朱永文,喻蘭辰暉
(1.空軍研究院,北京 100085;2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191)
航空通信系統(tǒng)是航空運(yùn)輸系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)設(shè)施,是確保航空運(yùn)輸安全高效運(yùn)行的基本要素。根據(jù)國(guó)際民用航空組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)對(duì)地空通信業(yè)務(wù)量的統(tǒng)計(jì),2020 年全球范圍內(nèi)航空話音通信的業(yè)務(wù)量達(dá)到16.2 Merl(百萬(wàn)愛(ài)爾蘭),數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)量接近577 000 Gb,平均每架飛機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率約為10 Mb/s。隨著全球航空運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展,空中交通管制(Air traffic control,ATC)與航空公司運(yùn)控(Aeronautical operational control,AOC)等空中交通服務(wù)(Air traffic service,ATS)對(duì)航空通信能力提出了更高的需求。雖然現(xiàn)階段基于窄帶甚高頻(Very high frequency,VHF)的航空通信系統(tǒng)已經(jīng)得到了迅速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用,但仍無(wú)法適應(yīng)航空通信業(yè)務(wù)大帶寬、高可靠、高速率、全覆蓋等日益增長(zhǎng)的發(fā)展需求。因此,推動(dòng)航空通信系統(tǒng)由窄帶向?qū)拵Оl(fā)展,大力推進(jìn)新一代航空通信系統(tǒng)的技術(shù)研究與發(fā)展,已經(jīng)是全球現(xiàn)代航空通信系統(tǒng)建設(shè)的必然選擇,是全球航空業(yè)發(fā)展的統(tǒng)一共識(shí)[1-2]。
早在2002 年,美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)與歐洲航行安全組織(European Organization for the Safety of Air Navigation,EUROCONTROL)已經(jīng)開(kāi)始為下一代航空通信系統(tǒng)聯(lián)合開(kāi)展組織研究工作。2005 年,ICAO 航空通信專(zhuān)家組開(kāi)始規(guī)劃面向未來(lái)ATC 的移動(dòng)通信系統(tǒng),同時(shí)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration,F(xiàn)AA)和EUROCONTROL 也聯(lián)合發(fā)起了“未來(lái)通信研究計(jì)劃”。根據(jù)民航地空寬帶通信系統(tǒng)頻率規(guī)劃現(xiàn)狀,建議未來(lái)寬帶航空通信系統(tǒng)部署在L 波段的航空無(wú)線電導(dǎo)航頻段。2007 年國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)在世界無(wú)線電大會(huì)上,通過(guò)了對(duì)航空寬帶通信系統(tǒng)頻率資源的部署決議:將航空移動(dòng)通信系統(tǒng)(L-band digital aeronautical communications system,L-DACS)部署在L 波段(890~1 164 MHz),以及將機(jī)場(chǎng)區(qū)域的寬帶航空移動(dòng)通信系統(tǒng)(Aeronautical mobile airport communications system,AeroMACS)[3-4]部 署 在C 波 段(5 091~5 150 MHz)。AeroMACS 系統(tǒng)主要應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面區(qū)域,而L-DACS 系統(tǒng)主要用于終端區(qū)、高空航路空域。這兩項(xiàng)航空寬帶技術(shù)均作為支撐未來(lái)四維航跡運(yùn)行的重要基礎(chǔ)[5]。如圖1 所示,依據(jù)通信對(duì)象可以將L-DACS 數(shù)據(jù)鏈劃分為空對(duì)地(Air to ground,A/G),空對(duì)空(Air to air,A/A)兩種類(lèi)型。
圖1 L-DACS 數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)疽鈭DFig.1 L-DACS data link schematic diagram
隨著航空運(yùn)行服務(wù)能力需求的不斷提升,ACARS 和VDL Mode 2 將 無(wú) 法 滿 足 未 來(lái)ATC 及AOC 的運(yùn)行需求[6]。ICAO 所發(fā)布的航空組塊升級(jí) 計(jì) 劃(Aviation system block upgrades,ASBU)(圖2)明確提出在組塊2 初始階段,需要民用航空寬帶數(shù)據(jù)鏈逐漸替代現(xiàn)有的窄帶VHF 數(shù)據(jù)鏈,以提升航空通信能力,滿足日益增長(zhǎng)的通信服務(wù)需求。
圖2 2013—2028 ASBU 通信組塊路線圖Fig.2 2013—2028 technology roadmap of communication block in ASBU
