国外ATG网络进展及余割平方波束ATG地面天线设计

李立忠，王程，王来军，陈伟

（上海安费诺永亿通讯电子有限公司，上海 201108）

0 引言

ATG（Air to Ground，地空通信，也称A2G）或DA2G（Direct Air to Ground，直接地空通信）系统沿航路部署地面基站，并在地面基站与飞行器之间建立直接的无线连接（如图1），比之由卫星和地面站组成的航路覆盖系统，ATG 部署快、投资少，更容易做到大带宽、低延时，且受高空气象条件影响小。由于ATG 是在地面基站与飞行器间通讯，无法覆盖深海区域，因此洲际航线仍需卫星通讯支持，可由卫星与ATG 联合组网。基于Massive MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）天线系统的信道容量较大，飞机不再只是运输工具，也可能成为高速上网的办公室、会议室甚至家庭影院。同时，乘客旅行行为及航空管理模式也有望发生变化，比如，乘客在飞机上就可以办理转机手续而不必要长时间聚集在机场转机柜台；机长可根据航线的气象条件动态调整飞行高度，提升安全性及乘客舒适度；地勤可根据在途飞机的实际情况提前准备好合适数量的油料及补给品，减少浪费；机械师可根据实时的机上设备数据做好分析诊断，减少飞机维保时间等。此外，ATG 通讯对于新兴起的无人机行业也提供了技术支撑。

图1 覆盖航路的直接地空通讯效果图（图片来源：Fluidmesh）

1 ATG在国外的进展

目前，ATG 网络的大规模应用主要是在美、欧两地。在美国，老牌ATG 运营商GOGO 和新兴运营商Smartsky 正就建设5G ATG 网络展开激烈竞争；而在欧洲，由Nokia 和Skyfive 建设、维护的EAN（European Aviation Network，欧洲航空网络）处于ATG 网络的垄断地位。

1.1 美国

GOGO（原名Aircell）是ATG 大规模应用的鼻祖[1]，于2020 年把商业航空部门出售给Intelsat，此后专注于公务航空领域，至2021 年11 月，GOGO 的ATG 系统已安装在5 550 架公务机（Business Jet）上。由于芯片短缺等影响，GOGO 把开始5G ATG 服务的时间由2021 年推迟到2022 年。2021 年11 月，GOGO 宣布全球最大的私人公务机维修、保养修服务提供商邓肯航空正在完成基于来自庞巴迪、湾流、达索、德事隆（TEXTRON）的30 多个机型的首件STC 认证（First-article Supplemental Type Certification，首条补充型式认证），并称其正在建造的是全球第一个，也是唯一真正的机舱5G 网络。GOGO 5G ATG 网络中，5G 云核及数据中心方面的合作伙伴是思科。GOGO 的计划是一开始就提供包含150 个地面站点，覆盖全部CONUS（即除阿拉斯加外的美国本土）的公务航空端到端5G 网路服务，然后快速延申至加拿大及阿拉斯加；每个地面天线的覆盖距离达200～300 km，其主要竞争对手Smartsky 则在不断宣传其服务随区域性部署渐次展开。2021 年底，GOGO 成功完成了基于7 个站点的试运行试验，并称全国网络的运行会在2020 年下半年。GOGO 预期基于其5G ATG 的平均上网速率接近25 Mbps，峰值速率为75～80 Mbps。

Smartsky 公司是美国另一家活跃的新兴ATG 技术提供商，一直宣称的所拥有的200 项围绕ATG 的专利是其强大的竞争优势。GOGO 曾向美国专利与商标局申请就Smartsky 专利中通过软件定义无线电进行波束赋形的部分进行多方重审，但没有得到支持。裁决之后，Smartsky 首席执行官称竞争对手GOGO 很难绕开其专利建成5G 网络，而GOGO 则回应：无论是裁决结果还是Smartsky 的专利组本身都不影响其拓展GOGO 5G以及增强在公务航空市场地位的能力。在经过一系列的延误并把设备供应商告上法庭之后，Smartsky 于2021年加快了网路部署。Smartsky 目前的计划是在今年第一季度完成对不含阿拉斯加的美国本土航线的网络覆盖，至2021 年底已建成约80%。该公司也是第一家接入主流工业物联网数据分析平台Honneywell Forge 的ATG运营商，使飞机上不需降落就可把飞行数据传至平台进行分析。业界领先的舱内娱乐服务商霍尼韦尔已成为Smartsky 的增值分销商。

