李立忠，王程，王來(lái)軍，陳偉

（上海安費(fèi)諾永億通訊電子有限公司，上海 201108）

0 引言

ATG（Air to Ground，地空通信，也稱A2G）或DA2G（Direct Air to Ground，直接地空通信）系統(tǒng)沿航路部署地面基站，并在地面基站與飛行器之間建立直接的無(wú)線連接（如圖1），比之由衛(wèi)星和地面站組成的航路覆蓋系統(tǒng)，ATG 部署快、投資少，更容易做到大帶寬、低延時(shí)，且受高空氣象條件影響小。由于ATG 是在地面基站與飛行器間通訊，無(wú)法覆蓋深海區(qū)域，因此洲際航線仍需衛(wèi)星通訊支持，可由衛(wèi)星與ATG 聯(lián)合組網(wǎng)。基于Massive MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）天線系統(tǒng)的信道容量較大，飛機(jī)不再只是運(yùn)輸工具，也可能成為高速上網(wǎng)的辦公室、會(huì)議室甚至家庭影院。同時(shí)，乘客旅行行為及航空管理模式也有望發(fā)生變化，比如，乘客在飛機(jī)上就可以辦理轉(zhuǎn)機(jī)手續(xù)而不必要長(zhǎng)時(shí)間聚集在機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)機(jī)柜臺(tái)；機(jī)長(zhǎng)可根據(jù)航線的氣象條件動(dòng)態(tài)調(diào)整飛行高度，提升安全性及乘客舒適度；地勤可根據(jù)在途飛機(jī)的實(shí)際情況提前準(zhǔn)備好合適數(shù)量的油料及補(bǔ)給品，減少浪費(fèi)；機(jī)械師可根據(jù)實(shí)時(shí)的機(jī)上設(shè)備數(shù)據(jù)做好分析診斷，減少飛機(jī)維保時(shí)間等。此外，ATG 通訊對(duì)于新興起的無(wú)人機(jī)行業(yè)也提供了技術(shù)支撐。

圖1 覆蓋航路的直接地空通訊效果圖（圖片來(lái)源：Fluidmesh）

1 ATG在國(guó)外的進(jìn)展

目前，ATG 網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用主要是在美、歐兩地。在美國(guó)，老牌ATG 運(yùn)營(yíng)商GOGO 和新興運(yùn)營(yíng)商Smartsky 正就建設(shè)5G ATG 網(wǎng)絡(luò)展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)；而在歐洲，由Nokia 和Skyfive 建設(shè)、維護(hù)的EAN（European Aviation Network，歐洲航空網(wǎng)絡(luò)）處于ATG 網(wǎng)絡(luò)的壟斷地位。

1.1 美國(guó)

GOGO（原名Aircell）是ATG 大規(guī)模應(yīng)用的鼻祖[1]，于2020 年把商業(yè)航空部門(mén)出售給Intelsat，此后專注于公務(wù)航空領(lǐng)域，至2021 年11 月，GOGO 的ATG 系統(tǒng)已安裝在5 550 架公務(wù)機(jī)（Business Jet）上。由于芯片短缺等影響，GOGO 把開(kāi)始5G ATG 服務(wù)的時(shí)間由2021 年推遲到2022 年。2021 年11 月，GOGO 宣布全球最大的私人公務(wù)機(jī)維修、保養(yǎng)修服務(wù)提供商鄧肯航空正在完成基于來(lái)自龐巴迪、灣流、達(dá)索、德事?。═EXTRON）的30 多個(gè)機(jī)型的首件STC 認(rèn)證（First-article Supplemental Type Certification，首條補(bǔ)充型式認(rèn)證），并稱其正在建造的是全球第一個(gè)，也是唯一真正的機(jī)艙5G 網(wǎng)絡(luò)。GOGO 5G ATG 網(wǎng)絡(luò)中，5G 云核及數(shù)據(jù)中心方面的合作伙伴是思科。GOGO 的計(jì)劃是一開(kāi)始就提供包含150 個(gè)地面站點(diǎn)，覆蓋全部CONUS（即除阿拉斯加外的美國(guó)本土）的公務(wù)航空端到端5G 網(wǎng)路服務(wù)，然后快速延申至加拿大及阿拉斯加；每個(gè)地面天線的覆蓋距離達(dá)200～300 km，其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Smartsky 則在不斷宣傳其服務(wù)隨區(qū)域性部署漸次展開(kāi)。2021 年底，GOGO 成功完成了基于7 個(gè)站點(diǎn)的試運(yùn)行試驗(yàn)，并稱全國(guó)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行會(huì)在2020 年下半年。GOGO 預(yù)期基于其5G ATG 的平均上網(wǎng)速率接近25 Mbps，峰值速率為75～80 Mbps。

