［呂園 張紅國 陳智 盧榮奮 江昊］

1 引言

隨著中國民航運輸業(yè)的快速發(fā)展，中國成為全球民航運輸業(yè)最活躍的地區(qū)之一，民航維修業(yè)MRO 也保持著良好的增長態(tài)勢[1]。按照習近平總書記“確保航空運行絕對安全”的指示要求，民航維修行業(yè)肩負著保障航班飛行安全，提升機隊可靠性水平的責任，同時受到近年新冠疫情的影響，又面臨著航司控制維修成本的局面，所以一直積極尋求通過技術(shù)創(chuàng)新和數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[2]。對此，中國民航局在“十四五”規(guī)劃中也指出要加強智慧民航建設(shè)，由傳統(tǒng)要素驅(qū)動向更加注重創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變，要培育壯大數(shù)字民航新生態(tài)，大力發(fā)展民航數(shù)字經(jīng)濟。隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為民航業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展共識，民航業(yè)對利用5G 技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)要素的連接和管理，實現(xiàn)提質(zhì)降本增效的目標愈發(fā)迫切。

2 需求分析

2.1 行業(yè)現(xiàn)狀

資料顯示，隨著2019 年中國發(fā)放5G 牌照以來，多家航司相繼開展了有關(guān)5G 與MRO 結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用[1]。以AR 輔助維修為例，2017 年南航就已開展了相關(guān)試點，2019 年的5G 發(fā)牌，使得原來基于4G 和WIFI 的AR 一下子躍升為5G+AR，網(wǎng)絡(luò)性能實現(xiàn)了質(zhì)的提升，AR 遠程輔助維修的使用感知和效果也大大提升，同年海航、東航等航司也相繼進行了相關(guān)試點。

在服務(wù)人群方面，航司的機務(wù)工作者是相對固定的；在業(yè)務(wù)開展范圍方面，維修現(xiàn)場分布在全國各地的機場、維修機庫，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)漫游；在用戶終端可控性方面，部分維修基地可統(tǒng)一配發(fā)終端，大部分的工作者需自行購買終端，難以做到終端的統(tǒng)一。

在應(yīng)用場景方面，智慧維修場景的應(yīng)用終端包括：AR 眼鏡、AGV 小車、自動叉車、智能配送機器人、5G激光雷達、5G 高清攝像頭等，其中涉及到密集超高速類：如AR 眼鏡、5G 激光雷達、5G 高清攝像頭；另外還有高可靠低時延類：如AGV 小車、自動叉車、智能配送機器人等。

2.2 5G 專網(wǎng)建設(shè)難點

飛機維修場所一般分為內(nèi)場（機庫）和外場（航線停機坪），機庫為面積在五千至兩萬平方米，層高40 米，空曠、面積大、鋼結(jié)構(gòu)為主的半封閉空間，采用有線的方式布線難度高，WiFi 信號衰減很快，無法滿足使用需求；而航線為戶外場所，一般距離室內(nèi)一兩公里，維修環(huán)境復(fù)雜信號干擾多，WiFi 信號無法覆蓋，4G 上行帶寬不足。5G 由于其頻率更高，抗干擾性強，同時擁有覆蓋范圍廣，設(shè)備安裝便捷無需拉線的優(yōu)點，可以更好的適配飛機維修的實際生產(chǎn)場景。

另外，由于航司地域分布廣，運行站點多，維修對象復(fù)雜，航司希望通過5G 實現(xiàn)訪問航司內(nèi)網(wǎng)，數(shù)據(jù)不出內(nèi)網(wǎng)的要求，同時希望員工使用個人手機可以正常訪問互聯(lián)網(wǎng)。基于此，在5G 專網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計中需要考慮2B 和2C 的業(yè)務(wù)雙跨與共融。

各種業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)的最低需求如表1 所示[3]：

表1 各種業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)性能指標的要求

由表1 可以看出，在飛機維修中不僅要求網(wǎng)絡(luò)具有較低的時延、較高的速率，還要保證網(wǎng)絡(luò)的安全性及可靠性?；诖?，建設(shè)全國性的5G 智慧機務(wù)生產(chǎn)專網(wǎng)可以保障各維修區(qū)域如機場、航線、機庫、航材倉庫等生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域有較好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，從而實現(xiàn)機務(wù)維修領(lǐng)域人工智能創(chuàng)新、解決航司應(yīng)用的關(guān)鍵性問題，為維修提質(zhì)，為業(yè)務(wù)增效。

