基于5G的智慧机场行业网络架构和部署方案的技术路线

　　文/李雪晖1）宋健1）单泓博1）邓庭俊2）杨磊1）1）广东省机场管理集团有限公司2）中国移动通信集团广东有限公司广州分公司

　　摘要：近年来，我国的航空客运量增长速度已经远远超过了世界的平均水平，很多机场都面临安全保障和航班正常率的严峻考验，这就要求更强的信息化支持。然而，传统的无线通信方式已经不能适应智能机场的需要。将机场已有的宽带集群和5G专用网络进行融合，利用“一张5G融合专用网”来管理机场内的各种应用，能满足机场产业的多种业务需要，达到可管、可控、可视化的目的。基于此，本文探讨基于5G的智慧机场无线专网规划思路和技术路线，为智慧机场的形成助力。

　　关键词：5G；智慧机场；网络架构；技术路线

　　引言

　　当前，机场部署的AeroMACS 1.0网络是基于WiMax（802.16e）技术标准的，而WiMax标准已经不再有后续演进，当前的AeroMACS网络设备后续也已失去厂商的技术支持。因此，必须尽快研究确定基于5G的AeroMACS 2.0网络架构和技术标准，在标准化、开放的5G技术之上构建新型AeroMACS 2.0网络，平滑迁移既有业务并支持智慧机场业务持续创新。AeroMACS 1.0系统的关键性能如通信速率、支持移动速度、通信时延、安全性等，都已不能满足机场关键业务如QAR/绕机检测（通信速率200Mbps以上）、作业车辆无人驾驶（时延不超过20ms）等的要求。2022年民航局发布《航空5G机场场面宽带移动通信系统建设应用实施方案》，明确提出建设基于5G技术标准的AeroMACS 2.0系统的要求[1]。

　　1.5G智慧机场无线专网规划思路

　　1.1智慧机场业务需求

　　构建智慧机场已经成为提升机场运营效率、优化旅客体验以及推动机场可持续发展的重要方向。智慧机场的核心在于运用尖端的信息与通信技术，对关键运营数据进行实时感知、深度分析及有效融合处理，确保能够针对服务操作、安保措施、后勤维护等多个方面作出智能且高效的响应。通过智能化的管理和运营模式，智慧机场不仅能满足现行的运营需求，确保旅客得到高标准的服务，还能支撑机场在向智慧化转型过程中所承载的新型业务和创新模式的需求。这种转型无疑将为机场的未来发展提供坚实的技术基础与广阔的发展空间。

　　1.2覆盖规划

　　在制定覆盖计划时，严格遵循链路预算原则，综合考量不同地域所提供的服务类型及其速率和质量目标，以及其他相关关键性参数。最大允许路径损耗值（maximum allowable path loss，MAPL）这一指标是确保无线信号覆盖质量与效率的关键因素。然后，根据修正后的传输模型，计算单个基站的覆盖半径，计算出所需基站总数。在机场的扩展模式中，以Uma、UMi为例，采用了典型地区的试验数据对其进行修正。当前，我国运营公司主要采取宏微结合，高、低频段协作组网，以Uma-NLOS模式，2.6G波段为例，基站间距300～400米。

　　1.3容量规划

　　在不同的应用环境中，网络计划的容量应该能够满足不同类型的应用终端对最大并发服务的承载要求。该系统包括多功能手持式终端、车载终端、高清视频监控终端、智能机器人，以及各种传感器和数据采集装置。如果智能机场的专网采用公共网分段的方式，则需要考虑不同类型的空口资源，如公用网和信令等。在此基础上，考虑单基站在典型结构下的承载能力，计算出满足总容量要求的规划车站数目。