1.2 欧洲

EAN（European Aviation Network，欧洲航空网络）的地面部分是第一个按3GPP 标准建造的ATG 网络，包含了300 多个地面LTE 站点，其频谱来自国际海事卫星运营商Inmarsat，地面网络直接建在德国电信的4G 网络上，天线安装在原塔址[2]。图2 为EAN ATG 天线垂直面方向图。EAN 是由有实力的传统运营商运营，有Nokia 等领先设备商提供设备，因此比起美国同行，在频谱、硬件上有一定优势。EAN 频谱采用的是S 波段B65的下半部分（UL：1 980—1 995 MHz，DL：2 170—2 185 MHz）[3]，待需求上升，可扩展至上半部分（UL：1 995—2 010 MHz，DL：2 185—2 200 MHz）；EAN称每个航班可达到100 Mbps 的下行网速。其5G 演进选用的是NSA（Non Stand Alone，非独立组网），以便匹配机队的4G 配置并兼容后面的5G 升级。EAN 已在40余个国家安装并提供服务，其中有些小国家由邻国的基站做航线覆盖。

图2 ENA ATG天线垂直面方向图

EAN 地面基站天线能覆盖从水平方向到垂直方向之间的范围，图2 中采用遥控倾角的对空覆盖方案，以便通过飞行数据的积累不断优化倾角，提升网络工作质量。

EAN ATG基站天线的空间覆盖如图3所示。

图3 EAN ATG基站天线的空间覆盖

SkyFive 总部位于德国，由原Nokia 资深高管创建，致力于为航空旅客提供宽带服务并实现大量航空数据的实时传输与分析，2019 年10 月完成了对Nokia ATG 资产的收购。Nokia 和SkyFive 是EAN 背后的技术和设备提供方。收购后，SkyFive 保证履行其在包括航空电子设备、电信、IT 系统等方面端到端方案的责任，而Nokia 基于其技术及交付能力继续负责地面网络的销售和实施。除服务于EAN外，SkyFive 积极向欧洲之外拓展，其策略是与当地有实力的伙伴合作，尤其强调与现有网络设施的协同。2021 年9 月，SkyFive 与澳大利亚的Pivotel 签署《谅解备忘录》，在悉尼与达博之间面积约5 万平方公里的区域内，采用Nokia 的eNodeB、NEC 的iPasolink 微波技术及Flightcell的机上终端，建设一张ATG 实验网络，验证飞行旅客的连接体验及公共安全飞行的大数据量通讯。

比较起来，美国的GOGO 和Smartsky 选择自己建设并运营ATG 地面网络，其优势是可以根据需要优化设计、进行必要的升级且决策效率高，有利于保证服务质量。而欧洲主流ATG 厂商则选择“大联合”，EAN 选用3GPP 标准，是要充分利用德国电信现有的4G 设施，降低设备与技术的成熟度风险，从而实现快速、低成本的部署和运营。GOGO 和Smartsky 的第一代ATG 地空通讯均使用或部分使用了非授权频段，GOGO 既有的授权频段3G/4G 网络则作为5G 网络的冗余配置，以提升网络可靠性[4-5]。EAN 每座4G 地面天线的典型覆盖距离为100 km，从其宣传资料上，最长的数据是150 km，而GOGO 则称最远可覆盖300 km。