為促進(jìn)中國(guó)民航空管系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè),中國(guó)民用航空管理局(Civil Aviation Administration of China,CAAC)在2016 年發(fā)布了中國(guó)民航空管關(guān)于未來(lái)發(fā)展的中長(zhǎng)期戰(zhàn)略綱要——《中國(guó)民航空管現(xiàn)代化戰(zhàn)略》(Civil Aviation ATM modernization strategy,CAAMS),并 于2020 年3 月 頒 布 了CAAMS 實(shí)施路線圖[7],明確指出未來(lái)通信導(dǎo)航監(jiān)視朝著高性能、高精度和空天地一體化方向發(fā)展,航空通信呈現(xiàn)出飛行全階段地空通信寬帶化的趨勢(shì);在重點(diǎn)任務(wù)中提出了完善通信基礎(chǔ)設(shè)施和通信服務(wù)的要求,將開(kāi)展航路L-DACS 寬帶通信技術(shù)的試驗(yàn)與應(yīng)用作為中遠(yuǎn)期目標(biāo)之一。2021 年4 月CAAC 印發(fā)了《中國(guó)民航新一代航空寬帶通信技術(shù) 路線圖》[8](圖3),明確 提出了未來(lái)開(kāi)展基于L-DACS 標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施、應(yīng)用的探索和研究,需要推進(jìn)5G L-DACS 2.0 技術(shù)的空管業(yè)務(wù)應(yīng)用示范,要求在2031 年后能夠?qū)崿F(xiàn)航空寬帶通信的全面應(yīng)用,支撐新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。推進(jìn)新一代寬帶通信技術(shù)在民航中的應(yīng)用,將為民航行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力保障,有效促進(jìn)智慧民航的新技術(shù)發(fā)揮作用。表1 重點(diǎn)列出了L-DACS 系統(tǒng)相關(guān)的綜述論文、學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告以及發(fā)展規(guī)劃。
表1 重要參考文獻(xiàn)匯總Table 1 Summerization of critical literature
圖3 中國(guó)民航新一代航空寬帶通信系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施路線圖Fig.3 Technology roadmap of China civil aviation new generation aviation broadband communication
未來(lái)空中交通管制的運(yùn)行概念是以航空器與ATC 地面系統(tǒng)的可靠數(shù)據(jù)通信為前提,向飛行員與管制員提供航班意圖信息、運(yùn)行態(tài)勢(shì)信息以及實(shí)時(shí)管制指令信息等。L-DACS 不僅可以在安全通信的基礎(chǔ)上保證通信服務(wù)質(zhì)量,而且可以滿足AOC 對(duì)大帶寬、高吞吐量的需求,也能夠?qū)崿F(xiàn)大數(shù)據(jù)量信息的可靠傳輸,進(jìn)而有助于實(shí)現(xiàn)基于航跡運(yùn)行、數(shù)字化管制、高清監(jiān)視信息實(shí)時(shí)共享等運(yùn)行服務(wù)。對(duì)于ATC,L-DACS 是將航空器集成到廣域信息管理平臺(tái)(System wide information management,SWIM)先決條件,有利于促進(jìn)管制信息的高效共享;對(duì)于航空公司,可以提升航空器機(jī)載運(yùn)行數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)維數(shù)據(jù)的傳輸效率,能夠高效地支撐機(jī)隊(duì)管理方式,減少航空器的周轉(zhuǎn)時(shí)間,提高航司的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。
由于使用VHF 通信信道的航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)存在帶寬受限的問(wèn)題,國(guó)際將航空寬帶通信系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展轉(zhuǎn)向了L-DACS 的研究。最初的工作是集中在對(duì)VHF 數(shù)據(jù)鏈波形的研究上,期望通過(guò)小幅度變更的方式改進(jìn)已經(jīng)部署的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),以達(dá)到提升帶寬,增強(qiáng)通信能力的目的。此項(xiàng)技術(shù)被稱作寬帶甚高頻數(shù)據(jù)鏈(Broadband VHF,B-VHF)[16]然而經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后發(fā)現(xiàn):維持甚高頻頻段的使用,部署應(yīng)用B-VHF 通信系統(tǒng)具有明顯的約束性。因此,在由FAA 與EUROCONTROL 聯(lián)合實(shí)施的行動(dòng)計(jì)劃AP17 中,給出了L 波段是最適合支撐未來(lái)航空通信運(yùn)行需求波段的結(jié)論,在此基礎(chǔ)上L-DACS 數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展開(kāi)始持續(xù)推進(jìn)。由于目前的技術(shù)研究、試驗(yàn)驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)制定均針對(duì)L-DACS A/G 通信發(fā)展,L-DCAS A/A 尚處于初步探索階段,后文L-DACS 均 代 表L-DACS A/G 系 統(tǒng)。
L-DACS 系統(tǒng)分為多載波-L-DACS1 與單載波L-DACS2 兩個(gè)完全獨(dú)立的候選版本方案[17]。從兩個(gè)地空數(shù)據(jù)鏈方案的發(fā)展脈絡(luò)(圖4)可以看出,它們均是由現(xiàn)有的通信系統(tǒng)演化而來(lái),但各自具備不同的技術(shù)特點(diǎn)與實(shí)施方式。L-DACS1 系統(tǒng)技術(shù)是基于B-VHF 技術(shù),在AP17 后期階段,將前期研究關(guān)于可擴(kuò)展的B-VHF 技術(shù)進(jìn)行調(diào)整,遷移至L 波段的960~1 164 MHz 之間的頻段范圍進(jìn)行研究。L-DACS1 系統(tǒng)采用基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)的多載波調(diào)制傳輸,雙工方式采用頻分雙工(Frequency division duplexing,F(xiàn)DD),前向鏈路(Forward link,F(xiàn)L)和反向鏈路(Reverse link,RL)傳輸帶寬均為500 kHz?;谒捎玫淖赃m應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)(Adaptive modulation and coding,AMC),可以支持QPSK、16QAM、64QAM 的調(diào)制方式,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了FL 傳輸速率為303~1 373 kb/s、RL 傳輸速率為220~1 038 kb/s。