3 基于DNN 分流的5G 專網(wǎng)解決方案

3.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

結(jié)合民航業(yè)對2B2C 融合服務(wù)的需求，有兩種技術(shù)實現(xiàn)分流方案：一類是沿用傳統(tǒng)的4G 的APN/DNN 的方式，通過專用DNN 來實現(xiàn)公網(wǎng)流量和內(nèi)網(wǎng)流量分流；一類是采用5G 的專用方案ULCL 的方式，但ULCL 僅限5G 接入，若5G 信號不好而回落4G，會發(fā)生業(yè)務(wù)中斷，且ULCL方式只適用于本地業(yè)務(wù)場景，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨省漫游[4]。由于各機場、各維修場地信號覆蓋情況不一，為保證業(yè)務(wù)使用的連續(xù)性，在5G 信號較差時也可以回落4G 網(wǎng)絡(luò)接入航司內(nèi)網(wǎng)，本方案采取了基于DNN 的分流方式，用戶需要簽約運營商公網(wǎng)DNN 及航司專屬DNN，受限于當前商用終端暫不支持URSP 功能，目前采用手動切換的方式進行DNN 切換。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。在訪問內(nèi)網(wǎng)時，專網(wǎng)用戶簽約航司專屬DNN，通過專用終端（AR眼鏡+手機、AGV小車、自動叉車、智能配送機器人、5G 激光雷達、5G 高清攝像頭等）連接航司5G 專屬室分或航線上的5G 宏基站，室分/基站收到訪問請求后，將消息上傳至5G 核心網(wǎng)網(wǎng)元，其中本地流量直接轉(zhuǎn)發(fā)至航司專屬UPF 數(shù)據(jù)進行本地處理，外地用戶接入該地區(qū)的UPF 設(shè)備，再通過N9 接口匯聚至專屬UPF，由專用匯聚專線傳送至航司內(nèi)網(wǎng)；在訪問公網(wǎng)時，用戶手動切換到運營商公網(wǎng)DNN，本地數(shù)據(jù)通過專屬UPF 上聯(lián)至運營商公網(wǎng)UPF 訪問互聯(lián)網(wǎng)，外地數(shù)據(jù)直接通過該地區(qū)的公網(wǎng)UPF 訪問互聯(lián)網(wǎng)。

圖1 基于DNN 分流的5G 專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

其中，為滿足飛機維修工作對網(wǎng)絡(luò)性能的高要求采用了如下解決方案：

（1）考慮到航空5G 專網(wǎng)的廣域連接性，網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟性和合理性，采用了公網(wǎng)專用模式，復(fù)用中國電信承載網(wǎng)及5G 核心網(wǎng)，采用5G 切片的方式進行業(yè)務(wù)隔離。

（2）機庫建筑巨大、鋼架結(jié)構(gòu)，室內(nèi)空曠無遮擋，功能區(qū)多，其中附屬的維修區(qū)域（工具房、附件維修區(qū)域、航材存儲區(qū)等）隔墻隨機分布，部分區(qū)域隔墻密集，考慮到需要滿足各死角的邊緣覆蓋要求，導(dǎo)致部分PRRU 的覆蓋半徑明顯減??；另外，飛機維修場景業(yè)務(wù)類型豐富，容量需求大，單層面積巨大，長距離布放饋線損耗大、成本高；考慮到機庫的半封閉空間的特性，極易和室外的宏站信號相互干擾。

結(jié)合實地勘測情況，考慮到安裝位置承重能力、走線距離、布放位置以及小區(qū)的干擾控制等多種因素，在機庫維修區(qū)采用功率較大的RRU/BOOK RRU 覆蓋主要區(qū)域，并采用PRRU 對信號盲點區(qū)域和流量熱點區(qū)域覆蓋。微站部分采用BBU+微站RRU 方式覆蓋。室外工作區(qū)域主要為外場如航線、停機坪等，針對此區(qū)域采用BBU+AAU的建設(shè)方案，覆蓋范圍廣。

圖2 機庫大廳場景安裝示意圖

（3）在本地站點建設(shè)專屬UPF，航司獨享核心網(wǎng)U面資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地處理，降低轉(zhuǎn)發(fā)時延，同時提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。

（4）5G 切片通過切片ID 拉通端到端資源，提供業(yè)務(wù)隔離、切片用戶組資源保障等能力，滿足業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)定制的需求。為飛機維修工作提供大帶寬、低時延、安全可靠的高等級服務(wù)保障。

3.2 網(wǎng)絡(luò)安全方案

5G 專網(wǎng)作為重要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，需具備終端接入安全、用戶數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)隔離安全、邊緣計算安全等能力。

（1）多層次鑒權(quán)認證能力

5G 專網(wǎng)采用雙向認證鑒權(quán)的方式，既可以防止虛假用戶和終端接入內(nèi)網(wǎng)，又可以防止用戶和終端接入虛假網(wǎng)絡(luò)[5]。用戶接入網(wǎng)絡(luò)時需進行切片認證，成功之后才建立特定的數(shù)據(jù)通道。同時部署了AAA 服務(wù)器進行二次認證，對終端及簽約關(guān)系進行認證，認證成功通過后才可允許接入內(nèi)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