　　1.4站址规划

　　随着5G智慧机场的构建，对于机场的智慧运营和应急通信保障能力提出了更为严苛的标准。这要求无线网络不仅在终端、货运区、飞行区及配套设施等各关键区域内实现全面的信号覆盖，而且必须同时兼顾室内外环境。航站楼作为客流密集的关键节点，其安全和网络可靠性尤为重要。针对该场景，本技术方案提倡一种综合性室分信源覆盖模式，包括主信源、有源/无源室分信源及其组合形式。此方案着重于优化室内布局，并提升单个天线的覆盖效能，确保信号均衡分布于各个关键区域。此外，建议将室分信源集中部署于弱电单元，以提高系统的集成度和效率。对于室外环境，宏基站将承担主要的通信服务角色，辅以微站技术以弥补覆盖盲点。在布局设计上，宏基站的配置需与预定的网络架构相匹配，并在不违背机场对建筑物高度限制的前提下，充分利用屋顶、监控杆、停机坪高杆以及跑道周边围栏等结构，实现信号的高效传播和服务的最大化。

　　2.基于5G的AeroMACS 2.0网络架构分析

　　2.1基于5G的AeroMACS网络架构

　　为支持中国民航局建设全国统管的AeroMACS骨干网，需要建设基于接入、汇聚及核心三层的骨干网。在全国5G AeroMACS骨干网中，接入层的各机场依托5G专网建设，在AeroMACS专用频段叠加建设专有基站gNB-A或载波，实现AeroMACS功能。基于5G技术标准的机场AeroMACS 2.0系统在网络结构上与标准的机场5G专网相同，仅需要在接口及通信协议栈、用户接入管理、安全管理等方面，结合AeroMACS 1.0的业务功能需求及定义进行重耕。空口相关的移动性管理、无线资源管理等机制，可以重用3GPP规范中的相关标准和定义，但需遵循AeroMACS国际标准中规定的无线传播特性。相比基于WiMax 802.16e的AeroMACS 1.0系统，基于5G的AeroMACS 2.0的载波带宽可以在5MHz、20MHz、30MHz、40MHz、50MHz、60MHz间灵活配置，最高峰值速率可达350Mbps，端到端时延在移动边缘计算平台的支撑下可以低至10ms，且支持移动速度最高达400Km/h的通信[2]。

　　2.2基于5G的AeroMACS网络部署策略

　　为确保智慧机场业务开展的可靠性，5G AeroMACS网络有两种组网部署策略。第一，AB双网冗余组网，每个物理站点部署两套gNB设备，由于采用了物理设备100%冗余的备份方式，AeroMACS各类业务的可靠性保障都很充分，但建网成本高。第二，单网冗余组网，每个物理站点部署一套设备，每套设备板件采用冗余配置，由于仅在设备板件层面实现了冗余机制，单网冗余方案更多的是面向业务可靠性与建网成本平衡的场景。为确保智慧机场各类业务的需求及QoS，建议机场频谱频宽配置为50MHz，gNB-A收发配置为4T4R，空口无线帧配置为2:3(DSUUU)；考虑到机场建筑物特点（飞滑区视野开阔，不允许有遮挡视线的建筑物存在；机坪区、候机楼、货场、机库等存在连片高大建筑），对于基站天线挂高20米及以上场景，遮挡小，所以使用自由空间模型，对于基站天线挂高低于20米场景，容易被航站楼、飞机遮挡，使用射线追踪模型。此外，车载终端无穿透损耗，机载终端考虑25dB遮挡损耗。

　　2.3 5G AeroMACS与机场5G专网的协同

　　5G AeroMACS网络架构与机场5G专网架构完全相同，不同点在于5G AeroMACS网络使用特定的授权频段（5091～5150MHz），而机场5G专网使用运营商公网频段。此外，5G AeroMACS网络需要在接口及通信协议栈、用户接入管理、安全管理等方面，结合AeroMACS 1.0的业务功能需求及定义进行重耕，因此基站及核心网通信协议栈需要叠加AeroMACS功能。为降低5G AeroMACS系统部署工作量及成本，可在机场5G专网基站扇区叠加5.1GHz AeroMACS专用载频，共用5G基站回传资源。

