涵盖一系列新的通信技术 5G将为民用航空带来新变革
中国航空报讯：5G涵盖了一系列新的通信技术，包括新的空中接口（简称空口）接入技术、多频段MIMO天线以及更有效的波束赋型技术等。但是5G应该如何移植改造才能在飞机、机场、维修以及航空IT网络中得以应用并发挥价值需要进一步探讨。
3GPP提出5G新空口标准 为各行业应用提供了基础
2017年，第三代合作伙伴计划（3GPP）联盟正式提出了5G新空口的初始标准，该联盟由7个移动电信和无线网络标准组织组成，代表700多家电信公司，这些公司也为世界提供了3G、4G和4G LTE网络的空中接口技术。5G网络的信号将在运营商所使用的新无线电频率上运行，包括低频（1GHz及以下）、中频（1~6GHz）和高频（毫米波）三种网络。
根据全球移动通信协会（GSMA）的数据，当前已部署的5G网络实际上是非独立组网（NSA）的5G网络，这意味着它是建立在4G LTE之上的无线架构。而最近成为热点的高速低延迟网络是独立组网的5G网络（5G SA），预计将在未来两三年内开展部署。
3GPP推出的5G空口功能更强、速度更快，有望大幅缩短智能手机下载或更新应用程序所需的时间。根据高通公司提供的数据，5G将提供高达每秒20Gpbs的峰值数据速率和每秒100Mbps以上的平均数据速率，下载时长两小时电影所需时间不到10秒，而使用4G网络平均需要7分钟。
目前，地面5G网络已经在多种行业中得到了应用。尽管还未能在商用客机上实现独立连接的5G蜂窝无线网络，但是整个航空业正在加大力度推动5G初始应用案例的研发。
Gogo在北美建设5G地面站 采用新技术提供空地链路
美国的空中互联网提供商Gogo公司工程高级副总裁表示，该公司正在开发新型天线和调制解调器，计划于2020年底完成地面站点建设并开展飞行测试，最终在2021年底前实现世界上第一个机上连接（IFC）5G空对地（ATG）网络。
据悉，Gogo的5G网络仅限北美地区使用。基于北美地区现有的250个3G和4G IFC发射塔，Gogo的ATG 5G网络将使用2.4 GHz频段的免执照频谱，并采用新的调制解调器和波束成形技术来提供飞机到地面站的链路。未来该网络还将开拓低、中、高频段的授权、共享及未授权的频谱。
英国的通信公司Airspan正在为Gogo的5G ATG网络设计和建造专用5G虚拟无线电访问网络（vRAN）基站。在空中进行基站之间的信号移交与管理多普勒效应是很困难的，因此与时速500英里（804千米）、飞行高度35000英尺（10千米）以上的飞机建立并保持连续的网络连接是非常具有挑战性的。
机场5G专网可优化保障流程 提升机场管理自动化水平
部分国家的机场和飞机维修服务商已经开始尝试应用5G技术优化维修保障流程。2020年2月，诺基亚使用其数字自动化云（DAC）端到端私有无线网络和边缘计算平台在德国汉堡部署了一个5G专用无线网络，汉莎技术公司利用该网络开展了一项名为“虚拟台板检查”的项目。利用5G专网，汉莎的维修工程师无需前往汉堡，在本地的工厂内就可以进行远程虚拟协同的发动机零件检查，还能够开展高清视频培训。
同时，诺基亚与比利时的移动运营商Citymesh正在开展合作，计划在布鲁塞尔机场使用相同的技术探索机场的5G网络应用。从IT运营商的角度来看，Wi-Fi足以满足当前乘客和机场管理的网络需求。但是，机场的大范围部署会给Wi-Fi网络服务的连续性带来挑战，而且Wi-Fi的数据吞吐量和速度无法提供自动化应用程序和工业4.0所需的性能水平。通过研究，诺基亚认为利用5G技术部署一个专用无线网络可以实现无电缆、自主的机场网络环境，设备和第三方客户可在独立于公共移动网络的频率上运行。
