AeroMACS——一种新型航空空港移动通信系统

刘枫康潇叶永

（民航河南空管分局，河南 郑州 450000）

现在国际和国内空港航班量的增长促使空中交通管制（ATC）和航空公司运行通信（AOC）服务数据负荷快速增长，以往的语音通信已经不能满足新一代空中交通管理系统的需求，所以未来我们的通信基础设施（FCI[1]）必然是一个复杂的异构系统。

选择多种现有技术可以最大限度地利用现代通信技术发展的成果，从而快速高效地投入使用。例如Eurocontrol和ICAO共同定义的基于IEEE802.16-2009标准（即Mobile WiMAX）的工作与C波段航空空港移动通信系统。

IEEE 802.16-2009技术能很好地满足空港场面通信的要求并且适应其复杂的电磁环境，特别是正交频分复用（OFDM）和非视距（NLoS）通信技术能更好地应对不利传输环境和更好地利用频率资源，使得高速数据传输成为可能。Mobile WiMAX还可以对飞机和地面车辆进行定位，针对各种不同服务提供不同的QoS以及基于认证/授权程序和加密的安全通信。

尽管IEEE802.16-2009已经被选择作为FCI（未来航空基础设施）中最适合的技术，但是到目前为止，各国还没有就其具体的技术标准达成一致。特别是在一些具体问题，例如飞行器和控制站、频偏补偿、信道传输衰落、QoS管理策略和越区切换中的安全问题等，仍需要深入研究。以下本文将对这些方面的进展和方向做浅显的分析。

1 AeroMACS系统概述

AeroMACS是一个全IP网络，可以用于飞行器、车辆和人员的通信，同时，支持与安全相关的ATC和AOC高速数据包交换业务，未来AeroMACS还将支持网络管理服务（NET），并且在其实施的第二阶段，还会支持VoIP及视频流等相关业务。在所有业务的优先级中，网管服务最高，其次是ATC和AOC，此外一些人身安全相关服务（SoL）也需要一个安全可靠的传输网络，这样才能保证一定的容错性和网络遭受攻击时的可靠性。综上所述，为了保障ATC和NET的业务不中断，必须尽量减少越区切换的时间，同时使用带有认证的安全协议、授权程序和加密来避免网络遭受恶意的攻击和入侵。

在实施的第一阶段，AeroMACS能支持速度小于92.6km/h的飞机和机场地面车辆的通信，此后将考虑如何使其支持COCR v2.0中最大移动速度为370km/h的通信，最终系统能够向机场上空飞行的飞机广播机场通播信息。理论上单个小区能够覆盖8.3km的半径范围，但是这只能满足小型机场的需求，而使用多个覆盖范围较小的基站可以提高网络覆盖能力和数据的可靠性。未来AeroMACS频率资源将会和导航、遥测、安全和卫星服务共同使用5091-5150MHz的航空服务频率，为了防止各种业务相互干扰，他们必须在空间和频率上有充足的间隔，微波着陆系统MLS是一项重要的干扰源，应该对其两者之间的相互作用做进一步的深入研究。

2 AeroMACS网络架构

为了保证网间良好的互联性，AeroMACS采用基于由WiMAX论坛定义的IEEE802.16-2009架构，同时AeroMACS也是一种支持模块化和灵活部署的全IP网络。如图1所示，一般AeroMACS系统由以下几部分组成。

图1 AeroMACS网络架构

MS/SS即移动用户站/固定用户站，他们都是最终的用户。MS是指飞机、服务车辆、紧急情况车辆以及步行工作人员等移动结点，SS是指雷达、气象站及航线设备等固定结点。

ASN即服务接入网络，用于向AeroMACS用户、安全认证系统、资源管理系统提供无线访问接口，它由至少一个BS和ASN-GW组成。

BS即基站，表示该网络的接入点，实现了空中接口和各项功能的接入，包括上行链路（UP）和下行链路（DL）调度器，射频资源管理模块和越区切换（HO）管理模块。一个物理基站可以包括多个按扇区角度或者频率划分的逻辑基站。

ASN-GW即ASN网关，表示ASN与CSN之间的链路，主要实现路由和桥接的功能。此外，它还可以根据移动性和安全性方面的指标实现基站之间的负载均衡。

CSN即网络联通服务，用于在机场内或者互联网范围内提供针对AeroMACS用户的IP连接服务。

ASN一般部署在机场附近，如果基站的总数比较少，ASN可以采用分布的方式在各个基站进行部署。

3 AeroMACS总则

由于AeroMACS定义的配置与WiMAX论坛认证的配置相兼容，所以AeroMACS具有IEEE 802.16-2009的功能和属性。综上所述，AeroMACS的配置是WiMAX的一个特殊应用，以下表1中将具体阐述AeroMACS和WiMAX配置主要的不同点。

3.1 物理层

IEEE 802.16-2009可以同时工作在多个频段，用以支持规定的数据速率。而AeroMACS的512点FFT仅有5MHz带宽，也许未来能扩展到10MHz。由于AeroMACS的物理层基于正交频分多址技术，所以具有减少频率相关性失真以及在多径条件下进行信道均衡的能力，在机场附近具有恶劣的衰落、宽时延的环境中有着特殊的优势。

3.2 介质访问控制层

AeroMACS的介质访问控制层符合IEEE 802.16-2009标准，用户通过TDMA和OFDMA相联合的方式访问信道。在时频域中，子载波以时隙为单位分配各个用户。时隙是可以分配给用户的最小资源单元，它又可以分成48个相邻的数据子载波，并且时隙中还包括导频分配的信息。MAC层中的公共子层（CPS）采用合适的调度算法来实现一些MAC层的特殊功能，例如资源分配、连接建立以及QoS管理等。其他两个MAC子层是特殊服务汇聚层（CS）和安全子层。其中CS子层用于将上层数据映射成相应的服务数据单元（SDUs）。而安全子层实现认证、密钥交换和加密功能，以确保通信安全，防止网络被恶意入侵。

表1 WiMAX与AeroMACS的主要区别

4 结论

国内和国际航班量的大量增长要求我们开发出一种有效的宽带通信系统来提高航空安全水平，保证飞行器、运控中心、内场车辆和人员之间可靠地通信。在欧美国家已经对这些技术进行了项目验证，我国的民航数据通信公司也在双流机场进行了试验，国家无线电委员会也在审批这些频率。也许在不久的将来，这会成为空港移动通信的国际标准，空管行业将是这个系统的重要用户，所以我们要走在该项技术的前沿，迎接未来的挑战。

［1］何川，张学军.未来可用航空通信关键技术发展评估［A］.第四届中国航空学会青年科技论坛文集［C］.2011.