5G 专网在民航飞机维修领域建设应用的思考与实践

［吕园 张红国 陈智 卢荣奋 江昊］

1 引言

随着中国民航运输业的快速发展，中国成为全球民航运输业最活跃的地区之一，民航维修业MRO 也保持着良好的增长态势[1]。按照习近平总书记“确保航空运行绝对安全”的指示要求，民航维修行业肩负着保障航班飞行安全，提升机队可靠性水平的责任，同时受到近年新冠疫情的影响，又面临着航司控制维修成本的局面，所以一直积极寻求通过技术创新和数字化转型解决产业发展的瓶颈[2]。对此，中国民航局在“十四五”规划中也指出要加强智慧民航建设，由传统要素驱动向更加注重创新驱动转变，要培育壮大数字民航新生态，大力发展民航数字经济。随着数字化转型成为民航业的战略发展共识，民航业对利用5G 技术实现生产要素的连接和管理，实现提质降本增效的目标愈发迫切。

2 需求分析

2.1 行业现状

资料显示，随着2019 年中国发放5G 牌照以来，多家航司相继开展了有关5G 与MRO 结合的创新应用[1]。以AR 辅助维修为例，2017 年南航就已开展了相关试点，2019 年的5G 发牌，使得原来基于4G 和WIFI 的AR 一下子跃升为5G+AR，网络性能实现了质的提升，AR 远程辅助维修的使用感知和效果也大大提升，同年海航、东航等航司也相继进行了相关试点。

在服务人群方面，航司的机务工作者是相对固定的；在业务开展范围方面，维修现场分布在全国各地的机场、维修机库，需要实现数据漫游；在用户终端可控性方面，部分维修基地可统一配发终端，大部分的工作者需自行购买终端，难以做到终端的统一。

在应用场景方面，智慧维修场景的应用终端包括：AR 眼镜、AGV 小车、自动叉车、智能配送机器人、5G激光雷达、5G 高清摄像头等，其中涉及到密集超高速类：如AR 眼镜、5G 激光雷达、5G 高清摄像头；另外还有高可靠低时延类：如AGV 小车、自动叉车、智能配送机器人等。

2.2 5G 专网建设难点

飞机维修场所一般分为内场（机库）和外场（航线停机坪），机库为面积在五千至两万平方米，层高40 米，空旷、面积大、钢结构为主的半封闭空间，采用有线的方式布线难度高，WiFi 信号衰减很快，无法满足使用需求；而航线为户外场所，一般距离室内一两公里，维修环境复杂信号干扰多，WiFi 信号无法覆盖，4G 上行带宽不足。5G 由于其频率更高，抗干扰性强，同时拥有覆盖范围广，设备安装便捷无需拉线的优点，可以更好的适配飞机维修的实际生产场景。

另外，由于航司地域分布广，运行站点多，维修对象复杂，航司希望通过5G 实现访问航司内网，数据不出内网的要求，同时希望员工使用个人手机可以正常访问互联网。基于此，在5G 专网架构设计中需要考虑2B 和2C 的业务双跨与共融。

各种业务类型对网络的最低需求如表1 所示[3]：

表1 各种业务类型对网络性能指标的要求

由表1 可以看出，在飞机维修中不仅要求网络具有较低的时延、较高的速率，还要保证网络的安全性及可靠性。基于此，建设全国性的5G 智慧机务生产专网可以保障各维修区域如机场、航线、机库、航材仓库等生产作业区域有较好的网络服务质量，从而实现机务维修领域人工智能创新、解决航司应用的关键性问题，为维修提质，为业务增效。

3 基于DNN 分流的5G 专网解决方案

3.1 网络建设方案

结合民航业对2B2C 融合服务的需求，有两种技术实现分流方案：一类是沿用传统的4G 的APN/DNN 的方式，通过专用DNN 来实现公网流量和内网流量分流；一类是采用5G 的专用方案ULCL 的方式，但ULCL 仅限5G 接入，若5G 信号不好而回落4G，会发生业务中断，且ULCL方式只适用于本地业务场景，无法实现数据的跨省漫游[4]。由于各机场、各维修场地信号覆盖情况不一，为保证业务使用的连续性，在5G 信号较差时也可以回落4G 网络接入航司内网，本方案采取了基于DNN 的分流方式，用户需要签约运营商公网DNN 及航司专属DNN，受限于当前商用终端暂不支持URSP 功能，目前采用手动切换的方式进行DNN 切换。

网络架构如图1 所示。在访问内网时，专网用户签约航司专属DNN，通过专用终端（AR眼镜+手机、AGV小车、自动叉车、智能配送机器人、5G 激光雷达、5G 高清摄像头等）连接航司5G 专属室分或航线上的5G 宏基站，室分/基站收到访问请求后，将消息上传至5G 核心网网元，其中本地流量直接转发至航司专属UPF 数据进行本地处理，外地用户接入该地区的UPF 设备，再通过N9 接口汇聚至专属UPF，由专用汇聚专线传送至航司内网；在访问公网时，用户手动切换到运营商公网DNN，本地数据通过专属UPF 上联至运营商公网UPF 访问互联网，外地数据直接通过该地区的公网UPF 访问互联网。