而L-DACS2 則是以全球移動(dòng)通信(Global system for mobile communications,GSM)系統(tǒng)為基礎(chǔ),采用單載波調(diào)制傳輸,調(diào)制方式為高斯最小頻移鍵控,雙工方式為時(shí)分雙工(Time division duplexing,TDD),在200 kHz 傳輸帶寬條件下傳輸速率為270.833 kb/s。相較而言,L-DACS1 比L-DACS2 具有更高的頻譜效率,具備更強(qiáng)的干擾抵抗能力。因?yàn)長(zhǎng)-DACS1 采用了AMC 技術(shù),能夠根據(jù)信道環(huán)境中噪聲和干擾模式,依據(jù)實(shí)際的信道狀態(tài)分別對(duì)各子載波采用不同的調(diào)制模式以適應(yīng)通信環(huán)境,而L-DACS2 則難以適應(yīng)高動(dòng)態(tài)的信道環(huán)境[18];L-DACS1 的FDD 特性使其更適合語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸,而L-DACS2 的TDD特性則不適合語(yǔ)音傳輸,難以有效支持?jǐn)?shù)字化管制的通信需求;L-DACS1 幀格式的設(shè)計(jì)中,循環(huán)前綴和子載波間隔需要進(jìn)一步分析,以適應(yīng)遠(yuǎn)距離和高速度的航空器航行狀態(tài)下的通信需求。
圖4 L 頻段地空數(shù)據(jù)鏈發(fā)展脈絡(luò)Fig.4 Development process of L-band air-ground data link
在世界無(wú)線電大會(huì)上雖然確定了將L 波段的960~1 164 MHz 頻段分配給新一代航空通信系統(tǒng)使用,但該波段已經(jīng)由測(cè)距儀(Distance measuring equipment,DME),二次監(jiān)視雷達(dá)(Secondary surveillance radar,SSR),多功能信息分發(fā)系統(tǒng)(Multifunction information distribution system,MIDS),聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(Joint tactical information distribution system,JTIDS)等航空系統(tǒng)占用,如圖5所示。GSM 系統(tǒng)與L 波段的低頻段緊鄰[19];DME系統(tǒng)占用960~1 213 MHz 頻段,無(wú)論工作在X 模式或Y 模式,單DME 設(shè)備運(yùn)行帶寬為1 MHz,載頻間隔為1 MHz。JTIDS 部署在969~1 206 MHz頻段,采用跳頻技術(shù)分布在51 個(gè)頻道內(nèi)[9]。對(duì)于L-DACS 系統(tǒng),嚴(yán)格要求不可與上述系統(tǒng)產(chǎn)生相互的干擾,在不變更頻譜資源分配方案的情況下僅能使用L 波段的剩余頻譜資源進(jìn)行部署應(yīng)用[20]。
圖5 L 波段資源使用情況Fig.5 L-band frequency resource utilization
因此,在頻譜資源飽和的前提下安全高效地部署L-DACS 系統(tǒng)是航空寬帶通信系統(tǒng)發(fā)展的重要難題。L-DACS1 提出了以頻率嵌入的方式部署在DME 系統(tǒng)頻段之間的技術(shù)方案,并且為實(shí)現(xiàn)頻譜的有效利用,在FL 與RL 之間設(shè)定了確定的頻率間隔。L-DACS1 與DME 的工作頻帶與系統(tǒng)帶寬接近,并且正常運(yùn)行狀態(tài)下DME 信號(hào)傳輸功率遠(yuǎn)高于L-DACS1 信號(hào)。研究表明,對(duì)于任意功率的DME 干 擾 信 號(hào),單 個(gè)L-DACS1 符 號(hào) 受 到DME 脈沖信號(hào)干擾的概率接近90%,甚至在最嚴(yán)重情況下DME 信號(hào)能夠產(chǎn)生23.5 dBm 干擾影響。因此,解決與DME 系統(tǒng)之間嚴(yán)重干擾的難題是L-DACS1 系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)需求。在L-DACS1系統(tǒng)的官方定義建議書(shū)中提出了采用擦失譯碼、過(guò)采樣和脈沖消隱3 項(xiàng)技術(shù)來(lái)抑制DME 干擾[10-11,21],建議通過(guò)過(guò)采樣與其余2 種技術(shù)結(jié)合,以4 倍采樣頻率消除殘帶外干擾。
進(jìn)一步的試驗(yàn)研究表明,L-DACS1 系統(tǒng)不僅具有抗多徑能力強(qiáng)、傳輸容量大,拓展性靈活的明顯優(yōu)點(diǎn),也可以通過(guò)合理配置OFDM 系統(tǒng)的子載波以及頻帶劃分方式帶來(lái)高頻譜效率的優(yōu)勢(shì)。L-DACS1 系統(tǒng)以內(nèi)嵌方式部署在L 波段內(nèi),能夠在不同通信條件下調(diào)整可用信道資源,以低干擾的方式與原L 波段的其他航空系統(tǒng)共存,且不需要對(duì)現(xiàn)行L 波段的頻率劃分進(jìn)行重新分配,而L-DACS2 系統(tǒng)在這方面存在明顯的技術(shù)限制[22]。
L-DACS1 系統(tǒng)獲得航空領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,已經(jīng)成為國(guó)際民航未來(lái)寬帶航空移動(dòng)通信的重點(diǎn)研究方向。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)與飛行試驗(yàn)驗(yàn)證,L-DACS1 已經(jīng)從兩項(xiàng)備選方案中脫穎而出,于2015 年確定成為航路運(yùn)行階段航空寬帶通信技術(shù)發(fā)展的主要系統(tǒng)[12]。后文L-DACS 系統(tǒng)均代表L-DACS1 系統(tǒng)。截至目前,L-DACS 通信系統(tǒng)的能力已經(jīng)逐步趨于成熟,現(xiàn)階段仍主要以技術(shù)的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證為主[13,23],但由于無(wú)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的原因,沒(méi)有進(jìn)入大規(guī)模部署應(yīng)用的階段。
