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█ 到底什么是 ATG？
ATG，就是 Air To Ground，空對地通信，也叫地空通信。
它是一種非常特殊的通信技術(shù)，專門為天上的飛機(jī)提供服務(wù)。
簡單來說，就是沿著飛機(jī)的航線，設(shè)置大量的地面基站?；咎炀€朝向天空，為飛機(jī)提供移動通信信號，以此實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)連接。
█ ATG 有什么作用？
當(dāng)然是為了讓飛機(jī)上的人可以上網(wǎng)呀！
如今我們所處的信息時代，大家時時刻刻都離不開手機(jī)，離不開互聯(lián)網(wǎng)。
我們已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了手機(jī)信號在地面的無縫覆蓋，但是，一直以來，在飛機(jī)上上網(wǎng)，都是一個大問題。
每次飛機(jī)即將起飛，空姐都會提醒我們關(guān)閉手機(jī)，或者將手機(jī)設(shè)置為飛行模式。飛機(jī)飛上天空后，即便你偷偷打開手機(jī)，也是沒有任何基站信號的。
根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，民航旅客的單次航班平均飛行時長約為 2.5 小時。對很多人來說，這 2.5 小時就很難熬，如坐針氈。
對于很多商務(wù)人士來說，時刻確保“不失聯(lián)”，也非常重要。有時候，錯過重要的郵件和消息，會帶來經(jīng)濟(jì)損失。（當(dāng)然，有的打工人很享受這種“失聯(lián)”。^_^）
不管怎么說，能夠在飛機(jī)上使用網(wǎng)絡(luò)，是大部分乘客的愿望。
2023 年，國內(nèi)民航旅客數(shù)量高達(dá) 6.2 億人次。根據(jù)民航旅客服務(wù)測評（CAPSE）的調(diào)研結(jié)果顯示，其中 98% 的乘客有上網(wǎng)意愿，78% 的旅客會優(yōu)先選擇能上網(wǎng)的航班，63% 的乘客愿意為飛機(jī)上網(wǎng)服務(wù)單獨(dú)付費(fèi)。
這難道不是妥妥的剛需？
除了乘客之外，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對于飛行員、空乘等機(jī)組人員也是非常有用的。
大家不要誤會，不是為了讓他們也刷劇和聊天，而是為了工作。
飛機(jī)分為前艙和后艙。乘客、空姐所處的區(qū)域，是后艙。飛行員所處的駕駛室區(qū)域，就是前艙。
ATG 可以幫助傳輸前艙的重要數(shù)據(jù)，例如如飛行數(shù)據(jù)、艙內(nèi)視頻數(shù)據(jù)、飛機(jī)位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)、飛機(jī)健康監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等。機(jī)組成員佩戴無線健康手環(huán)，也可以通過 ATG，將身體狀態(tài)數(shù)據(jù)同步給地面。
ATG 還可以支持一種叫電子飛行包（EFB）的應(yīng)用，以文字、照片、語音、視頻等方式與地面實(shí)現(xiàn)即時通訊，實(shí)時查詢航路、機(jī)場雷達(dá)回波圖及各類氣象資料等，幫助機(jī)組人員進(jìn)行決策。
大家都知道黑匣子。這個東西一般只能在事故發(fā)生后進(jìn)行查詢，但有了基于 ATG 的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)連接，飛機(jī)的很多動態(tài)數(shù)據(jù)，都可以被地面所掌握。這個意義，大家都懂。
ATG 還可以在緊急情況下用于遠(yuǎn)程協(xié)助。例如后艙有乘客突發(fā)疾病，地面人員可以獲得準(zhǔn)確的病狀影像信息，空乘也可以獲得地面的指導(dǎo)。
所有這些，都有利于提升民航飛行過程中的安全性。
█ ATG 有哪些技術(shù)優(yōu)勢？
想要讓飛機(jī)具備互聯(lián)網(wǎng)連接，一共有兩種方式。
一種是通過衛(wèi)星。在飛機(jī)上安裝衛(wèi)星通信裝置，與衛(wèi)星建立通信鏈路，實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)。
這種方式的缺點(diǎn)很明顯。
首先是網(wǎng)速慢。