　　3.基于5G运营商网络构建的机场5G无线专网

　　智慧机场三大核心业务流分别是旅客业务流、飞行业务流及货物业务流。飞行及货物业务流绝大多数内容是机场私有业务，而旅客业务流则兼有公有、私有业务。因此，智慧机场5G网络建设不能仅涵盖行业专有网络，还需要考虑与运营商公众大网的协同配合。同时，利用运营商5G网络构建机场5G无线专网还能加快建设速度，降低建设成本，但也会带来一定的性能和安全妥协。飞行业务流主要依托AeroMACS和LDACS系统进行支撑，依托机场5G专网；而旅客业务流则主要面向旅客上网及信息查询等需求，主要依托运营商5G公网及ATG网络，不建议使用机场5G专网承载相关业务。

　　3.1运营商5G基站共建共享策略

　　3.1.1与公网完全共享

　　在构建机场5G专用网络的体系中，涉及的关键网络组件包括无线接入网、核心网以及管理信息系统，与电信运营商提供的公共网络资源实现了共享。该5G专用网络的运作模式基于向运营商租用定制的5G网络切片技术。在地理布局方面，运营商的骨干网络节点主要设立于省会城市及其他重要中心城市。此外，用户面位置功能（UPF）的配置由运营商根据实际业务需求，部署于地级市或相应区县的数据中心内。以5G网络为研究对象，以实现5G网络的安全与隔离为目标，以QoS优先调度、RB资源预留等为手段，承载网采用FlexE硬隔离、“VPN+QoS”等软隔离，实现对核心网的全面共享[3]。

　　优点：不需要额外的建造费用，只要从运营商那里订购一台实际的专用网即可；运营人员负责网络的优化与维护、设备更新、新技术的应用，降低了运营费用；可以根据客户的需要，为客户提供个性化的服务，为客户提供不同的终端对终端保护。

　　缺点：用户面位置寄存器（UPF）尚未部署于机场路机房，此缺失阻碍了对流量的局部优化分配。网络运营者将设备管理、参数设置和用户配置数据保留在自己的网络系统中，并传输至相关园区。当这些配置信息与公共网络混合时，会面临网络安全性和系统容量均低于那些采取独立配置策略的情形。

　　3.1.2与公网部分共享

　　机场5G无线专用网络与公共网络共用一个无线接入网络，并共用一个核心网络的控制平面网络，而该网络的用户面网元则是下到空港园区的计算机室中，在此基础上实现了对用户面的实时在线卸载。机场5G无线专用网络由运营商提供的5G切片技术进行产权归属，其中，运营商控制平面网络通常集中在省会等核心城市。

　　优点：与公用网络完全共用方式相同，并且在核心网络的用户端完全与公用网络进行物理上的隔离，用户界面上的数据不会离开小区，具有更高的保密性；UPF独有的下沉特性，实现了用户界面上的数据的局部卸载，降低了延迟。

　　缺点：共用网络单元的操作管理、参数操作、用户配置等信息都保存在承载网络中，而控制平面的数据则是从园区外流出的。采用公共网络的局部共享方式，费用适中，能够在网络性能、安全隔离及费用等方面取得平衡，能够满足一般工业部门对网络切片分层的要求。5G智慧机场5G无线专用网的规划与部署，应当根据不同的机场服务需要，将投入收益、运营费用等因素进行综合考量，并根据不同的服务目的和实施方式，对5G的个性化网络进行选择。

　　3.2运营商5G核心网共享策略

　　在5G核心技术体系中，5G核心网（5GC）被划分为两个主要平面：控制面和用户面。控制面的核心功能元素包括接入和移动性能管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、网络切片选择功能（NSSF）、认证服务器功能（AUSF）、统一数据管理功能（UDM）、策略控制功能（PCF），这些元素共同支撑了网络的智能管理和高效运转性。用户面则主要通过用户面数据转发功能（UPF）实现数据传输。