图1 基于DNN 分流的5G 专网网络架构图

其中，为满足飞机维修工作对网络性能的高要求采用了如下解决方案：

（1）考虑到航空5G 专网的广域连接性，网络的经济性和合理性，采用了公网专用模式，复用中国电信承载网及5G 核心网，采用5G 切片的方式进行业务隔离。

（2）机库建筑巨大、钢架结构，室内空旷无遮挡，功能区多，其中附属的维修区域（工具房、附件维修区域、航材存储区等）隔墙随机分布，部分区域隔墙密集，考虑到需要满足各死角的边缘覆盖要求，导致部分PRRU 的覆盖半径明显减小；另外，飞机维修场景业务类型丰富，容量需求大，单层面积巨大，长距离布放馈线损耗大、成本高；考虑到机库的半封闭空间的特性，极易和室外的宏站信号相互干扰。

结合实地勘测情况，考虑到安装位置承重能力、走线距离、布放位置以及小区的干扰控制等多种因素，在机库维修区采用功率较大的RRU/BOOK RRU 覆盖主要区域，并采用PRRU 对信号盲点区域和流量热点区域覆盖。微站部分采用BBU+微站RRU 方式覆盖。室外工作区域主要为外场如航线、停机坪等，针对此区域采用BBU+AAU的建设方案，覆盖范围广。

图2 机库大厅场景安装示意图

（3）在本地站点建设专属UPF，航司独享核心网U面资源，实现数据本地处理，降低转发时延，同时提高了网络安全性。

（4）5G 切片通过切片ID 拉通端到端资源，提供业务隔离、切片用户组资源保障等能力，满足业务对网络定制的需求。为飞机维修工作提供大带宽、低时延、安全可靠的高等级服务保障。

3.2 网络安全方案

5G 专网作为重要的网络基础设施，需具备终端接入安全、用户数据安全、网络隔离安全、边缘计算安全等能力。

（1）多层次鉴权认证能力

5G 专网采用双向认证鉴权的方式，既可以防止虚假用户和终端接入内网，又可以防止用户和终端接入虚假网络[5]。用户接入网络时需进行切片认证，成功之后才建立特定的数据通道。同时部署了AAA 服务器进行二次认证，对终端及签约关系进行认证，认证成功通过后才可允许接入内网业务。

（2）端到端网络切片隔离能力

基于纵深防御理念，提供接入网、传送网、核心网的端到端网络切片隔离能力。5G 切片通过切片ID 拉通端到端资源，提供业务隔离、切片用户组资源保障、核心网传送物理网专用等能力，满足业务对网络定制的需求[6]。其中在接入网侧，通过物理资源承载独享、数据资源承载共享的方式来提供切片服务；在传输网侧，通过VPN 技术实现软隔离；在核心网侧，采用虚拟机区分的逻辑隔离。

图3 机库及附属维修区域5G 室分设计图

（3）基于MEC 的数据安全防护能力

民航业由于其本身特殊的行业属性对网络安全性要求较高，希望专网可以实现数据本地卸载的功能。5G 的SBA 架构功能可支持用户面和控制面分离，实现核心网网元UPF 下沉到网络边缘部署的方式。将UPF 和MEC 集成后下沉至边缘节点，可以实现重要数据不出园区，建立端到端数据安全防护手段，从物理上保障数据的安全性[7]。同时，网元下沉后将快速完成数据缓存、流量转发分流以及应用服务响应，降低业务时延。

3.3 网络自服务平台

5G 专网为民航维修业提供了定制化的网络服务，随着网络和终端规模的扩大，航司对网络的自主可控、可视可管、灵活配置等需求日益凸显。网络自服务平台需打通异厂家、异接口，使得客户在一个平台上实现对UPF、室分等网元的监测，更容易管理网络；同时，需具备自主运维的管理模式可掌握网络全局状态、性能指标等[8]；需提供统一API 接口对接航司内部网管系统，实现故障信息推送、告警处置实时报告；还需提供号卡管理功能，实现号卡开通、停复机、流量查询等功能。针对上述需求，5G自服务管理平台的基本功能如下：

（1）网络管理

提供专用切片管理、端到端网络拓扑可视、网络性能监控、网络告警及日志等。支持航司对5G 专网进行自主运维，网络的全局状态进行性能检测、告警提醒和故障处理进度可视化管理。

（2）设备管理

支持2B 和2C 融合的终端连接管理（开卡、停复机、流量查询、余额查询、号卡状态查询、策略控制等）、室分管理、基站管理、专线质量监控、UPF 网元级/切片级/DNN 级质量管理、告警监控、初级处置能力、调整网络带宽、应用SLA 感知及质差诊断等系统功能。

（3）安全管理

提供分权分域多级系统账号管理，便于IT 运维人员更好地管理网络；同航司SSO 二次认证登录系统对接，支持专网登录二次认证、终端威胁发现、终端强制下线等功能。

（4）应用管理

在UPF 侧旁挂边缘DPI 探针，探测业务流的SLA 指标如流量、速率、时延、抖动等，监控应用的质量情况，保障应用运行稳定可靠；另外可通过一业一策建模分析视频回传、AGV 的场景数据流，提供个性化的应用监测能力。

4 结束语

2022 年6 月，中国电信携手南方航空建设民航领域首个智慧维修5G 专网，实现机库、航材仓库、维修车间、附件中心、航线、廊桥、远机位等工作面的一体化网络覆盖。5G 结合AR、人工智能AI、物联网、云计算和大数据等前沿技术，实现了多项5G 应用场景，打造一体化智慧维修“5G+工业互联网”生态体系，该项目以广州为中心，已在北京、上海、深圳、乌鲁木齐、武汉、郑州等22个大中型城市推广，服务于2 万多名机务维修从业人员，保障每日30 000 多个航班的安全正点，为推行智慧民航、建设社会主义现代化民航强国贡献坚实的力量。