Ku 低通量衛(wèi)星單機(jī)帶寬只有 2Mbps，Ku / Ka 高通量衛(wèi)星是 100-150Mbps?，F(xiàn)在很火的低軌星座衛(wèi)星，最多也就 200Mbps 級別?？瓷先ズ孟襁€行，但實(shí)際上，受各種因素影響，體驗(yàn)速率往往達(dá)不到這個水平。
其次是通信時延大。
高軌（36000km）、中軌（8000km）衛(wèi)星離地面距離很遠(yuǎn)，空口時延高達(dá) 270ms 以上。低軌（幾百 km）稍微近一點(diǎn)，最理想的情況也有 30ms。加上一些衛(wèi)星與地面站的回傳處理，時延就會更大，乘客上網(wǎng)體驗(yàn)會很差。
第三當(dāng)然是價格。
衛(wèi)星通信，涉及到衛(wèi)星的研制、發(fā)射、運(yùn)營及維護(hù)等環(huán)節(jié)，成本非常高，攤到用戶頭上，上網(wǎng)費(fèi)用肯定不低。而且，衛(wèi)星通信還涉及到衛(wèi)星使用壽命問題。中高軌 15 年，低軌 5-8 年，成本就更高了。
相比之下，ATG 顯然就更具優(yōu)勢。
首先，ATG 采用蜂窩移動通信技術(shù)，如果采用現(xiàn)在主流的 5G 技術(shù)，實(shí)測帶寬可以達(dá)到 486Mbps（100MHz 頻寬）。
其次，飛機(jī)的飛行高度一般在 1 萬米（10km）左右，這個距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于衛(wèi)星高度，所以通信時延會比衛(wèi)星更低（空口時延大約 20ms）。
第三，價格成本低。
在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，基站肯定比衛(wèi)星便宜，是吧？ATG 站址可以利用現(xiàn)有 5G 基站站址、傳輸和核心網(wǎng)資源。
ATG 基站要單獨(dú)買。根據(jù)測算，只需要 1000 個專用 5G ATG 基站，就可以實(shí)現(xiàn)全國的航線覆蓋。對運(yùn)營商來說，這都不是個事。
在飛機(jī)側(cè)，飛機(jī)需要改造才能支持衛(wèi)星通信或 ATG 通信。根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)的測算，在單機(jī)改造成本上，ATG 大約是 100-250 萬一架，衛(wèi)星通信是 300-400 萬一架，這又拉開了成本差距。
ATG 有一個方面不如衛(wèi)星，那就是覆蓋場景。
衛(wèi)星是全球全域覆蓋，而 ATG 必須要有基站。海上是沒有辦法建設(shè)基站的。所以，對于國際航班（跨海比較多），ATG 往往用不了，只能依靠衛(wèi)星。
話說回來，國內(nèi)航班的航線，90% 都是在陸地上空。只有少部分場景，位于近海區(qū)域。所以，采用 ATG，能夠滿足絕大部分的國內(nèi)航班上網(wǎng)需求。
█ ATG 的技術(shù)架構(gòu)是怎樣的？
ATG 整個架構(gòu)并不算復(fù)雜，主要分為地面部分和機(jī)上部分。
以 5G ATG 為例，如下圖所示：
地面首先是要有航線沿線的 5G ATG 基站（略有不同），然后通過傳輸設(shè)備（和公網(wǎng)相同），連接到 5G 核心網(wǎng)（和公網(wǎng)相同，可單獨(dú)設(shè)置）。最后，乘客使用的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，連到 Internet。前艙業(yè)務(wù)等，通過專線，連接到航空公司等平臺。
機(jī)上部分，比較特別，涉及到很多改造工作。
首先，要加裝專門的天線，一般安裝在機(jī)腹位置（衛(wèi)星通信天線會安裝在機(jī)背位置）。
然后，連接到 CPE。再連接到機(jī)艙內(nèi)的 Wi-Fi 裝置，或前艙的專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
從系統(tǒng)架構(gòu)的角度來說，好像并不是很復(fù)雜。
ATG 的主要技術(shù)挑戰(zhàn)在飛機(jī)和基站之間的無線連接部分。
民航飛機(jī)的飛行速率一般是 800 千米 / 小時左右，最高可達(dá) 1200 千米 / 小時。飛行高度前面說過了，平流層飛行一般在 1 萬米高空。
這么遠(yuǎn)的距離，這么快的速度，加上天氣等因素的影響，想要保證網(wǎng)絡(luò)連接的高速穩(wěn)定，是極具挑戰(zhàn)的。
