民航客舱通信的战略选择

 当今世界,信息通信技术的发展变化牵动着人类社会运转的每一根神经,是时代进步的重要标志。在我国信息通信业以5G发展和互联网应用为主要标志居于国际领先地位的总体态势下,民航客舱通信成了少有的洼地。

  目前全球有超过一万架民航客机安装了机上互联网设备,渗透率为39%,美国的渗透率则在70%以上。而民航局发布的《2020年民航行业发展统计公报》显示,中国11家航空公司213架客机客舱实现了空地互联,仅占国内民航机队总规模的5%。

  如何让民航旅客在飞机客舱里获得与城市地面相当的通信体验?概括起来可以有两种技术选择。一种是ATG(Air To Ground),即所谓空地无线通信网络,一种宏蜂窝结构的陆基移动通信网络,其基站沿航路架设,采用专用频谱,受地面核心网控制并与移动通信网连接,通过机载ATG系统为空中飞行器提供与地面网络之间的无线通信链路。另一种是卫星通信(SATCOM),即利用高、中、低轨通信卫星波束,通过机载IFC(Inflight Connectivity)系统提供空中飞行器与地面网络之间的无线通信链路。ATG或卫星通信系统实现空地互联,旅客则利用客舱WiFi接入互联网。

  就客舱通信服务而言,ATG的商用较早,第一个实现全境有效覆盖的数字宽带网络由当时全球最大的机上宽带运营商Gogo公司2009年在美国建成,采用中兴公司为其定制开发的CDMA1X-DO地面系统。在欧洲也有运用ATG的欧洲航空网(EAN)部署。我国自2010年开始ATG应用的探索。2011年11月,国航在北京飞往成都的一架A320飞机上进行了机上局域网测试;2013年2月,海航在北京至西安HU7137航班上启动空地互联测试飞行,上下行带宽达12Mbps;2014年4月,国航在北京至成都航线上启用“空中宽带”系统。中国电信集团与航科院和航广卫星合资成立了“天翼智慧航空科技股份有限公司”,已着手建设全球首张5G ATG商用网络,据称采用航空移动频率DME+电信频率混合组网,通过地面基站、机载接收机及舱内WiFi等设备,可使每架飞机拥有200+Mbps宽带接入能力,目前已开通北京至成都、上海、广州三条试验航线,2021年该网将覆盖全国。中国移动集团上海研究院2020年11月宣布推出中移九霄5G地空通信平台,通过定制5G机载系统提升网络性能,采用100MHz频谱,实现下行峰值速率800Mbps,上行峰值速率150Mbps;定制5G基站系统单站最大覆盖半径300Km,移动性支持1200Km/h。但同时表示这是全球首套端到端5G地空通信试验系统,系统建设和最终商务落地过程中还有很多问题需要解决。实际上,中移上海研究院正是中国移动全资子公司中移智行网络科技有限公司的上级单位,该公司还是“飞联网”联盟发起者。

  借助卫星的客舱宽带通信服务始于2012年Ku卫星IFC方案在美西南航空公司落地。此后更迎来了Ka高通量卫星的规模应用,以至于一批已经使用ATG系统的机队也改弦更张,加入了卫星IFC方案的行列。在欧洲,大部分宽体机采用了卫星IFC方案,部分窄体机则加入了基于S频段的欧洲航空网(EAN)。我国卫星IFC解决方案的起步与欧美差距不大,但限于多种原因,应用发展较慢。2014年7月,一架经过改装的东航空客A330-200飞机往返于京沪之间,利用Ku波段卫星传输的信号实现了空地互联,进入商业测试阶段。报道称每个乘客可用的最大带宽是2Mbps,网络下行速率可达32Mbps。随后,东航约100架宽体机利用Ku波段卫星开通了机上互联网,国、南、海、厦等航司的宽体机队也有所动作,形成了目前我国机上互联网服务的主要部分。2017年4月,我国首颗高通量Ka频段通信卫星(HTS)发射成功,为航空互联网宽带化发展提供了基础条件。2020年7月,我国发射首颗高通量Ku频段通信卫星亚太6D。2020年7月,安装在青岛航空QW9771航班客机上的国产首套Ka频段高通量卫星机上互联系统投入商业运营,成为中国民航互联网宽带化应用的新起点。2017年2月,隶属中国联通集团的联通在线与悦航阳光网络和成都海特凯融合资成立联通航美网络有限公司,为客户提供专业的天地海一体宽带卫星互联网和遥感大数据应用服务。