2 ATG天线的研究进展及本文天线的设计实现

2.1 ATG天线研究进展

目前，关于ATG 技术的应用研究主要聚焦于蜂窝通信，地面天线通常为定向天线。ETS 的Navid 等人设计的ATG地面基站天线为二维板状天线，利用分扇区的方式进行覆盖[6]。清华大学张超课题组给出了移动通信基站和ATG 基站共用的设计方案，具体为顶部天线用于ATG 通信覆盖、下方的板状天线用于地面的移动通信[7]；同时，该团队还做了MIMO 天线在ATG 中的相关研究，但研究较为虚拟化，需要结合实际布局做进一步探讨[8]。中电科航空电子有限公司和电子科技大学杜晓实等人阐述ATG 天线系统设计的要点、难点，并研究了机载端天线的选项要求，设计了一款满足LTE 全频段ATG 航线覆盖的双频双极化地面端天线单元[9-10]。另外，美国军方实验室的Steven D 等人在ATG 通信中利用圆极化的四臂螺旋天线来减少极化损耗[11]。高通公司在专利中给出了采用环形布阵，由多个阵列实现不同高低仰角的覆盖[12]。GOGO 公司同样采用多扇区的方法，并获得了分集增益进而提高系统容量[13]。罗克韦尔柯林斯公司研究了飞机定位、通信塔的选择以及如何实现需要的波束指向[14-15]。本文给出了基于余割平方波束的Massive MIMO 天线实现方案。

2.2 本例天线覆盖方案的选择

与天线对地覆盖存在多径衰减不同，对空辐射则可以传播很远，ATG 天线的覆盖范围可远达300 km。通常飞机是沿着预先定义的航线，以较固定的高度匀速飞行。如图4 所示，假设飞机A 的高度H按照固定值10 km，飞机A 相对于地面基站B 从300 km 外飞至距自己15 km的过程中，其连线和地面的夹角ε只需从0°抬升至约30°。为了保证飞机A 能获得均匀的信号强度，根据三角函数关系和自由空间传播模型[17]，地面基站B 的增益Gt和ε有如下关系：

图4 ATG通信覆盖示意图

由式(1)可知，地面基站B 的增益和ε的余割平方成正比，按照此公式设计的方向图称为余割平方方向图[18]。因此，地面基站天线只需要形成单波束就能实现较大的覆盖范围，这能大大提高ATG 天线的波束赋形效率。

本文中的天线实例是依据实际业务情况采用2.4 GHz频段开发的垂直极化天线阵，基站采用6 扇区配置，天线在60°范围内作水平波束扫描；垂直方向上为30°俯仰角的余割平方固定覆盖。本天线将安装在山顶、高楼等位置较高的地方，并配有机械装置调整天线倾角，使得天线能获得最大的接收功率，因此可忽略地形地貌带来的影响。为接近水平方向的理论扫描效果，天线设计有校准装置，以消除各端口幅相与理论值的差异。Massive MIMO 天线的拓扑结构如图5 所示，x为垂直方向，y为水平方向。16 个1×16 天线阵列形成16 端口Massive MIMO 天线，16 端口从左到右依次命名为P1、P2、……、P16。1 个或多个端口同时工作来接收或发射信号。当在16 端口中同时馈入不同幅度和相位的信号时，可形成16×16 阵列天线。相比MIMO 天线的其他工作状态，此时可获得更大的增益。

图5 Massive MIMO天线拓扑结构

2.3 天线覆盖方案的设计实现

为在每个子阵列（纵向）取得余割平方辐射方向图，首先设定余割平方方向图函数为目标函数，使用原理简单、参数简洁和优化速度较快的PSO（Particle Swarm Optimization，粒子群优化算法）[19]，迭代出优选的单元数量及间距以及馈入子阵列中每单元信号的幅度、相位权值。

为了建立阵列天线方向图和各单元信号的幅相之间的关系，利用等间距点源的直线阵模型作为余割平方方向图综合的依据[17]。图6 为等间距点源的直线阵模型，其归一化方向图函数可表示为：