Smartsky 公司是美國(guó)另一家活躍的新興ATG 技術(shù)提供商，一直宣稱的所擁有的200 項(xiàng)圍繞ATG 的專利是其強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。GOGO 曾向美國(guó)專利與商標(biāo)局申請(qǐng)就Smartsky 專利中通過(guò)軟件定義無(wú)線電進(jìn)行波束賦形的部分進(jìn)行多方重審，但沒(méi)有得到支持。裁決之后，Smartsky 首席執(zhí)行官稱競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手GOGO 很難繞開(kāi)其專利建成5G 網(wǎng)絡(luò)，而GOGO 則回應(yīng)：無(wú)論是裁決結(jié)果還是Smartsky 的專利組本身都不影響其拓展GOGO 5G以及增強(qiáng)在公務(wù)航空市場(chǎng)地位的能力。在經(jīng)過(guò)一系列的延誤并把設(shè)備供應(yīng)商告上法庭之后，Smartsky 于2021年加快了網(wǎng)路部署。Smartsky 目前的計(jì)劃是在今年第一季度完成對(duì)不含阿拉斯加的美國(guó)本土航線的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，至2021 年底已建成約80%。該公司也是第一家接入主流工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)Honneywell Forge 的ATG運(yùn)營(yíng)商，使飛機(jī)上不需降落就可把飛行數(shù)據(jù)傳至平臺(tái)進(jìn)行分析。業(yè)界領(lǐng)先的艙內(nèi)娛樂(lè)服務(wù)商霍尼韋爾已成為Smartsky 的增值分銷(xiāo)商。

1.2 歐洲

EAN（European Aviation Network，歐洲航空網(wǎng)絡(luò)）的地面部分是第一個(gè)按3GPP 標(biāo)準(zhǔn)建造的ATG 網(wǎng)絡(luò)，包含了300 多個(gè)地面LTE 站點(diǎn)，其頻譜來(lái)自國(guó)際海事衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商Inmarsat，地面網(wǎng)絡(luò)直接建在德國(guó)電信的4G 網(wǎng)絡(luò)上，天線安裝在原塔址[2]。圖2 為EAN ATG 天線垂直面方向圖。EAN 是由有實(shí)力的傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)，有Nokia 等領(lǐng)先設(shè)備商提供設(shè)備，因此比起美國(guó)同行，在頻譜、硬件上有一定優(yōu)勢(shì)。EAN 頻譜采用的是S 波段B65的下半部分（UL：1 980—1 995 MHz，DL：2 170—2 185 MHz）[3]，待需求上升，可擴(kuò)展至上半部分（UL：1 995—2 010 MHz，DL：2 185—2 200 MHz）；EAN稱每個(gè)航班可達(dá)到100 Mbps 的下行網(wǎng)速。其5G 演進(jìn)選用的是NSA（Non Stand Alone，非獨(dú)立組網(wǎng)），以便匹配機(jī)隊(duì)的4G 配置并兼容后面的5G 升級(jí)。EAN 已在40余個(gè)國(guó)家安裝并提供服務(wù)，其中有些小國(guó)家由鄰國(guó)的基站做航線覆蓋。

圖2 ENA ATG天線垂直面方向圖

EAN 地面基站天線能覆蓋從水平方向到垂直方向之間的范圍，圖2 中采用遙控傾角的對(duì)空覆蓋方案，以便通過(guò)飛行數(shù)據(jù)的積累不斷優(yōu)化傾角，提升網(wǎng)絡(luò)工作質(zhì)量。

