景进行探讨。

2 国内外机载互联网发展情况介绍

2.1 机载公众通信方式发展情况

早期机上公众通信只有唯一的固定电话方式，由于运营成本高、利用率低，因而价格昂贵，一般只用于公务机或者头等舱，未能普及。通过机载无线基站提供移动通信覆盖的方式，由于无线频率管制、用户使用习惯（机舱内环境嘈杂、不适宜多个用户同时通话）等原因，目前尚无实际应用。

我国交通运输部2017年第29号令公布了《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》（CCAR-121部）第五次修订，其中第121.573条规定，合格证持有人（即航空公司）认为使用时不会影响飞机导航和通信系统的便携式电子设备可以使用，但需根据使用情况验证后再决定[2]

。从目前国内各航空公司实际操作情况来

看，部分航线允许手机采用“飞行模式”在飞机上使用，但均不允许连接蜂窝网络，只能采用Wi-Fi方式连接。用户可以使用自有的终端通过验证后接入机载Wi-Fi，进而接入娱乐、管理、购物等多种平台。可见，当前机载公众通信业务已逐步转向互联网服务。

2.2 机载通信政策发展情况

由于机载公众通信颇为严苛的电磁兼容要求，相关国家的监管机构对于机载公众通信的准入是一个循序渐进的长期过程。

2004年10月，FAA（美国联邦航空

管理局）下属的RTCA（航空无线电技术委员会）发布了DO-294《T-PED机上使用指南》，制定了评估PED（便携式电子设备）干扰风险的测试流程，以及用于防止人为操作带来的风险的管理流程。 2013年10月，FAA开放手机的部分功能，要求使用飞行模式。

根据中国民航局飞标司对《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》第五次修订版本的解读，航空公司可以作为主体对便携式电子设备的影响进行评估，并根据评估的结果来决定在飞机上使用何种便携式电子设备，同时民航局飞标司制定了相应的审核、评估的方法，来接受航空公司的申请。中国联通、中国电信、中国移动、中交通信等通信企业也正在配合工信部积极探索手机开放，开展机载互联网试验及正式运营等工作。

2.3 机载互联网业务发展情况

根据权威机票查询网站Routehappy统计，截至2017年底，全球有43%的航班里程提供Wi-Fi接入，同比增长10%。我国各大航空公司均与电信运营商合作，在部分航线上提供机载Wi-Fi服务，当前都处于从试商用向正式商用转变的阶段。国航在2011年开通了局域网航班试点，并在2013年开通国内首个卫星通信互联网航班，2014年4月开通国内首次ATG（Air To Grounds，地空连接）地空宽带互联网航班。南航于2014年7月实现基于Ku卫星的互联网航班的首次试飞，2016年正式开通国际航线的上网服务。东航2014年7月实现基于Ku卫星的互联网航班的首次试飞，计划 2018年互联网机队数量超过100架。

根据北方天空咨询公司（NSR）对机载互联网的发展情况预测，到2020年全球机载互联网市场将达到28亿美元，到2025年将增长到接近40亿美元，具体见图1所示。

3 机载互联网的卫星通信实现方式

目前机载互联网一般采用ATG和卫星直连两种方式。

ATG采用在飞机航线沿线地面建设3G或4G基站、基站信号辐射空中、机上搭载CPE的方式。为达到连续覆盖，基站间隔一般约为50～100 km。为避免与地面3G/4G系统同频干扰，ATG系统需要采用专

门的频率。由于需要沿线建设专用基站，仅能在陆地使用，同时缺乏合法可用频段，因而发展受限。随着卫星通信技术的发展，特别是HTS（High Throughput Satellite，高通量卫星）投入运营，单架飞机能提供的速率达到100 Mbit/s级别。近年来，卫星直连方式逐渐成为主流。

3.1 卫星直连机载互联网网络架构和业务能力

通过卫星连接的机载互联网网络架构如图2所示。

业务设备既可使用乘客自有手机、PAD、手提电脑，也图1 机载互联网市场发展预测图（来自NSR预测数据）

可定制专用接入终端（提供广告、多媒体等增值业务）。机载卫星通信系统由安装于飞机顶部的卫星天线和机舱内的基带设备组成，将机舱内Wi-Fi系统承载的数据通过通信卫星传至卫星地面站，同时还需建设专门的网络管理平台（包括认证、计费、安全、设备管理等功能）和业务拓展平台。

卫星直联方式的主要优点包括覆盖范围广，可提供全球覆盖（包括跨洋），可实现同一卫星网络下国际漫游；服务不间断，可提供登机至离机（Gate to Gate）连续服务；以及网络较稳定，用户速率和上网质量有一定保证。缺点为机上装载设备多、飞机改装成本高、传输时延大。

早期的Ku频段卫星通信仅能提供单架飞机0.5 Mbit/s的速率，当前典型的Ku频段卫星能够达到单架飞机30 Mbit/s的速率，国外采用Ka频段高吞吐量卫星的系统（例如Viasat公司为JetBlue提供的Ka频段机载Wi-Fi系统）能够为每位乘客提供5～10 Mbit/s速率的上网体验，已经接近地面Wi-Fi的体验。

3.2 卫星直连机载互联网技术发展趋势分析

机载互联网的发展主要取决于用户感知上网速率，也就是卫星通信的业务能力，这将主要依赖于卫星通信

频段和机载卫星天线的选择和发展。

3.2.1 卫星频段选择

早期机载卫星通信是基于L波段的机

载海事卫星通信系统，主要用于解决空中

交通控制，包括语音、ACARS（Aircraft

C o m m u n i c a t i o n s A d d r e s s i n g a n d

Reporting System，飞机通信寻址与报告

系统）等，均属于前舱通信需求。由于L

波段频率有限，总体带宽资源非常有限，

能提供的传输速率在100 Kbit/s级别，不

能满足客舱互联网通信需求。

机载卫星通信的第二阶段是Ku频段，由于Ku频段拥有频率资源远远高于L频

段，即使受限于飞机安装环境只能采用小增益卫星天线，由于卫星资源足够，整机峰值速率也可达30 Mbit/s，因此成为当前机载卫星通信系统最成熟的航空互联网解决方案。国内东航、国航、南航等航空公司也多采用Ku机载卫星进行机载互联网试验。

然而，由于Ku频段卫星资源价格高、可提供的总容量和单飞机容量也都不能完全满足日益发展的互联网通信需求，机载卫星通信又逐步转向更高频率的Ka频段。Ka频段卫星一般也被称为高通量卫星（HTS），由于采用多波束和同频复用技术，单颗卫星的容量可到100 Gbit/s以上，是传统Ku卫星的50倍以上；单个载波速率可达到100 Mbit/s级别，是传统Ku卫星的5倍以上。容量的提升也带来成本的下降，综合各卫星公司公开披露数据，单颗高通量卫星的建造、运营成本约为传统卫星的2～3倍，因此其单位速率传输成本能够达到传统Ku卫星的1/10左右。传统Ku频段卫星也逐渐采用多波束和同频复用机制，发展为Ku频段HTS。随着美国Viasat系列、海事卫星组织Inmarsat五代星的成熟运营，采用Ka频段机载卫星通信系统解决航空互联网需求预计将成为将来的主流。北方天空咨询公司（NSR）对空中通信的发展情况预测如图3所示。

可见，虽然各频段连接数都会稳步增长且L

频段连图2 机载卫星通信结构示意图