0 引言

随着移动通信技术的迅速发展和应用,互联已随处可在。人们无论在家、办公室,还是在户外、路上都可以通过蜂窝通信、WIFI、卫通和固定网络进行互联。而民用飞机也不再是“信息孤岛”,飞行机组、乘客、包括飞机本身可以与地面和其他飞机进行互联。传统的民用飞机借助先进的移动通信技术逐渐演进成为互联飞机,成为互联网络的一个移动空中节点。

1 互联飞机概念和生态系统

互联飞机是工业物联网(IIoT)在航空业的应用,利用数据采集、无线宽带通信、云计算、大数据和AI等新技术,采用一系列旨在革新现代飞行的解决方案,从而极大地改善了机队管理、飞行安全、乘客体验、飞机维护、飞行操作、飞机周转时间和成本。

互联飞机及航空公司通过对飞行实时信息的采集、交换和处理,可以为飞行相关方带来以下好处:

1) 对于航空公司

(1) 通过优化飞机运营流程,显著提高飞机周转时间;

(2) 通过预测维护,显著减少故障排除时间;

(3) 提供对实时信息的访问,将飞机数据转化为可操作的指标,以提高效率和节约成本。

2) 对于飞行员和机组人员

(1) 提供有关飞行环境的更多信息;

(2) 协同所有的飞行部门一起工作,通过调度、飞行计划、跟踪和航后部门的数据共享,提高运营机动性;

(3) 为飞行员提供实时和定制的风和温度信息,提供目的地机场的3D动画视图,增强飞行员的态势感知,让他们可以知晓并避免恶劣天气和晴空湍流,提前优化路线,减少飞行时间。

3) 对于地面和维护人员

(1) 保持最佳的工作效率和飞机的最佳状态,减少飞机在地面的时间和成本;

(2) 根据实时天气数据及飞行员决定对到达时间的影响分析,调整准备工作;

(3) 在飞机着陆前确定需要维修或更换的部件,并在需要时确保有备件可用;

(4) 通过预测维护,可将故障排除时间大幅减少。

4) 对于乘客

(1) 缩短航行时间,提高航班准确率,减少空中颠簸;

(2) 可以实时接入Internet,丰富机上娱乐。

实现互联飞机的丰富功能和优点,需要空地多系统协同工作,利用多种空天地通信链路,增强空地应用服务,构建航空互联生态系统。互联飞机生态系统架构如图1所示。

2 互联飞机对空天地网络需求

据IATA估计,目前每天有超过10万个航班起降,到2035年全球航空旅行人数可达72亿人次,是目前的两倍。每架飞机在飞行的不同阶段都会产生大量的数据。每个航班会产生几百GB的数据,飞机已经逐渐成为一个飞行的“数据中心”,而且未来新的机型会产生更多的数据。虽然现在不需要把所有数据都下载到地面,但是将机载数据下载到地面的需求正在持续增加。这些需求不仅对未来空域使用带来极大压力,同时也是对空地无线通信的极大挑战。

以前民用飞机采用VHF、HF数据链进行空地数据交换,但是传输速率很低。之后Inmarsat L波段卫星通信SBB服务部署使用,速率最高可以达到432kbps。铱星系统也为民用飞机提供通信服务。近些年,Ka、Ku波段卫星通信系统、ATG(Air to Ground)通信系统也逐步投入使用,速率最高可以达到30Mbps~50Mbps。同时航空公司也利用地面WIFI系统、移动运营商的3G\4G网络为飞机提供通信服务。随着技术的发展,后续还有新型的空地通信系统(例如L-DACS、AeroMACS、5G网络等)可为飞机提供通信服务。因此为了满足全球民用飞机日益增加的数据传输需求,国际上主要空地通信服务商SITA和ARINC公司的解决方案是多链路通信生态系统(mutilink communication ecosystem)。这种多链路的通信系统实际上就是利用航空专用通信网络和公用通信网络等多种异构无线通信网络,针对互联飞机的数据交换需求,融合构建一种空天地互联网络。

面向互联飞机的空天地网络的主要特征如下:

1) 平台开放,即提供易于扩展新型通信链路系统的通信平台;

2) 跨域互联,即实现多个机载系统信息顺畅交互;

3) 泛在通信,即实现飞机随时随地与地面无缝宽带互联;

4) 多链融合,即提供智能路由选择和高效传输服务;

5) 网络安全,即为飞机空地互联提供安全保障。

3 空天地一体化网络融合方案

3.1 异构移动互联网融合方式

异构移动互联网的融合方式包括网络体系的融合、组网的融合及终端的融合等。

异构移动互联网网络体系间的融合方式,最早是ETSI在其宽带无线接入网络(Broadband Radio Access Network,简称BRAN)计划中针对Hiper-LAN/2提出来的,按照网络之间融合的紧密程度一般可以分为紧耦合和松耦合两种方式,如图2所示。虽然ETSI在最初的定义中只考虑了UMTS与WLAN这两种无线网络融合的情景,但其实现方法同样适用于其他多种异构无线接入网络相互融合的场景。