針對超高速移動帶來的多普勒頻移，需要通過算法設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)行補(bǔ)償，盡可能降低頻偏。
ATG 系統(tǒng)的基站覆蓋半徑也比普通基站大得多。因?yàn)槿绻采w半徑小，飛機(jī)飛得快，就會頻繁發(fā)生小區(qū)切換，影響用戶上網(wǎng)體驗(yàn)。
目前，通過采用特殊的幀結(jié)構(gòu)、調(diào)整空口無線參數(shù)，中興通訊的 5G ATG 基站可以實(shí)現(xiàn)最大 300km 的小區(qū)覆蓋半徑，覆蓋高度也可以達(dá)到 13000 米。
再有就是差異化的 QoS 保障。
飛機(jī)上的上網(wǎng)業(yè)務(wù)有很多，有的重要，有的不重要，需要通過設(shè)置不同的 QCI 業(yè)務(wù)優(yōu)先級，對重點(diǎn)業(yè)務(wù)（飛行數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等）進(jìn)行保障。
第四就是天線。天線對信號的影響很大。采用相控陣天線，可以提升信號的指向性，增強(qiáng)信號收發(fā)效果，抑制干擾。
值得一提的是，國外很多 ATG 用的是專門的頻段，且速率低，所以對天線要求不那么高?，F(xiàn)在國內(nèi)搞 5G ATG 的話，基本上都是 64T64R 的定制化 Massive MIMO 天線，具備更強(qiáng)的波束賦形和波束跟蹤能力。
航空飛行最重要的就是安全。
雖然 ATG 的技術(shù)不算很復(fù)雜，但落地不容易。在飛機(jī)上進(jìn)行改造，絕對不像我們自己家隨便走個線那么簡單。哪怕安裝一個很小的東西，都涉及到非常復(fù)雜的研究和論證工作，還要層層審批。
ATG 系統(tǒng)改造，只能通過飛機(jī)制造企業(yè)來完成，周期很長，手續(xù)很多。沒有拿到民航局的適航證，改造就是非法的，不被允許。
地面部分，一般來說，由電信運(yùn)營商來完成。相對簡單一些，但也涉及到頻譜資源分配、信號干擾抑制等復(fù)雜細(xì)節(jié)。
█ ATG 的商業(yè)化進(jìn)展如何？
在飛機(jī)上使用互聯(lián)網(wǎng)，早在本世紀(jì)初就被提上了議程。
2005 年，歐洲空中客車宣布推出了全球首個客艙“無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”。不過，它借助的是“全球星”衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
2007 年，美國的 Aircell 公司（后來改名為 GoGo air）買下了美國對空的 3MHz 頻率（屬于 800MHz 頻段），并以此建設(shè)了全球首個 3G ATG 系統(tǒng)。這個系統(tǒng)基于 CDMA EVDO 技術(shù)，當(dāng)時引起了轟動。（當(dāng)時我同事還去美國參與了這個項(xiàng)目。）
后來，歐洲空中網(wǎng)絡(luò)（EAN）借助海事衛(wèi)星組織的支持，建設(shè)了一套“衛(wèi)星 + 4G ATG”的網(wǎng)絡(luò)，為歐洲提供機(jī)載通信覆蓋，也取得了不錯的效果。
相比之下，國內(nèi)的機(jī)上聯(lián)網(wǎng)和 ATG 技術(shù)起步稍微晚了一些。
2013 年 7 月，國航北京直飛成都的航線，推出了我國民航史上首架能在飛行途中實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)的航班，采用的主要是衛(wèi)星通信。
2016 年，國航成都分公司順利完成了第一架空客 A321 飛機(jī) ATG 系統(tǒng)的改裝升級工作，將機(jī)上寬帶上網(wǎng)速度提升到了 30Mbps。
后來，運(yùn)營商越來越看重這一塊市場。但是，可能是考慮到 5G 即將到來，所以，他們并沒有大力建設(shè) 4G ATG 網(wǎng)絡(luò)。
2018 年，飛行上網(wǎng)這塊業(yè)務(wù)迎來了一波利好。
這一年的 1 月 15 日，中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司下發(fā)《機(jī)上便攜式電子設(shè)備（PED）使用評估指南》，有條件地開放使用手機(jī)等移動設(shè)備上網(wǎng)。12 月，中國商飛公司牽頭研制的 ATG 系統(tǒng)首次在國產(chǎn)支線客機(jī) ARJ21 飛機(jī) 103 架機(jī)上進(jìn)行了測試試飛，試驗(yàn)取得圓滿成功。
