飞机上可以用5G吗？快了快了，越来越快了

很多人或许都发过这样一条朋友圈——

“马上要飞啦，失联俩小时……”

是的，每到坐飞机的时候，我们就要把手机关机或调至飞行模式。一方面固然是为了避免电磁干扰、确保安全，但另一方面，就算我们在飞机上想上网，也根本没有信号呀。

图源：微博网友

那什么时候才能在飞机上上网，甚至用上5G网络呢？

好消息来了。5月5日，工信部批复中国移动申请利用4.9GHz频率开展5G地空通信技术验证试验项目。如果这种技术得以实际应用，我们就可以在客舱里接入5G网络，在万米高空看电影、玩游戏，愉快网上冲浪了！

图源：工信部网站

如何实现机上联网

曾经有研究对20000多名乘客做了问卷调查，调查显示：超过90%的人非常想上网，但只有不到30%的人愿意付费。这其实也反映了目前飞机上网的一些问题，速度慢、网费贵、需要提前预约，还有人数限制，这样的网谁想用呢？

图源：参考文献1

为了满足大家乘机时上网的迫切需求，技术人员深入地研究了机上联网技术。

机上联网技术主要包括两个部分：飞机宽带接入技术和客舱WiFi联网，即让飞机先接入网络，再使飞机的网络无线覆盖客舱内乘客的电子设备。

客舱内的WiFi联网，和在家里有什么区别吗？早期有些飞机提供舱内上网服务是用网线连接的，而现在也只需像家里一样安装路由器一类的装置就可以实现了，这没什么特别的难度。

难的是，如何让飞机能够接入网络。试想，飞机在天上，离地面那么远，又移动得那么快，这和我们平常上网的状态可是太不一样了。

实现飞机宽带接入的两种方式

飞机宽带接入的实现方式主要有两种，分别是卫星机载通信方式与ATG地空宽带通信方式。

卫星机载通信方式是利用卫星、飞机、卫星地面站三者进行数据通信。该系统由三部分组成，分别是空间段、地面段以及机载段。空间段指通信卫星（卫星转发器）；地面段指地面上负责发送和接收卫星信号以及对卫星网络进行管理的地面设施；机载段指的是位于飞机上的通信设备。

卫星机载通信示意图

图源：参考文献3

早期卫星机载通信是基于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、飞机通信寻址与报告等，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100Kbit/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，但卫星资源足够多，整机峰值速率也可达30Mbit/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。

图源：sohu.com

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，采用多波束和同频复用技术，单颗卫星的容量可到100Gbit/s以上，是传统Ku卫星的50倍以上；单个载波速率可达到100Mbit/s 级别，是传统Ku卫星的5倍以上。

L波段、Ku频段、Ka频段这些词汇大家可能不熟悉，这是卫星通信领域的核心概念，指代不同波段的无线电波，频率越高，传输速率越快。

不同无线电波频段示意图

图源：看航空公众号

ATG地空宽带通信方式是沿飞行航线布设地面基站并对空发射无线电信号，形成地空通信链路，向空中的飞机提供高带宽通信服务。地面基站部署天线对空覆盖，飞机通过安装在飞机上的机载接收设备，接收到地面信号后转换成机舱内的WiFi信号覆盖。

ATG 地空宽带通信示意图

图源：参考文献3

ATG基站比一般基站厉害的一点，就在于它能够把信号输送到几千米的高空，让飞行中的飞机也能接收到。ATG基站信号覆盖半径可达300km，最大支持到1200km/h的移动性，覆盖高度最大可达13000m。

这是如何实现的呢？原来ATG基站采用了一种叫做波束赋形的技术。普通的基站就像白炽灯泡，向四面八方都“发光”，那么某个特定方向上的信号强度就没办法特别突出。而波束赋形的信号就像手电筒，向某个方向集中发光，集中能量对着飞机的方向发送信号，飞机就能接收到了。

ATG基站波束赋形示意图

图源：参考文献4

不同通信方式的优缺点

卫星机载通信优势是覆盖范围广泛，可实现国际漫游。缺点是通信带宽较窄、时延较长、机载设备成本较高等，通常仅能提供收发邮件、网页浏览等简单上网应用服务。我们目前能用到的那一点点舱内上网的功能，基本是依靠这种方式。

图源：sina.com

与卫星通信系统相比，ATG具有高带宽、低延时、低成本、易安装、可实现等优势。ATG的带宽是卫星通信的5倍以上，ATG下行带宽可达3.6Mbps，上行带宽也可达1.8Mbps，上网体验明显优于卫星通信方式。但是由于地面基站很难实现跨洋部署，这种通信方式不适于国际航班使用。而对于我国的基建能力来说，在国内建设ATG基站是没有问题的，所以此次中国移动推进的也是5G-ATG技术。

图源：共青团中央

综合来看，基于5G的ATG系统将为国内民航业的空中互联业务带来跨越式的发展，其中蕴含的市场前景每年将达百亿。因此，近年来，电信运营商、通信设备商和航空公司纷纷布局5G+ATG产业链。

图源：sina.com

运营商方面，中国电信通过与民航单位跨界合作，组建天翼智慧航空科技股份有限公司，建设全球首张5G+ATG商用网络；中国移动推出了中移九霄5G地空通信平台，建设端到端5G地空通信试验系统；中国联通则成立联通航美网络有限公司，为中国联通机载通信业务提供产品集成、业务平台研发、客户服务等技术支撑工作；通信设备商方面，中兴通信推出了业界首个5G ATG解决方案。

相信有这么多先进技术的推动和试验，在不远的将来，我们就可以愉快地在飞机上刷剧、玩游戏、开视频会、处理流程、做PPT、回复邮件啦。

图源：微博网友

参考文献

[1] 杜晨慧,向思思,黄得刚,陈朗.民机机上联网航空领域现状分析[J].计算机科学,2021,48(S1):364-368.

[2] 王洪超,李奕霖.5G扬帆，天地互联——5G+ATG地空宽带产业链解析[J].中国电信业,2021(11):30-33.

[3] 王俊杰, 李福昌, 张琳,等. 民用航空互联网通信发展趋势及网络架构分析[J]. 邮电设计技术, 2021(12):4.

[4] 李宗林, 骆润, 郭世伟,等. 基于5G的ATG实现方式及网络部署规划[J]. 移动通信, 2020(9):14-18.

作者：郭玮宏 中国科学院大学博士 高级工程师

编辑：rain

网络图片版权归原作者所有

文章为上海科技馆所有

未经允许，禁止转载