3.1.1 紧耦合方式

紧耦合方式是指各异构无线接入网络一般会存在从属关系。例如在将UMTS系统与WLAN系统进行紧耦合时,考虑UMTS网络提供广域覆盖,WLAN网络提供热点宽带接入,一般是采用UTMTS作为主网络,而WLAN作为从属网络。WLAN中的接入节点需要通过专用接入网关接入UMTS网络中。该专用接入网关需要实现所有符合UMTS系统无线接入相关的协议功能(如认证、授权、移动性管理等),所以WLAN系统可以看作是UMTS系统的一个无线接入子网。WLAN网络与UMTS网络使用和共享UMTS网络信令协议及所提供的认证、授权和计费(AAA)功能,同时UMTS和WLAN多模终端在网络之间的垂直切换也由UMTS网络的移动性管理功能来实现。

3.1.2 松耦合方式

松耦合是指各无线接入网络关系对等、相互独立、不存在从属关系,接入控制方式、数据路由方式、移动性支持、计费方式和安全机制不同。松耦合方式尽可能地保持各种无线接入网络的独立性,减少各个网络之间的信息交互,可以方便地对不同的无线接入系统进行互联。

松耦合方式根据互联的实现方式可以分为以下三种:

1)各种无线接入网络都通过专用的网关与其他无线接入网络互联。

2)由第三方建立和运营一个共用的核心网络,将各种异构无线接入网络都连接到该共用的核心网络中,从而实现各无线接入网络之间的互联。

3)建立共用的核心网络,与第二种方式的区别在于其利用Internet作为统一的核心网络,并采用IP协议作为各异构无线网络之间的互联协议。这种基于IP协议的异构无线网络融合方案特点是,各种无线接入技术是相互独立的,共用核心网络能够隔离各种无线接入网络的异构特性,并向上层应用提供统一的网络接口。这种松耦合方式充分利用了现有的Internet网络基础设施,构建基于云平台的核心网络,可以极大地降低网络融合的建设成本。

3.2 面向互联飞机的空天地一体化网络融合

提供空地通信服务的无线通信网络从不同角度可分为:公网(如4G/5G网络、L/Ka/Ku卫通)和专网(如VHF、HF、ATG、AeroMACS等);基于IP的无线网络(如Ka/Ku卫通、ATG、AeroMACS等)和非IP网络(如ACARS);有为ACD域和AISD域安全业务服务的高安全通信链路(如VHF、HF、L卫通Safety服务、AeroMACS和L-DACS等),这类通信链路的设计安全等级DAL、网络安全及完整性符合安全业务传输要求;也有为其他域非安全业务服务的商业通信链路(如ATG、Ka/Ku卫通等)。

因此面向互联飞机的空天地一体化网络融合设计,需要考虑基于IP的异构网络融合,还要考虑非IP和IP异构网络融合,同时也要保障数据传输的安全性等。

3.2.1 网络体系的融合

前述对ETSI的融合方案分析,从空地无线网络技术差异比较和多个运营商的角度来看,松耦合方案较紧耦合具有更大优势。空天地一体化网络融合可以采用松耦合的方式进行设计,方案如图3所示。

总体而言,为互联飞机提供空地服务的大部分无线网络技术和架构差异较大,例如机场WIFI、4G/5G、AeroMACS、卫通等,而且一般来说也是由不同的运营单位提供,因此可采用前述第一种松耦合的方案。不同网络之间可通过机载路由/网关或地面路由/网关进行互联。

而部分技术和架构相似的无线网络之间可以考虑采用前述第二或第三种松耦合方式,例如:同时采用LTE或5G主要网络架构的ATG和Ka卫通,或者是同时采用WIMAX或未来5G网络架构AeroMACS和L-DACS。而且这些无线网络可能会由同一运营商提供服务,便于统筹建设,但需要考虑安全链路和非安全链路接入的核心网络进行分离。

Inmarsat公司为民机提供的空地宽带通信网络使用了ATG和Ka卫通两种网络,由于这两种网络都是基于4G/LTE架构,因此Inmarsat对两种网络进行了融合设计并共用了EPC核心网。

目前网络虚拟化成为5G系统的发展趋势,未来基于5G网络架构的Ka卫通和ATG网络可以共用同一个云平台实现核心网功能,从而协调彼此之间的服务提供、频谱配置、干扰管理、用户移动性管理等信息,实现地面ATG/5G网络与卫星网络协同融合为终端提供服务。

整个空天地一体化网络由多个机载网络、空地无线网络和地面网络构成,涉及多个网络之间协议的转换。图4是空天地一体化网络协议栈的初步考虑架构图。空天地网络考虑主要采用标准IP协议实现,其中涉及传统非IP协议ACARS传输通过协议转换方式实现。