EAN ATG基站天線的空間覆蓋如圖3所示。

圖3 EAN ATG基站天線的空間覆蓋

SkyFive 總部位于德國(guó)，由原Nokia 資深高管創(chuàng)建，致力于為航空旅客提供寬帶服務(wù)并實(shí)現(xiàn)大量航空數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與分析，2019 年10 月完成了對(duì)Nokia ATG 資產(chǎn)的收購(gòu)。Nokia 和SkyFive 是EAN 背后的技術(shù)和設(shè)備提供方。收購(gòu)后，SkyFive 保證履行其在包括航空電子設(shè)備、電信、IT 系統(tǒng)等方面端到端方案的責(zé)任，而Nokia 基于其技術(shù)及交付能力繼續(xù)負(fù)責(zé)地面網(wǎng)絡(luò)的銷(xiāo)售和實(shí)施。除服務(wù)于EAN外，SkyFive 積極向歐洲之外拓展，其策略是與當(dāng)?shù)赜袑?shí)力的伙伴合作，尤其強(qiáng)調(diào)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的協(xié)同。2021 年9 月，SkyFive 與澳大利亞的Pivotel 簽署《諒解備忘錄》，在悉尼與達(dá)博之間面積約5 萬(wàn)平方公里的區(qū)域內(nèi)，采用Nokia 的eNodeB、NEC 的iPasolink 微波技術(shù)及Flightcell的機(jī)上終端，建設(shè)一張ATG 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證飛行旅客的連接體驗(yàn)及公共安全飛行的大數(shù)據(jù)量通訊。

比較起來(lái)，美國(guó)的GOGO 和Smartsky 選擇自己建設(shè)并運(yùn)營(yíng)ATG 地面網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)勢(shì)是可以根據(jù)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)、進(jìn)行必要的升級(jí)且決策效率高，有利于保證服務(wù)質(zhì)量。而歐洲主流ATG 廠商則選擇“大聯(lián)合”，EAN 選用3GPP 標(biāo)準(zhǔn)，是要充分利用德國(guó)電信現(xiàn)有的4G 設(shè)施，降低設(shè)備與技術(shù)的成熟度風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)快速、低成本的部署和運(yùn)營(yíng)。GOGO 和Smartsky 的第一代ATG 地空通訊均使用或部分使用了非授權(quán)頻段，GOGO 既有的授權(quán)頻段3G/4G 網(wǎng)絡(luò)則作為5G 網(wǎng)絡(luò)的冗余配置，以提升網(wǎng)絡(luò)可靠性[4-5]。EAN 每座4G 地面天線的典型覆蓋距離為100 km，從其宣傳資料上，最長(zhǎng)的數(shù)據(jù)是150 km，而GOGO 則稱最遠(yuǎn)可覆蓋300 km。

2 ATG天線的研究進(jìn)展及本文天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 ATG天線研究進(jìn)展

目前，關(guān)于ATG 技術(shù)的應(yīng)用研究主要聚焦于蜂窩通信，地面天線通常為定向天線。ETS 的Navid 等人設(shè)計(jì)的ATG地面基站天線為二維板狀天線，利用分扇區(qū)的方式進(jìn)行覆蓋[6]。清華大學(xué)張超課題組給出了移動(dòng)通信基站和ATG 基站共用的設(shè)計(jì)方案，具體為頂部天線用于ATG 通信覆蓋、下方的板狀天線用于地面的移動(dòng)通信[7]；同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還做了MIMO 天線在ATG 中的相關(guān)研究，但研究較為虛擬化，需要結(jié)合實(shí)際布局做進(jìn)一步探討[8]。中電科航空電子有限公司和電子科技大學(xué)杜曉實(shí)等人闡述ATG 天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)、難點(diǎn)，并研究了機(jī)載端天線的選項(xiàng)要求，設(shè)計(jì)了一款滿足LTE 全頻段ATG 航線覆蓋的雙頻雙極化地面端天線單元[9-10]。另外，美國(guó)軍方實(shí)驗(yàn)室的Steven D 等人在ATG 通信中利用圓極化的四臂螺旋天線來(lái)減少極化損耗[11]。高通公司在專利中給出了采用環(huán)形布陣，由多個(gè)陣列實(shí)現(xiàn)不同高低仰角的覆蓋[12]。GOGO 公司同樣采用多扇區(qū)的方法，并獲得了分集增益進(jìn)而提高系統(tǒng)容量[13]。羅克韋爾柯林斯公司研究了飛機(jī)定位、通信塔的選擇以及如何實(shí)現(xiàn)需要的波束指向[14-15]。本文給出了基于余割平方波束的Massive MIMO 天線實(shí)現(xiàn)方案。