2020年4月，美国联邦通信委员会（FCC）决定通过美国卫星通信公司Ligado的通信频段申请，允许其在L波段部署一个低功耗的全国性地面网络，以支持5G和物联网服务（IoT）。随后在4月17日，国际航空运输协会（IATA）发表声明，同其他二十多个航空和非航空相关组织一致反对FCC的决定。IATA认为Ligado使用的频段靠近全球定位系统（GPS）所使用的频段，将对GPS信号造成严重影响，尤其在低海拔地区可能会中断GPS信号，还会干扰诸如地形回避与警告系统（TAWS）这类需要使用GPS信号向飞行员显示准确位置报告的座舱系统。此外，如果机场附近设有Ligado地面基站，飞行员可能无法在起飞前验证卫星通信系统是否正常运行，造成飞机无法正常起飞，为飞机的运营和改造都带来昂贵的成本。
电信运营商与航空业界正在探索5G网络的低空应用需求与案例
随着民航监管部门对无人机交通管理（UTM）的概念逐渐明确，人们开始关注未来5G能否成为无人机、电动出租飞机、空中交通管理部门以及无线网络服务提供商之间数据和信息共享媒介。
Iris Automation公司首席执行官亚历山大·哈姆森认为对于无人机交通管理来说，当前的一大难题是需要一个百分百可靠的高带宽通信网络来跟踪非合作飞机。Iris Automation公司是一家位于硅谷的初创公司，一直致力于研究一种机载防撞系统，该系统将首次为美国联邦航空局批准的无人机提供动力，使其无需借助视觉观察员（VOs）或昂贵的地面雷达系统就可以完成超视距飞行（BVLOS）。借助类似Iris公司的机载系统，无人机可以近乎实时地做出决策，而无需将数百兆的高分辨率视频和感官信息流传输到地面的指挥控制设施。这意味着该系统可以结合来自地面的信息实现无人机的低密度运行，而无需 5G网络的带宽和可靠性。
与电信行业广泛合作的Akin Gump律师事务所合伙人詹妮弗·里克特表示，电信运营商通过与3GPP联合协助FAA 开发了可用于测量无人机与地面接收器之间无线连接可靠性的指标。运营商已经商定了十几个数据点，希望通过无人机集成试验测试无线网络用于无人机通信的情况，并将通用数据反馈给FAA为其提供评估依据。FAA对于这类数据非常感兴趣，希望借此进一步了解无线网络支持无人机作战的安全性。
美国航空航天局（NASA）也希望探索5G在低空空域的数据共享及其他潜在使用案例。NASA的航空研究任务理事会赞助了多项活动用于开拓先进空中机动（AAM）市场中通信、导航系统（CNS）的发展需求。通过去年8月推出的“大挑战”系列活动，NASA计划将参与新兴航空运输系统的公司召集在一起，征集无人机运营的需求和优秀的实践案例，包括FAA对电动和混合电动飞机的认证要求。
NASA的先进空中机动项目经理戴维斯·哈肯伯格称该局正在探索AAM的CNS体系结构和技术，以满足城市空域内和周围大容量、高密度运行的安全关键服务要求。新服务试图将现有CNS系统的可靠度和一致性与LTE/5G以及卫星通信等非航空市场的前沿无线通信技术结合起来。同时，新服务对频谱效率和网络容量也提出了更高的要求，NASA希望能够通过某些技术手段对新服务进行一些调整使其更加适合AAM的运营。
2020年12月8日，美国联邦通信委员会（FCC）将举行一次公开频谱拍卖，旨在进一步促进5G在美国的使用。在3.7~4.2GHz频段内，FCC将分配该频段的3.7~4.0GHz部分用于移动应用，并拍卖3.7~3.98GHz中的280兆赫频段用于美国周边的无线服务。FCC预计此次拍卖将产生数百亿美元的收益。
此次拍卖中获得的部分频谱能否为低空运行提供5G支持仍有待观察，不过航空航天业界正在为这一天的到来做准备。美国航空航天工业协会无人驾驶和新兴技术主管马克斯·芬克尔称业界非常关注各种蜂窝和广播通信技术的可用性，根据不同的任务有不同的使用需求。
对于未来的低空航空运营来说，无论是无人机还是城市空中交通，FAA都没有针对具体任务设定安全案例，也未明确其频谱要求。芬克尔预计，绝大多数小型无人机将使用蓝牙或WiFi在未经许可的频谱上运行，但更高海拔的大型飞机将使用专用频谱，更类似于目前的有人航空和空中交通管制员采用的广播式自动相关监视系统（ADS-B）。与此同时，电信运营商正在等待FCC和FAA的明确监管指导意见从而启动基础设施建设，进一步推动未来低空空中交通系统的实现。
当上述预期成为现实以后，民用航空很可能成为5G技术的头号用户。