多个异构链路融合的一个重要方面是链路切换功能。一体化网络链路切换考虑采用IEEE802.21MIHF技术。MIHF功能驻留在机载/地面路由以及链路设备中,MIHF为网络管理和链路之间提供一个统一接口,并提供链路的最大吞吐量、误包率、数据排队状态和传输时延等重要信息供路由进行实时、动态决策。目前新一代航空无线通信链路都是基于IP协议设计,包括AeroMACS、L-DACS、Ka卫通及未来新的链路等,随着未来空地数据交换需求增加,利用MIHF或类似技术便于一体化网络扩展集成新的通信链路。

3.2.2 IP网络和非IP网络的融合

航空空地通信系统传统是采用ACARS和ATN/OSI等非IP协议,随着数据空地交换需求的迅速提升,原有的协议及网络已不能满足要求。ICAO、RTCA、ARINC等组织及工业部门共同提出利用IP技术构建ATN/IPS协议,用于未来航空空地通信网络服务。同时,考虑到技术过渡和对传统空地网络的充分利用,需要对IP网络和非IP网络进行融合设计和兼容,融合考虑如图5所示。

1) ACD域的传统ATN/ACARS应用,除可以使用ATN/ACARS协议及传统非IP链路,还可以通过IPS协议Dialogue Service服务进行协议转换并使用高安全IP链路。IPS网络也可以通过AVLC(Aviation VHF Link Control)转换使用传统非IP链路。

2) ACD域的传统ACARS非安全应用还可以通过ACARS over IP的方式,使用IP链路(Ka/Ku卫通,蜂窝4G/5G、ATG)。

3) AISD域的EFB、AOC、ACMS等非安全应用,可直接利用IP协议和网络进行空地传输,还可使用传统ACARS网络和链路。

3.2.3 终端的融合

传统机载链路设备都是独立LRU形式,包括VHF电台、HF电台、机载L/Ku/Ka卫通设备、机载ATG、WIFI和蜂窝通信终端等。随着大规模集成电路和基于软件无线电技术的迅速发展和日益成熟,可以采用通用的射频前端架构和共用的处理平台,对各种通信终端进行融合,降低相应设备成本,尺寸、重量、功耗(SWaP),减少系统和飞机集成时间和复杂度。

通用软件无线电架构可应用于民机通信、导航及监视系统中多种无线电设备。通用软件无线电架构如图6所示。射频前端主要包括:天线、HPA和DLNA等部件;收发信机主要包括:射频电路、AD和DA等部件;处理功能主要包括:FPGA、DSP、接口及编解码、协议栈及应用等部件和功能;基于通用的架构,可以实现ARINC678中建议的机载分布式无线电架构。机载多种无线通信终端融合架构如图7所示。

基于通用软件无线电架构,可以考虑将部分无线电设备的信号处理、协议栈处理、应用等功能集中到Computing Unit(CU)中进行处理。将射频前端及收发信机功能合成RRU(Remote Radio Unit),尽量在靠近天线的位置进行安装。CU和RRU之间通过CPRI(common public radio interface)接口进行连接。

这种融合设计既可以充分利用CU的处理资源、减少构型,同时又可以减少射频信号损耗及缩短射频电缆重量等。

3.2.4 网络安全

空天地网络的融合带来的一个问题是网络安全问题。民机适航网络安全过程Airworthiness Security Process (AWSP)定义网络安全(Security)是指当飞机受到非授权网络干扰或攻击时,能够保证飞机处于安全运营状态。

按照ARINC811的划分,ATS和AOC属于安全通信功能,AAC和APC属于非安全通信功能。除承载ATS、AOC、AAC和APC功能的各网络域需要防火墙等措施作为边界保护,涉及安全通信功能的ATS和AOC功能需要受法律、规章管理和保护的频率及相应的链路进行传输,包括VHF、HF、L卫通Safety服务、AeroMACS和L-DACS等高安全链路和服务。因此,网络安全架构中可能会包括两个路由,一个安全路由是为ATS和AOC管理安全无线链路并提供QoS服务,另一个是为AAC和APC提供服务。在具体网络系统设计时,应按照RTCA DO-356A Airworthiness Security Methods and Considerations的要求进行风险分析和评估,并设置相应的安保措施进行保护。

3.2.5 集成验证考虑

空天地一体化网络涉及多种空地链路、机载设备和地面网络,在具体实现前有必要通过分步仿真和实验室验证进行技术成熟度评估。

系统仿真主要是模拟大量飞机节点的场景下,仿真系统所涉及的网络协议和算法,评估系统的网络传输性能。

实验室和试飞验证主要是选择一架飞机节点和小规模机载及地面网络实物系统,主要目的是验证在真实环境下各链路切换的性能及对典型应用的影响。

4 结论

随着Inmarsat Ka卫通、中星十六Ka卫通、5G公网等通信链路逐步建设和投入应用,AeroMACS及5G ATG正在开展实验网络验证,L-DACS正在开展研究,对于多种空天地网络的充分、有效融合利用势在必行。同时也必须重点考虑基于IP通信和融合带来的网络安全问题,将网络安全架构作为系统架构一个重要方面进行研究和设计。

参考文献