（2）端到端網(wǎng)絡(luò)切片隔離能力

基于縱深防御理念，提供接入網(wǎng)、傳送網(wǎng)、核心網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡(luò)切片隔離能力。5G 切片通過切片ID 拉通端到端資源，提供業(yè)務(wù)隔離、切片用戶組資源保障、核心網(wǎng)傳送物理網(wǎng)專用等能力，滿足業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)定制的需求[6]。其中在接入網(wǎng)側(cè)，通過物理資源承載獨享、數(shù)據(jù)資源承載共享的方式來提供切片服務(wù)；在傳輸網(wǎng)側(cè)，通過VPN 技術(shù)實現(xiàn)軟隔離；在核心網(wǎng)側(cè)，采用虛擬機區(qū)分的邏輯隔離。

圖3 機庫及附屬維修區(qū)域5G 室分設(shè)計圖

（3）基于MEC 的數(shù)據(jù)安全防護能力

民航業(yè)由于其本身特殊的行業(yè)屬性對網(wǎng)絡(luò)安全性要求較高，希望專網(wǎng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地卸載的功能。5G 的SBA 架構(gòu)功能可支持用戶面和控制面分離，實現(xiàn)核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF 下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣部署的方式。將UPF 和MEC 集成后下沉至邊緣節(jié)點，可以實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)不出園區(qū)，建立端到端數(shù)據(jù)安全防護手段，從物理上保障數(shù)據(jù)的安全性[7]。同時，網(wǎng)元下沉后將快速完成數(shù)據(jù)緩存、流量轉(zhuǎn)發(fā)分流以及應(yīng)用服務(wù)響應(yīng)，降低業(yè)務(wù)時延。

3.3 網(wǎng)絡(luò)自服務(wù)平臺

5G 專網(wǎng)為民航維修業(yè)提供了定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，隨著網(wǎng)絡(luò)和終端規(guī)模的擴大，航司對網(wǎng)絡(luò)的自主可控、可視可管、靈活配置等需求日益凸顯。網(wǎng)絡(luò)自服務(wù)平臺需打通異廠家、異接口，使得客戶在一個平臺上實現(xiàn)對UPF、室分等網(wǎng)元的監(jiān)測，更容易管理網(wǎng)絡(luò)；同時，需具備自主運維的管理模式可掌握網(wǎng)絡(luò)全局狀態(tài)、性能指標等[8]；需提供統(tǒng)一API 接口對接航司內(nèi)部網(wǎng)管系統(tǒng)，實現(xiàn)故障信息推送、告警處置實時報告；還需提供號卡管理功能，實現(xiàn)號卡開通、停復(fù)機、流量查詢等功能。針對上述需求，5G自服務(wù)管理平臺的基本功能如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)管理

提供專用切片管理、端到端網(wǎng)絡(luò)拓撲可視、網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)告警及日志等。支持航司對5G 專網(wǎng)進行自主運維，網(wǎng)絡(luò)的全局狀態(tài)進行性能檢測、告警提醒和故障處理進度可視化管理。

（2）設(shè)備管理

支持2B 和2C 融合的終端連接管理（開卡、停復(fù)機、流量查詢、余額查詢、號卡狀態(tài)查詢、策略控制等）、室分管理、基站管理、專線質(zhì)量監(jiān)控、UPF 網(wǎng)元級/切片級/DNN 級質(zhì)量管理、告警監(jiān)控、初級處置能力、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)帶寬、應(yīng)用SLA 感知及質(zhì)差診斷等系統(tǒng)功能。

（3）安全管理

提供分權(quán)分域多級系統(tǒng)賬號管理，便于IT 運維人員更好地管理網(wǎng)絡(luò)；同航司SSO 二次認證登錄系統(tǒng)對接，支持專網(wǎng)登錄二次認證、終端威脅發(fā)現(xiàn)、終端強制下線等功能。

（4）應(yīng)用管理

在UPF 側(cè)旁掛邊緣DPI 探針，探測業(yè)務(wù)流的SLA 指標如流量、速率、時延、抖動等，監(jiān)控應(yīng)用的質(zhì)量情況，保障應(yīng)用運行穩(wěn)定可靠；另外可通過一業(yè)一策建模分析視頻回傳、AGV 的場景數(shù)據(jù)流，提供個性化的應(yīng)用監(jiān)測能力。

4 結(jié)束語

2022 年6 月，中國電信攜手南方航空建設(shè)民航領(lǐng)域首個智慧維修5G 專網(wǎng)，實現(xiàn)機庫、航材倉庫、維修車間、附件中心、航線、廊橋、遠機位等工作面的一體化網(wǎng)絡(luò)覆蓋。5G 結(jié)合AR、人工智能AI、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，實現(xiàn)了多項5G 應(yīng)用場景，打造一體化智慧維修“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”生態(tài)體系，該項目以廣州為中心，已在北京、上海、深圳、烏魯木齊、武漢、鄭州等22個大中型城市推廣，服務(wù)于2 萬多名機務(wù)維修從業(yè)人員，保障每日30 000 多個航班的安全正點，為推行智慧民航、建設(shè)社會主義現(xiàn)代化民航強國貢獻堅實的力量。