2020 年，圍繞 ATG 的競爭開始變得激烈。主要競爭對手是中國移動和中國電信。
中國電信這邊，2020 年，他們與民航單位合作組建了天翼智慧航空科技股份有限公司（以下簡稱“天翼智航”）。年底，中國電信開通北京至成都、北京至上海、北京至廣州三條 ATG 試驗(yàn)航線（目前有的還在運(yùn)行）。當(dāng)時，他們打算在 2021 年建設(shè)全球首張 5G ATG 商用網(wǎng)絡(luò)，單架飛機(jī)峰值帶寬預(yù)期高達(dá) 1Gbps。
中國移動這邊，2020 年 10 月，他們與中國商飛、中興通訊合作，在山東東營成功進(jìn)行了搭載 5G ATG 系統(tǒng)的國產(chǎn)大飛機(jī)首飛。
2021 年 4 月，中國民航局發(fā)布了《中國民航新一代航空寬帶通信技術(shù)路線圖》，再次給 5G ATG 加了一把火。
最近的大新聞，就是 2023 年 5 月，工信部依申請批復(fù)中國移動使用其 4.9GHz 部分 5G 頻率資源，在國內(nèi)有關(guān)省份開展 5G 地空通信（5G-ATG）技術(shù)試驗(yàn)。
這個意義很重大，是國內(nèi)首次專門批復(fù)了 5G ATG 的試驗(yàn)頻段。試驗(yàn)地點(diǎn)就是商飛東營試飛區(qū)和陜西閻良試飛區(qū)。
目前，在 5G ATG 這塊，中國移動和中國電信之間的賽跑非常激烈（中國聯(lián)通可能后期會與電信共建共享），大家都在積極推動 ATG 的落地，試圖搶占這塊市場。
據(jù)悉，圍繞京滬、京蓉、京廣、滬蓉等國內(nèi)干線實(shí)驗(yàn)地面網(wǎng)的建設(shè)，正在緊鑼密鼓地進(jìn)行之中。運(yùn)營商已經(jīng)制定了推進(jìn)路線圖和時間計(jì)劃，還成立了很多工作團(tuán)隊(duì)，全力推進(jìn)飛行安全性、通信穩(wěn)定性、系統(tǒng)互操作性等關(guān)鍵領(lǐng)域的測試驗(yàn)證，以及地面配套、機(jī)載軟硬件、適航審定等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定完善。
好啦，以上就是關(guān)于 ATG 的詳細(xì)介紹。
根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，中國民航客機(jī)聯(lián)網(wǎng)率僅僅只有 6%（且基本上是衛(wèi)星通信），遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國家（83%），甚至遠(yuǎn)低于全球平均水平（49%）。這個和我們的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及通信技術(shù)水平是非常不對稱的。
我相信，接下來的幾年，隨著國內(nèi) 5G ATG 的加速建設(shè)，這一局面將會有很大的改觀。不久以后，我們在飛機(jī)上一定能夠享受高速且低價的互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)。
參考文獻(xiàn)：
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《直沖云霄！探尋空中“5G 沖浪”新高地》，劉亞廷等，人民郵電報；
《ATG 地空互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開啟空中互聯(lián)網(wǎng)時代》，韓營，中興通訊；
《工信部批復(fù)移動開展 5G-ATG 試驗(yàn)，空中用 5G 不遠(yuǎn)了？》，孔學(xué)劭，南方都市報；
《左手衛(wèi)星，右手 ATG：中國電信的航空互聯(lián)網(wǎng)夢想》，水易，c114 通信網(wǎng)；
《機(jī)上網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與差異化 2C 策略之研究》，許洪澎；
《坐飛機(jī)將能 5G 上網(wǎng)了，但背后的科學(xué)你一定要知道》，趙涵，中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)；
本文來自微信公眾號：鮮棗課堂（ID：xzclasscom），作者：小棗君
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