目前階段,國(guó)際組織尚未發(fā)布L-DACS 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)。通常來(lái)講,作為部署、應(yīng)用與實(shí)施L-DACS 系統(tǒng)的先決條件,需要由不同的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),涵蓋頻譜資源分配、無(wú)線電信號(hào)特性、航電設(shè)備性能以及基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行要求等?;谝呀?jīng)部署使用的通信系統(tǒng),ICAO 已經(jīng)發(fā)布了L-DACS 系統(tǒng)的白皮書(shū)[14],各個(gè)國(guó)際組織已經(jīng)開(kāi)始推進(jìn)L-DACS 的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程[24]:
(1)ICAO 的通信小組,在2018 年的項(xiàng)目組“地面數(shù)據(jù)鏈路”中草擬了L-DACS 的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),并于2020 年底制定了初步的技術(shù)指導(dǎo)手冊(cè)。目前于2021 年完成了標(biāo)準(zhǔn)與建議措施(Standards and Recommended Practices,SARPs)文 件,計(jì) 劃 最 終定稿于2026 年并完成標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。
(2)歐洲民用航空設(shè)備組織(The European Organization for Civil Aviation Equipment,EUROCAE)圍繞L-DACS 技術(shù)的功能、設(shè)備與系統(tǒng)等重點(diǎn)內(nèi)容,計(jì)劃發(fā)布涵蓋L-DACS 系統(tǒng)設(shè)備功能的最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)(Minimum operational performance standards,MOPS)以 及 覆 蓋L-DACS 系 統(tǒng)運(yùn)行性能的航空系統(tǒng)性能最低規(guī)范(Minimum aviation system performance standards,MASPS)。目前該組織已經(jīng)與航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)(Radio technical commission for aeronautics,RTCA)聯(lián)合完成了ATN B2 服務(wù)的性能與描述文件,正在進(jìn)行制定面向ATN B3 的描述文件?,F(xiàn)階段EUROCAE 聯(lián)合RTCA 已經(jīng)啟動(dòng)了針對(duì)L-DACS 標(biāo)準(zhǔn)化的項(xiàng)目,并確立了持續(xù)推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化制訂工作的小組。然而需要明確的一點(diǎn)是:EUROCAE 針對(duì)L-DACS 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定,需要基于ICAO 所開(kāi)展的L-DACS 標(biāo)準(zhǔn)化工作,因此EUROCAE 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程將整體稍晚于ICAO 的工作進(jìn)展情況。
(3)航空電子工程委員會(huì)(Airlines Electronic Engineering Committee,AEEC)計(jì)劃開(kāi)展ARINC航電標(biāo)準(zhǔn)的研究工作,包含L-DACS 航電設(shè)備的架構(gòu)組成、基本功能、適航能力等方面的內(nèi)容,該標(biāo)準(zhǔn)的制定有利于促進(jìn)L-DACS 機(jī)載航電設(shè)備在航空器上集成應(yīng)用的進(jìn)程。然而就目前數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展階段而言,進(jìn)行L-DACS 航電設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的制定尚早,因此國(guó)際建議需要由ICAO 與EUROCAE 的L-DACS 標(biāo)準(zhǔn)制定工作取得一定進(jìn)展,待所擬定標(biāo)準(zhǔn)修訂程度已經(jīng)處于較為成熟的階段之后,再由AEEC 進(jìn)行ARINC 航電標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。
通過(guò)螺旋上升的演進(jìn)方式推進(jìn)L-DACS 的技術(shù)發(fā)展,可以有效地應(yīng)用L-DACS 高容量帶寬的優(yōu)勢(shì)以補(bǔ)充現(xiàn)行部署應(yīng)用的通信系統(tǒng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看,當(dāng)L-DACS 的地面基礎(chǔ)設(shè)施部署完備之后,可以實(shí)現(xiàn)VDL 模式2 向L-DACS 的過(guò)渡,最終可以將VHF 的頻譜資源釋放,用于其他航空應(yīng)用。目前L-DACS 系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是由EUROCONTROL 進(jìn)行主導(dǎo),聯(lián)合荷蘭航空航天中心與德國(guó)宇航中心等機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與飛行試驗(yàn)驗(yàn)證后所確定的[15]。下文將介紹L-DACS 基于OSI 體系的網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層與物理層。