2.2 本例天線覆蓋方案的選擇

與天線對(duì)地覆蓋存在多徑衰減不同，對(duì)空輻射則可以傳播很遠(yuǎn)，ATG 天線的覆蓋范圍可遠(yuǎn)達(dá)300 km。通常飛機(jī)是沿著預(yù)先定義的航線，以較固定的高度勻速飛行。如圖4 所示，假設(shè)飛機(jī)A 的高度H按照固定值10 km，飛機(jī)A 相對(duì)于地面基站B 從300 km 外飛至距自己15 km的過(guò)程中，其連線和地面的夾角ε只需從0°抬升至約30°。為了保證飛機(jī)A 能獲得均勻的信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系和自由空間傳播模型[17]，地面基站B 的增益Gt和ε有如下關(guān)系：

圖4 ATG通信覆蓋示意圖

由式(1)可知，地面基站B 的增益和ε的余割平方成正比，按照此公式設(shè)計(jì)的方向圖稱為余割平方方向圖[18]。因此，地面基站天線只需要形成單波束就能實(shí)現(xiàn)較大的覆蓋范圍，這能大大提高ATG 天線的波束賦形效率。

本文中的天線實(shí)例是依據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)情況采用2.4 GHz頻段開(kāi)發(fā)的垂直極化天線陣，基站采用6 扇區(qū)配置，天線在60°范圍內(nèi)作水平波束掃描；垂直方向上為30°俯仰角的余割平方固定覆蓋。本天線將安裝在山頂、高樓等位置較高的地方，并配有機(jī)械裝置調(diào)整天線傾角，使得天線能獲得最大的接收功率，因此可忽略地形地貌帶來(lái)的影響。為接近水平方向的理論掃描效果，天線設(shè)計(jì)有校準(zhǔn)裝置，以消除各端口幅相與理論值的差異。Massive MIMO 天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示，x為垂直方向，y為水平方向。16 個(gè)1×16 天線陣列形成16 端口Massive MIMO 天線，16 端口從左到右依次命名為P1、P2、……、P16。1 個(gè)或多個(gè)端口同時(shí)工作來(lái)接收或發(fā)射信號(hào)。當(dāng)在16 端口中同時(shí)饋入不同幅度和相位的信號(hào)時(shí)，可形成16×16 陣列天線。相比MIMO 天線的其他工作狀態(tài)，此時(shí)可獲得更大的增益。

圖5 Massive MIMO天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 天線覆蓋方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

為在每個(gè)子陣列（縱向）取得余割平方輻射方向圖，首先設(shè)定余割平方方向圖函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，使用原理簡(jiǎn)單、參數(shù)簡(jiǎn)潔和優(yōu)化速度較快的PSO（Particle Swarm Optimization，粒子群優(yōu)化算法）[19]，迭代出優(yōu)選的單元數(shù)量及間距以及饋入子陣列中每單元信號(hào)的幅度、相位權(quán)值。

為了建立陣列天線方向圖和各單元信號(hào)的幅相之間的關(guān)系，利用等間距點(diǎn)源的直線陣模型作為余割平方方向圖綜合的依據(jù)[17]。圖6 為等間距點(diǎn)源的直線陣模型，其歸一化方向圖函數(shù)可表示為：

圖6 等間距點(diǎn)源的直線陣模型示意圖

其中，In為第n個(gè)陣元的激勵(lì)電流復(fù)矢量。根據(jù)式(2)可知，改變In可以靈活地對(duì)陣列天線的方向圖進(jìn)行賦形。

根據(jù)天線增益和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，將式(3) 作為目標(biāo)方向圖函數(shù)。借助于PSO 算法，將陣列天線的實(shí)際方向圖函數(shù)逼近目標(biāo)方向圖函數(shù)。為此，定義了適應(yīng)度函數(shù)如式(4) 所示。

I1,I2,…,I16為16 個(gè)陣元的歸一化的電流幅度，φ1,φ2,…,φ16分別為16 個(gè)陣元的電流相位，方向圖函數(shù)的權(quán)重w1和副瓣的權(quán)重w2均設(shè)為1，SSL(θ) 為實(shí)際方向圖函數(shù)的副瓣電平，SSL0(θ)為目標(biāo)方向圖函數(shù)的副瓣電平。