  2020年12月,中国电信集团、东航集团和上海均瑶集团宣告成立空地互联网络科技股份有限公司,旨在合力打造“航空互联网综合解决方案供应商”。2021年4月,国资委发布公告,正式组建中国卫星网络集团公司,将促使我国卫星通信的发展进入快车道,直追世界先进水平,更加有利于基于卫星的宽带机上互联网服务。

  总体来看,民航客舱通信需求集中体现在与地面相当的宽带机上互联网服务上。随着信息技术的创新发展,无论是ATG还是卫星IFC方式,都在不断迭代演进,克服自身缺陷,贴近数字化、网络化、智能化,提升服务质量和服务水平。政府主管部门、航空公司、基础电信运营商、系统集成商、服务提供商和航电设备制造商为此付出了艰辛努力。两种方式在航空互联网发展中谁占上风,哪一种更可持续,已经不再是简单的、静态的技术选择。

  从发展的眼光看,ATG利用具备软件化、云化、服务化特征的5G移动通信技术实施系统升级,实现低时延、高可靠、大带宽的服务需求,值得期待。但机载系统能力与地面网络的匹配水平,以及一直困扰运营单位的频谱资源可能让期望值大打折扣。虽然相控阵天线可以使情况有所改善,但成本代价和成熟度的障碍又使其目前无法直接投入商用。同时,由于是陆地基站组网,对国际航路尤其是海洋的覆盖也是ATG技术的短板,后疫情时代窄体机飞国际航线和跨海航路的比例加大,占比甚至超过30%,就决定了该方案不可能充分满足机上互联网对所有航线全程可用的需要。但也正因为是陆地基站组网,投资及产权管理逻辑清晰,基础电信运营商自认为责无旁贷。陆地移动通信相对低廉的总体资费水平则是航空旅客可以分享的红利。

  卫星通信有对地球表面无障碍覆盖的明显优势,具有多点波束、频率复用及高波束增益特性的高通量(HTS)卫星的出现及其快速技术迭代,使单星容量有望高达1000Gbps,从而有效破除或缓解以往L波段和Ku波段的带宽瓶颈。过去机载IFC设备及机载WiFi设备被欧美企业垄断,导致飞机改装成本明显高于ATG方案,但目前国内企业自主研发的上述系统软硬件均已具备商用条件,已成功运营近1年的青岛航空高通量卫星互联飞机就是采用全套国产机载IFC航电设备,今后成本问题将得到改善。除目前应用的同步轨道(GEO)卫星外,国内外蓬勃兴起的低轨道(LEO)、面向全球覆盖部署的卫星星座,有可能伴随一系列新技术的集群涌现而成为未来6G实现地空天一体化无缝连接的主要新生力量,当然也会给航空互联网的进步带来极大的想象空间。伴随卫星资源的不断丰富及网络融合的深化,还有望化解卫星通信资费偏高的困惑。

  如上所述,一方面是航空互联网有关各方业已付出的努力,一方面是相关技术的迭代变化,一直瞄准触发在即的我国航空互联网超常规迅速发展的历史机遇。面对时不我待的市场窗口期,可以考虑尽快推进部署航空互联网,抢占行业先机。鉴于目前在轨的中星16和亚太6D两颗高通量卫星的通信总容量已达20+50Gbps,2022年还将发射100Gbps容量的中星26,这三颗星将覆盖包括中国全境在内的亚太大部分地区,再加上可利用的国外高通量卫星资源,采用卫星通信方式只要集中精力完成适航的机载互联网系统安装即可,而ATG方式在此之外先要建设覆盖全国的地面网络,涉及到时间和成本问题,并且不支持跨国和跨海航线。这是决策时要注意的。