L-DACS 接入服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(L-DACS access service networ,LDAN)定義為向L-DACS 系統(tǒng)的用戶(即航空器)提供無(wú)線電接入所需功能的完整網(wǎng)絡(luò)[25]。LDAN 需要具備的功能包括:(1)建立并保持L-DACS 機(jī)載端通信電臺(tái)和L-DACS 地面站(Ground station,GS)之間的通信連接;(2)將航空器的認(rèn)證、授權(quán)與記賬(Authentication,authorization,accounting,AAA)消息傳遞至航空電信網(wǎng)絡(luò)的地面管制終端,進(jìn)而向航空器提供AAA 服務(wù);(3)航空器能夠在ATN 中進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和選擇,實(shí)現(xiàn)首選網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供方(即IP 地址分配)的決策,以及建立網(wǎng)絡(luò)層連通性的中繼功能;(4)進(jìn)行頻譜資源的管理與配置。除了上述必須的功能外,對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的移動(dòng)環(huán)境,地面控制站(Ground control station,GCS)應(yīng)支持LDAN 移動(dòng)性、位置注冊(cè)登記和與AAA 服務(wù)器接口等基本功能。
對(duì)于LDAN 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成元素,包含一個(gè)或多個(gè)L-DACS 地面站與一個(gè)地面控制站。不僅單個(gè)的LDAN 可以由多個(gè)通信服務(wù)提供方進(jìn)行數(shù)據(jù)的信息共享,也可以通過(guò)接入網(wǎng)間的連接實(shí)現(xiàn)多個(gè)LDAN 間的數(shù)據(jù)交互。
圖6 為L(zhǎng)-DACS 接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的示意圖??梢钥闯?,L-DACS 地面網(wǎng)絡(luò)參考模型包括:地面站、GCS、AAA 服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)接入和A/G 路由。對(duì)于地面部分,參考點(diǎn)G1 表示為由地面站與地面控制站之間的控制協(xié)議與用戶平面協(xié)議集的集成信息,包含LDAN 內(nèi)的數(shù)據(jù)路由信息,數(shù)據(jù)路徑建立、修訂與釋放的控制信息以及與航空器運(yùn)行情況匹配的控制協(xié)議;參考點(diǎn)G2 則表示為一系列控制平面協(xié)議,可由LDAN 地面站作為源點(diǎn)發(fā)送,也可由地面站進(jìn)行接收,該類(lèi)協(xié)議由地面站間進(jìn)行協(xié)調(diào);參考點(diǎn)G3 表示為有線的網(wǎng)絡(luò)連接,主要為AAA 服務(wù)器與GCS 之間進(jìn)行航空器身份AAA 服務(wù)管理相關(guān)的協(xié)議。對(duì)于A/G 數(shù)據(jù)鏈路部分,參考點(diǎn)R1由航空器和地面站之間的通信協(xié)議和管制程序的相關(guān)指令構(gòu)成,是L-DACS 空中接口(物理層與介質(zhì)訪問(wèn)層)的主要部分。而L-DACS 機(jī)載參考模型包含機(jī)載無(wú)線電(Airborne radio,AR),機(jī)載網(wǎng)絡(luò)接口(Airborne network interface,ANI)與機(jī)載語(yǔ)音接口3 個(gè)模塊。參考點(diǎn)A1 表示為ANI 和AR 之間進(jìn)行交互的協(xié)議消息;參考點(diǎn)A2-a、A2-b、A2-c 分別表示為管理機(jī)載ATN-IPS 通信路由、管理機(jī)載ATN-OSI 通信路由、管理機(jī)載ACARS 通信路由的控制協(xié)議與用戶協(xié)議;參考點(diǎn)A3 由一組控制協(xié)議和用戶協(xié)議組成,用于管理機(jī)載語(yǔ)音管理系統(tǒng)的控制協(xié)議與用戶協(xié)議。
圖6 L-DACS 系統(tǒng)參考架構(gòu)Fig.6 L-DACS system framework
支持空地通信的L-DACS 是一個(gè)基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信系統(tǒng)[26],并且系統(tǒng)具有星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中機(jī)載端通信電臺(tái)通過(guò)全雙工的方式連接至地面站。L-DACS 協(xié)議棧明確定義了基于OSI 體系的兩層結(jié)構(gòu),為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層(包括兩個(gè)子層),如圖7 所示。L-DACS 系統(tǒng)的物理層內(nèi)容詳見(jiàn)2.3 節(jié)。
圖7 L-DACS 協(xié)議棧Fig.7 L-DACS protocol stack
L-DACS 數(shù)據(jù)鏈路層提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾獏f(xié)議,以保證多用戶并發(fā)和可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ判枨螅?7]。L-DACS 的數(shù)據(jù)鏈路層依照結(jié)構(gòu)又分為兩個(gè)子層:介質(zhì)訪問(wèn)子層(Medium access control,MAC)和邏輯鏈接控制子層(Logical link control,LLC)。LLC 子層由數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)(Data link services,DLS)與話音接口(Voice interface,VI)兩部分組成。該子層主要負(fù)責(zé)通信鏈路的管理,并向上層提供不同類(lèi)別的服務(wù)。其中DLS 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)RL或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)FL 上能夠提供用戶數(shù)據(jù)的通信服務(wù),VI 為虛擬話音電路提供支持。但是需要區(qū)分,VI 只提供話音數(shù)據(jù)的傳輸和接收功能,而話音鏈路的創(chuàng)建與選擇則是由LME 來(lái)負(fù)責(zé)。