图6 等间距点源的直线阵模型示意图

其中，In为第n个阵元的激励电流复矢量。根据式(2)可知，改变In可以灵活地对阵列天线的方向图进行赋形。

根据天线增益和电场强度的关系，将式(3) 作为目标方向图函数。借助于PSO 算法，将阵列天线的实际方向图函数逼近目标方向图函数。为此，定义了适应度函数如式(4) 所示。

I1,I2,…,I16为16 个阵元的归一化的电流幅度，φ1,φ2,…,φ16分别为16 个阵元的电流相位，方向图函数的权重w1和副瓣的权重w2均设为1，SSL(θ) 为实际方向图函数的副瓣电平，SSL0(θ)为目标方向图函数的副瓣电平。

经优化算法结束后，返回16 个阵元的归一化的电流幅度和相位如表1 所示。

表1 优化后各单元的归一化电流幅度和相位分布

相应优化后的方向图如图7 所示。可见，优化后的方向图相比目标方向图，在主瓣范围内的增益最大差值小于1 dB，旁瓣电平小于-25 dB。因此，笔者认为获得了余割平方的方向图赋形，达到了算法的优化效果。

图7 优化后的方向图和目标方向图对比

2.4 阵列天线的仿真与实测

基于以上优化结果，为了验证上述获取的各端口幅度、相位权值的准确性，我们利用CST 电磁仿真软件设计了1×16 阵列天线。首先选择了尺寸小、相邻振子互耦合小的交叉馈电微带天线作为天线单元，然后在馈电网络中利用威尔金森功分器[20-21]并调整微带线长度和移相器实现各端口的幅相分配，局部馈电网络的实物图如图8 所示。为了验证实际效果，对1×16 阵列进行加工和测试。1×16 阵列天线xoz面的归一化方向图如图9 所示，可见，仿真和实测相比，实测方向图主波束波动略微增加，副瓣电平略微提高，这是因为在实际加工过程中，材料的均匀性、线路加工公差和过孔加工公差等因素都会引起馈电网络各端口的阻抗失配、相位延迟，进而造成馈电网络各输出端口的幅相和仿真有所差异。但本设计天线副瓣小于-20 dB，仍能达到设计要求。

图8 馈电网络局部实物图

图9 1×16阵列天线xoz面归一化方向图

为了实现阵列天线较高增益的波束扫描，根据实际项目的系统需求，将上述1×16 阵列作为子阵在y方向上等间距排列形成16 个端口的MIMO 天线。使用电子移相器将16 个端口同时激励获得了合成的方向图，如图10～12 所示。在xoz面，方向图主瓣较仿真波动略微增加，原因在于相邻子阵之间的耦合以及各端口的幅相激励和理论值之间的差异；在yoz面获得了较高增益窄波束的方向图，MIMO 天线最大增益可达26.4 dBi；在y方向+30～-30°扫描范围内，天线增益扫描损耗约为1 dB，天线设计达到了预期。实际项目上，为消除系统馈入各端口幅度和相位的误差，在天线的16 个主溃口加入了校准网络。

图10 16端口MIMO天线3D方向图仿真

图11 16端口MIMO天线xoz面归一化方向图

图12 16端口MIMO天线yoz面波束扫描方向图

3 结束语

本文首先介绍了ATG 网络在国外的进展，然后利用余割平方的基本原理设计了天线的覆盖方案，并通过方向图乘积定理和PSO 算法获得了能产生余割平方波束的初始权值分配。在此基础上，利用CST 仿真软件设计了1×16 的阵列天线，并利用威尔金斯功分器和移相器实现了各端口幅相分配，进一步利用1×16 天线子阵设计并实现了具有高增益波束扫描的Massive MIMO 天线。测试结果表明，Massive MIMO 天线在xoz面具有余割平方方向图，同时在yoz面实现了窄波束高增益方向图且具有较强的波束覆盖能力。本设计方案及天线已经过业界的实用性验收，为ATG 通信天线的设计提供了参考案例。