經(jīng)優(yōu)化算法結(jié)束后，返回16 個(gè)陣元的歸一化的電流幅度和相位如表1 所示。

表1 優(yōu)化后各單元的歸一化電流幅度和相位分布

相應(yīng)優(yōu)化后的方向圖如圖7 所示。可見(jiàn)，優(yōu)化后的方向圖相比目標(biāo)方向圖，在主瓣范圍內(nèi)的增益最大差值小于1 dB，旁瓣電平小于-25 dB。因此，筆者認(rèn)為獲得了余割平方的方向圖賦形，達(dá)到了算法的優(yōu)化效果。

圖7 優(yōu)化后的方向圖和目標(biāo)方向圖對(duì)比

2.4 陣列天線的仿真與實(shí)測(cè)

基于以上優(yōu)化結(jié)果，為了驗(yàn)證上述獲取的各端口幅度、相位權(quán)值的準(zhǔn)確性，我們利用CST 電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了1×16 陣列天線。首先選擇了尺寸小、相鄰振子互耦合小的交叉饋電微帶天線作為天線單元，然后在饋電網(wǎng)絡(luò)中利用威爾金森功分器[20-21]并調(diào)整微帶線長(zhǎng)度和移相器實(shí)現(xiàn)各端口的幅相分配，局部饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)物圖如圖8 所示。為了驗(yàn)證實(shí)際效果，對(duì)1×16 陣列進(jìn)行加工和測(cè)試。1×16 陣列天線xoz面的歸一化方向圖如圖9 所示，可見(jiàn)，仿真和實(shí)測(cè)相比，實(shí)測(cè)方向圖主波束波動(dòng)略微增加，副瓣電平略微提高，這是因?yàn)樵趯?shí)際加工過(guò)程中，材料的均勻性、線路加工公差和過(guò)孔加工公差等因素都會(huì)引起饋電網(wǎng)絡(luò)各端口的阻抗失配、相位延遲，進(jìn)而造成饋電網(wǎng)絡(luò)各輸出端口的幅相和仿真有所差異。但本設(shè)計(jì)天線副瓣小于-20 dB，仍能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 饋電網(wǎng)絡(luò)局部實(shí)物圖

圖9 1×16陣列天線xoz面歸一化方向圖

為了實(shí)現(xiàn)陣列天線較高增益的波束掃描，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的系統(tǒng)需求，將上述1×16 陣列作為子陣在y方向上等間距排列形成16 個(gè)端口的MIMO 天線。使用電子移相器將16 個(gè)端口同時(shí)激勵(lì)獲得了合成的方向圖，如圖10～12 所示。在xoz面，方向圖主瓣較仿真波動(dòng)略微增加，原因在于相鄰子陣之間的耦合以及各端口的幅相激勵(lì)和理論值之間的差異；在yoz面獲得了較高增益窄波束的方向圖，MIMO 天線最大增益可達(dá)26.4 dBi；在y方向+30～-30°掃描范圍內(nèi)，天線增益掃描損耗約為1 dB，天線設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期。實(shí)際項(xiàng)目上，為消除系統(tǒng)饋入各端口幅度和相位的誤差，在天線的16 個(gè)主潰口加入了校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。

圖10 16端口MIMO天線3D方向圖仿真

圖11 16端口MIMO天線xoz面歸一化方向圖

圖12 16端口MIMO天線yoz面波束掃描方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了ATG 網(wǎng)絡(luò)在國(guó)外的進(jìn)展，然后利用余割平方的基本原理設(shè)計(jì)了天線的覆蓋方案，并通過(guò)方向圖乘積定理和PSO 算法獲得了能產(chǎn)生余割平方波束的初始權(quán)值分配。在此基礎(chǔ)上，利用CST 仿真軟件設(shè)計(jì)了1×16 的陣列天線，并利用威爾金斯功分器和移相器實(shí)現(xiàn)了各端口幅相分配，進(jìn)一步利用1×16 天線子陣設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有高增益波束掃描的Massive MIMO 天線。測(cè)試結(jié)果表明，Massive MIMO 天線在xoz面具有余割平方方向圖，同時(shí)在yoz面實(shí)現(xiàn)了窄波束高增益方向圖且具有較強(qiáng)的波束覆蓋能力。本設(shè)計(jì)方案及天線已經(jīng)過(guò)業(yè)界的實(shí)用性驗(yàn)收，為ATG 通信天線的設(shè)計(jì)提供了參考案例。