MAC 子層與LLC 子層的跨層管理由層間管理實(shí)體(Layer management entity,LME)提供,該模塊主要實(shí)現(xiàn)資源的集中管理,提供傳輸資源分配、移動(dòng)性管理與通信鏈路維護(hù)等功能,能夠在考慮通信信道占用的約束條件下,向FL 與RL 提供通信資源的分配,能夠在功率、頻率與時(shí)間等多個(gè)維度提供動(dòng)態(tài)鏈路的維護(hù)服務(wù),并支持AMC 技術(shù)的實(shí)施。MAC 子層僅包含MAC 運(yùn)行實(shí)體,負(fù)責(zé)管理LLC 實(shí)體對(duì)物理層資源的訪問(wèn),向LLC 子層提供了在邏輯通路上傳輸用戶和控制數(shù)據(jù)的能力;子網(wǎng)相關(guān)匯聚協(xié)議(Sub network dependent convergence protocol,SNDCP)向系統(tǒng)提供了到更高層次的接口,使得L-DACS 能夠成為航空電信網(wǎng)(Aeronautical telecommunication network,ATN)的一個(gè)子網(wǎng),強(qiáng)化ATN 網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。SNDCP 不僅能為網(wǎng)絡(luò)層提供L-DACS 接口,為不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(ATN/IPS和ATN/OSI)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元提供透?jìng)魉璧倪m配服務(wù),也能夠向無(wú)線信道提供安全通信所需的壓縮加密服務(wù)。
對(duì)于應(yīng)用L-DACS 系統(tǒng)進(jìn)行通信的航空器,必須在GCS 進(jìn)行登入注冊(cè),以獲得由GCS 分配的靜態(tài)專(zhuān)用控制信道,用于航空器與地面站之間進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的傳輸;而地面站能夠通過(guò)當(dāng)前航空器運(yùn)行需求,對(duì)登入的航空器動(dòng)態(tài)地調(diào)整用于用戶數(shù)據(jù)信道資源的分配。除此之外,所有航空器與GCS之間的通信流程(包括用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼?qǐng)求過(guò)程、傳輸資源分配過(guò)程以及重傳計(jì)時(shí)管理等)是由通信協(xié)議完全確定的,并且是由地面站進(jìn)行管理。在通信系統(tǒng)負(fù)載一定的前提下,蜂窩小區(qū)內(nèi)L-DACS系統(tǒng)的性能取決小區(qū)內(nèi)地面站所服務(wù)的航空器數(shù)目,并且通信性能呈現(xiàn)出隨著所服務(wù)航空器數(shù)目的增加而線性下降的趨勢(shì)。
L-DACS 地面站和航空器之間的數(shù)據(jù)交互的邏輯信道結(jié)構(gòu)如圖8 所示,說(shuō)明了邏輯信道與LLC功能模塊之間的關(guān)系。具體而言,用戶數(shù)據(jù)的雙向交互是由DLS 在用戶層的邏輯數(shù)據(jù)通道(Dedicated channel,DCH)進(jìn)行;邏輯專(zhuān)用控制信道(Dedicated control channel,DCCH)是用于從RL 控制層的數(shù)據(jù)傳輸,而通用控制信道(Common control channel,CCCH)則是用于FL 的控制信息傳輸;隨機(jī)訪問(wèn)信道(Random access channel,RACH)和廣播控制信道(Broadcast control channel,BCCH)用于蜂窩小區(qū)的進(jìn)入、退出與切換。
圖8 L-DACS 邏輯信道結(jié)構(gòu)Fig.8 L-DACS logical channels
L-DACS 的物理層提供了數(shù)據(jù)傳輸物理鏈路的具體信息,同時(shí)支持多架航空器與地面站的雙向鏈接[28]。其中,F(xiàn)L 與RL 采用FDD 進(jìn)行分隔;而在RL 方向上,應(yīng)用時(shí)分多址(Time division multiple access,TDMA)和正交頻分多址(Orthogonal frequency division multiple access,OFDMA)技 術(shù) 分別對(duì)不同的航空器從時(shí)間與空間兩個(gè)維度上進(jìn)行分隔。在FL 中,地面站發(fā)送連續(xù)傳輸?shù)腛FDM 符號(hào)流;而在RL 中,航空器基于地面站所分配的資源與所定義的具體協(xié)議,發(fā)送不連續(xù)的突發(fā)脈沖,數(shù)據(jù)幀和控制幀被劃分為稱作“tile”的碎片,使得數(shù)據(jù)鏈路層的MAC 層的資源分配得到優(yōu)化并且能夠根據(jù)干擾條件減小帶寬和占空比[29]。航空器僅在蜂窩單元覆蓋范圍內(nèi)通過(guò)RL 進(jìn)行接入數(shù)據(jù)的自主傳輸,而RL 的其他傳輸數(shù)據(jù)(控制信令、用戶數(shù)據(jù)等)均有地面站進(jìn)行管理與控制。
L-DACS 系統(tǒng)物理層是基于OFDM 的調(diào)制方式,工作頻段為航空L 波段的960~1 164 MHz 頻段。以信道利用率和頻譜使用率最大化為目標(biāo),L-DACS 系統(tǒng)支持RL 和FL 數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸。具體系統(tǒng)物理層參數(shù)信息如表2 所示,由于保護(hù)帶寬的存在,總帶寬為625 kHz(總帶寬=子載波間隔×FFT 長(zhǎng)度),而包含中心頻率的有效傳輸帶寬為498.05 kHz,這一數(shù)值表示FL 和RL 上被占用的射頻信道帶寬[30]。
表2 物理層參數(shù)信息Table 2 L-DACS physical layer parameters
為了盡可能降低與DME 之間的相互干擾,通過(guò)在DME 相鄰的信道之間插入帶寬為1 MHz 的L-DACS 信道,采用這種內(nèi)嵌的方式,使得L-DACS 能夠在不對(duì)頻率資源分配作變更的情況下部署在L 波段[31]。盡管在L-DACS 研究的早期階段,提出過(guò)以非內(nèi)嵌且不影響其他通信導(dǎo)航系統(tǒng)性能的方式,但考慮到頻譜資源短缺這一顯著問(wèn)題,選擇高頻譜利用率的內(nèi)嵌部署方式是L-DACS系統(tǒng)最終所采用的方式。