  在没有足够运营案例拥趸的情况下,两种技术方案的实施者都难以证明自己完全正确。由此看来,理想的选择似乎是ATG和卫星通信在技术标准上相互靠拢,达成面向航空器端口的一致,航空器机载IFC系统也向一套设备同时满足两种信源要求的方向演进。事实上,无论这种设想是否合理,都存在时间、成本、装机冲突等问题。且不说研发和适航取证,机载设备装机后往往需要稳定使用5-10年,我们只能依托现有的成熟适航产品先干起来。当然,现实情况可能演化成两种技术同时存在,发挥各自的长项,在协同与竞争中发展。这多少有点儿类似于当年的GSM与CDMA,到3G时期实现了两种技术的融合。这里还有一个重要因素,在数字化、网络化、智能化的科技与产业变革浪潮中,民航客舱通信的进步不可能是孤立的,它仅仅是智慧民航建设中航空电子的一个细分领域。我们在考虑其技术应用时,还要顾及与机载IFC相关联的前后舱其他应用场景。联想到汽车电子的发展历程,从汽车音响开始,向汽车的各部分渗透,直到当今汽车的概念都因此发生了逆转,由简单的交通工具演化成为移动互联终端,其实质是汽车中电子技术及装备的比重不断加大。航空电子会不会以相似的路径发展,我们无法确定,但其发展前景远大,应有所思考、有所准备。

  发展民航客舱通信的另一方面是投资与运营模式的选择,目前在国内还没有看到比较成熟或稳定的机制。就投资而论,从产权清晰、有利于统一规划、统一管理的角度考虑,显然是机载设备由航空公司投资最为简单,至于具体的资金来源则有灵活的空间,但前提是航司主导。如同卫星资源由卫星运营商主导投资一样,ATG方式下的地面网络应由基础电信运营商主导投资。

  航空互联网的运营可以理解为陆地移动通信网业务的延伸,基础电信运营商从不甘心只做管道的基本愿望出发,应组建专门队伍专司航空互联网的运营。为此,要与航空公司积极协作,参与投资及系统研发或设备选型,确定服务及盈利模式,承接运维及经营服务。由于飞机改装的特殊性,在当前技术水平下,一种技术方案和一种型号的设备一旦为一架飞机所采用,就具备了天然垄断性,不方便腾出空间安装两套同类设备,除非腾笼换鸟。如果采用ATG技术,要从航空公司全局出发,统筹航路通信信号覆盖问题,卫星方案则无此担忧。对航空公司而言,在原体制下运营航空互联网也未尝不可,比如营销、电商、客舱等部门负责客舱网络使用及运营,机务、信息部门整体负责设备及系统保障运维。组建机上互联网事业部或专业公司、外包合作等模式也都有案例可循。

  航空互联网作为一种与民航客运直接关联的附加服务,其效用是多方面的。从趋势看,它将很快成为民航运输服务的标配,如果哪个航班没有这一项,会直接影响航班上座率。尤其是近期,抢占先机,早上快上民航旅客感受良好的航空互联网服务,可能会成为改变民航运输市场格局一个显著因素。航空互联网主要使用旅客自带的信息终端,可以在一定程度上取代客舱椅背娱乐系统。由于机上互联网服务具有特定的针对性,将促使运营单位充分利用这一特点改进服务格局、开发新业务。航空互联网服务产生的直接经济效益则取决于运营模式。依旅客的愿望,最好是免费,但这种方式只有当其投资及运维开支被包裹在某个大系统中时才可能实现,例如电信运营商的资费套餐或航空公司的机票新舱位。另一种方式是机票附加定额收费,与乘机旅客是否上网无关,但上网的连续性较好。第三种方式是乘机后直接缴费上网。可区分享受上网速率分档取费或单档取费。取费标准应考虑关联因素科学测算。这里,运营主体的属性地位十分重要。无论如何,谁投资谁受益是不会变的。

  中国民航业已跨入多领域民航强国建设新阶段。航空互联网作为数字化转型的重要标志,必将在航空公司和各有关方面的共同努力下,取得令世人瞩目的新成就。(作者:黄文玉)

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