圖9 L-DACS 前向鏈路符號(hào)頻域結(jié)構(gòu)Fig.9 Frequency domain structure of L-DACS forward link symbol
圖10 L-DACS 反向鏈路符號(hào)頻域結(jié)構(gòu)(高頻部分)Fig.10 Frequency domain structure of L-DACS reverse link symbol
圖11 L-DACS1 幀結(jié)構(gòu)Fig.11 L-DACS frame structure in time domain
L-DACS 系統(tǒng)的單個(gè)OFDM 符號(hào)由64 個(gè)子載波組成。如圖12 所示,為系統(tǒng)RL 的幀結(jié)構(gòu),其中OFDM 符號(hào)的類(lèi)型包括:(1)無(wú)傳輸數(shù)據(jù)的空符號(hào)(Null symbol):如未經(jīng)過(guò)調(diào)制的保護(hù)帶寬中的子載波和中心子載波;(2)用于傳輸有效數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)符號(hào)(Data symbol);(3)用于信道估計(jì)的導(dǎo)頻符號(hào)(Pilot symbol);(4)用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步的同步符號(hào)(Sync symbol);(5)用于抑制峰均比的PAPR符號(hào)(PAPR reduction symbol);(6)用于接收機(jī)進(jìn)行自動(dòng)增益控制的前導(dǎo)符號(hào)(AGC Preamble);而在RL 的頻域被劃分為兩個(gè)碎片,并分配給不同的航空器用戶。每個(gè)頻率碎片各自分別占用一半的連續(xù)子載波,這樣使得一次OFDMA 突發(fā)脈沖的有效帶寬可以傳輸兩個(gè)用戶的數(shù)據(jù)。
圖12 L-DACS 系統(tǒng)RL 幀結(jié)構(gòu)Fig.12 L-DACS reverse link framework structure
通過(guò)對(duì)頻域的OFDM 符號(hào)做傅里葉變換可以得到OFDM 符號(hào)的時(shí)域波形圖,圖13 顯示了OFDM 符號(hào)的時(shí)域結(jié)構(gòu)。L-DACS 的FL 和RL 有著相同的時(shí)域結(jié)構(gòu)。信號(hào)時(shí)長(zhǎng)表征為有用符號(hào)的持續(xù)時(shí)間。從圖13 中可以看到,最后一部分有用符號(hào)時(shí)間的符號(hào)作為循環(huán)前綴被拷貝到該有用符號(hào)周期的最前端,并且循環(huán)前綴中的一小部分又作為窗函數(shù),而剩余部分用于容忍符號(hào)時(shí)間的同步錯(cuò)誤以及抵消符號(hào)間干擾的產(chǎn)生。除此之外,和窗函數(shù)同等時(shí)長(zhǎng)的循環(huán)后綴被加在了該有用符號(hào)時(shí)間的末尾,并與下一個(gè)有用符號(hào)時(shí)間的循環(huán)前綴重疊,這樣在時(shí)域上連續(xù)的OFDM 符號(hào)就串聯(lián)起來(lái)了。在RL 中不同的是,每個(gè)航空器用戶創(chuàng)建自己的OFDM 時(shí)域符號(hào),而由于每?jī)蓚€(gè)航空器用戶共用一個(gè)OFDMA 突發(fā)脈沖,地面站接收機(jī)收到的是兩個(gè)在時(shí)域上重合的OFDM 信號(hào)。此時(shí)需要通過(guò)利用這兩個(gè)信號(hào)在時(shí)域和頻域上的同步信息,以及功率差別將二者加以區(qū)分。在時(shí)間維度上的符號(hào)碎片能夠被不同的航空器用戶所使用,可以使得L-DACS 系統(tǒng)在RL 中傳輸來(lái)自不同航空器用戶的數(shù)據(jù)信息。
圖13 L-DACS 前向鏈路符號(hào)時(shí)域結(jié)構(gòu)Fig.13 Time domain structure of L-DACS forward link symbol
從國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看,新一代航空通信系統(tǒng)從窄帶向?qū)拵У募夹g(shù)演進(jìn),已經(jīng)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。然而為了實(shí)現(xiàn)這一遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo),仍有許多重點(diǎn)問(wèn)題與技術(shù)挑戰(zhàn)待進(jìn)一步解決。
(1)頻譜資源受限的高速通信。雖然L-DACS系統(tǒng)相較于VHF 數(shù)據(jù)鏈的能力有所提升,但隨著機(jī)載飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳、航路運(yùn)行態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)視、機(jī)間態(tài)勢(shì)共享等航空業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)量的大幅度提升,對(duì)航空通信能力提出了更高的要求。由于ITU 對(duì)航空通信系統(tǒng)所分配的頻譜資源被局限在L 波段,并且現(xiàn)階段所采用的OFDM 技術(shù)依然存在頻譜資源未高效利用的問(wèn)題[32]。因此如何在有限帶寬的條件下,實(shí)現(xiàn)高速率大容量的數(shù)據(jù)傳輸是L-DACS 系統(tǒng)需要進(jìn)一步解決的技術(shù)瓶頸。
(2)低延遲廣覆蓋的高效通信。作為下一代航空通信系統(tǒng)的目標(biāo)之一,L-DACS 不僅需要為航空器提供廣域覆蓋能力,也需要具備面向多類(lèi)型航空器提供服務(wù)的能力,能夠滿足不同空域、不同場(chǎng)景、不同業(yè)務(wù)條件下的通信需求。與此同時(shí),由于基于四維航跡運(yùn)行概念的引入也要求航空器具備定時(shí)到達(dá)能力,航路或進(jìn)近階段所需到達(dá)時(shí)間的誤差為秒級(jí),需要管制系統(tǒng)響應(yīng)延遲處于毫秒級(jí),數(shù)字化管制指令的正確傳輸也對(duì)實(shí)時(shí)性提出了更高的要求[33]。因此如何向航空器提供低延遲的高效通信,實(shí)現(xiàn)通信范圍的廣域覆蓋是L-DACS 發(fā)展所面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。
(3)高動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境的可靠通信。航空通信系統(tǒng)需要同時(shí)支持ATC、AOC 與AAC 的服務(wù),因此對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的可靠性與安全性有著極其嚴(yán)苛的要求。航空器運(yùn)行階段氣象態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)變化,雷暴天氣對(duì)電磁環(huán)境干擾顯著;航空器巡航階段時(shí)速接近1 000 km/h,多普勒擴(kuò)展效應(yīng)明顯,雖然現(xiàn)階段L-DACS A/G 能夠解決1 kHz 的多普勒頻偏問(wèn)題,但是對(duì)于L-DACS A/A 系統(tǒng)高頻偏移仍是需要解決的技術(shù)難點(diǎn)[34];此外當(dāng)航空器處于起降運(yùn)行階段時(shí),由于在有限空域范圍內(nèi)存在密集的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等功能的無(wú)線電設(shè)備[35],L-DACS 系統(tǒng)存在著同信道干擾、帶外干擾、鄰接信道干擾等問(wèn)題[36]。因此,如何在高動(dòng)態(tài)的復(fù)雜環(huán)境條件下,實(shí)現(xiàn)L-DACS 系的高可靠安全通信是另一項(xiàng)需要解決的難題。
(1)持續(xù)開(kāi)展頻譜資源高效利用的技術(shù)研究,進(jìn)一步提高頻譜資源受限約束條件下L-DACS 系統(tǒng)的高速傳輸能力。基于頻譜感知技術(shù)與調(diào)制識(shí)別技術(shù)的認(rèn)知無(wú)線電,可以顯著的提高頻譜利用率;以大規(guī)模天線多入多出技術(shù)[37]、非正交多址接入技術(shù)以及Polar 信道編碼等新興技術(shù)為代表的5G 空口技術(shù)[38],能夠有效地解決頻譜資源受限的問(wèn)題。與此同時(shí),無(wú)線電傳輸環(huán)境復(fù)雜多變,傳統(tǒng)的靜態(tài)頻譜分配與接入方案難以滿足頻譜高效利用的需求,需要開(kāi)展頻譜資源動(dòng)態(tài)分配的實(shí)時(shí)優(yōu)化技術(shù),以實(shí)現(xiàn)L-DACS 系統(tǒng)支持大規(guī)模航空器運(yùn)行的接入需求。
(2)進(jìn)一步推進(jìn)基于L-DACS 系統(tǒng)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與組網(wǎng)機(jī)制的技術(shù)研究,可靠融入ATN 網(wǎng)絡(luò),以支撐低延遲廣覆蓋的高效通信能力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全球區(qū)域航空器的高效運(yùn)行。研究設(shè)計(jì)安全可靠的網(wǎng)絡(luò)接口與通信協(xié)議,確定魯棒高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),融合航空移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)[39],有助于加裝L-DACS 系統(tǒng)的航空器具備入網(wǎng)區(qū)域頻繁切換的能力,實(shí)現(xiàn)基站覆蓋范圍內(nèi)的無(wú)縫通信,確保有效數(shù)據(jù)信息的正確傳輸[40];利用動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、航空自組網(wǎng)[41]等技術(shù)優(yōu)勢(shì),通過(guò)靈活可靠的組網(wǎng)機(jī)制以實(shí)現(xiàn)機(jī)間態(tài)勢(shì)的高效共享。
(3)針對(duì)實(shí)際運(yùn)行需求進(jìn)行抗干擾技術(shù)研究,并推進(jìn)L-DACS 系統(tǒng)的適航審定進(jìn)程,以應(yīng)對(duì)高動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下安全可靠通信的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)航空器實(shí)際運(yùn)行通信環(huán)境高動(dòng)態(tài)變化的運(yùn)行需求,可以從時(shí)域/頻域/空域等多資源維度解決問(wèn)題:通過(guò)高精度或自適應(yīng)的時(shí)頻同步技術(shù)解決高速環(huán)境下的多普勒拓展問(wèn)題[42-43],采用壓縮感知技術(shù)利用空地信道的稀疏特性還原接收信號(hào)[44],基于四維航跡運(yùn)行的先驗(yàn)信息進(jìn)行子載波間隔干擾抑制處理[45-46]。與此同時(shí),L-DACS 系統(tǒng)的發(fā)展需要突破適航性認(rèn)證的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù),使得所部署L-DACS 具備消除與現(xiàn)行航空導(dǎo)航/通信系統(tǒng)間干擾的能力,這也是支撐航空寬帶通信系統(tǒng)發(fā)展的必要條件。
從全球航空通信技術(shù)發(fā)展的全景來(lái)看,L 波段數(shù)字航空通信(L-DACS)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)作為新一代航空通信系統(tǒng)發(fā)展的未來(lái)目標(biāo),是有效解決頻譜資源飽和難題、滿足高速率傳輸需求的有效途徑,能夠進(jìn)一步提升集成的CNS 系統(tǒng)能力,促進(jìn)航空通信系統(tǒng)的技術(shù)革新。正如本文所強(qiáng)調(diào),現(xiàn)階段L-DACS 系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,但航空通信系統(tǒng)對(duì)于適航性、安全性與標(biāo)準(zhǔn)化要求很高,需要進(jìn)一步對(duì)L-DACS 系統(tǒng)的部署與應(yīng)用進(jìn)行合理的頂層設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)于L-DACS A/A 的研究也是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重要關(guān)注點(diǎn)。