　　（1）专用UPF的引入将带来显著益处，包括但不限于对用户数据的高效隔离、业务质量的定制化管理、计费审计的精确性以及安全性的全面增强。据此，建议针对智慧机场的5G网络切片，配置专门优化的UPF资源，以保障网络的专业性及可靠性。

　　（2）鉴于机场的广泛覆盖范围及其内部多样化的服务需求，如智能化巡检、智能引导车辆、先进货物处理系统、基于增强现实的飞机维护，这些业务均对于远程操作和自动化技术有特定的依赖。为了保障服务的差异化和确定性SLA（服务等级协议）的体验质量，需特别关注由传输距离带来的延时问题。

　　（3）在考虑智慧机场的业务操作时，一个关键的考量是可靠性。这涉及对高度可靠的需求以及生产控制的高可用性，特别是对于管理信息所对应的专用用户面数据转发（UPF）功能。在此背景下，必须设计并实施一套冗余和灾难备份方案，确保系统的持续运行与稳定，也就是5G端到端切片中的5G专网模式建议针对核心业务（智慧助航灯、无人驾驶车辆等）与非核心业务（智慧货舱、机场围界无人巡检等）分别部署UPF，以便实现更高级别的业务隔离安全性；对于核心业务，按照区域（如跑道、不同航站楼等）分别部署UPF+MEC，减少跨区域大数据流量的迂回。

　　4.基于700MHz的机场5G无线专网

　　机场飞滑区面积广阔，地势平坦，并且不能有明显的突出物体如建筑或铁塔等，缺乏室外宏站的安装条件，因此需要5G基站的广覆盖能力，为飞行区各类业务提供连续性的普遍服务；而室内场景涉及的业务场景如旅客上网娱乐、货物自动识别管理等需要高密度连接和极高流量，基站容量成为最大瓶颈，需要使用pRRU密集室内部署解决容量限制问题。运营商5G公网使用的主流频谱往往不能满足广覆盖的要求，需要机场依托特定频段组建特定能力的5G无线公专网。

　　中国移动5G公众网主要使用2.6GHz频段和4.9GHz频段，其中4.9GHz频段主要用于热点覆盖，此外移动还与广电在700MHz频段共建共享5G站点。考虑到机场飞滑区的环境特点及具体业务需求，飞滑/机坪区需要兼顾高流量（QAR、绕机、IEF等）及低时延业务（特种作业车辆自动驾驶）的需求。由于700MHz频段可用频宽仅有2×30MHz（703～733MHz/758～788MHz），无法满足高流量业务对载频容量的要求，因此，建议在基站扇区同时配置2.6GHz、700MHz载频；机场机载/车载业务终端需加快700MHz频段适配工作；室内小站面向高流量业务场景，为确保室内外业务连续性及一致性体验，建议室内小站使用2.9GHz频段进行密集部署，也降低了对终端频段适配性的要求。

　　在室外环境，700MHz上行可以考虑与2.6GHz部署SUL（超级上行技术）提升上行能力，并将高流量业务终端与2.6GHz载频驻留捆绑，避免用户过度附着在700MHz上行链路，造成700MHz下行拥塞发生；下行采用700MHz+2.6GHz的CA（载波聚合），提升下行吞吐率。

　　结语

　　智慧机场5G无线专用网的规划与部署，需要根据不同的机场服务需要，将投入收益、运营费用等因素进行综合考量，并根据不同的服务目的和实施方式，选择合适的5G个性化网络架构。

　　参考文献：

　　[1]常希娟.长沙国际机场5G创新应用探讨[J].长江信息通信,2021,34(11):214-216.

　　[2]过鑫,朱平.成都电信匠心铸精品助力5G智慧机场建设[J].通信与信息技术,2021(4):11-12.

　　[3]杨飞虎,杜忠岩,杨志全.5G智慧机场融合专网部署方案探讨[J].邮电设计技术,2020(6):80-86.

　　作者简介：李雪晖，硕士研究生，高级工程师，研究方向：项目管理；宋健，硕士研究生，高级工程师，研究方向：项目管理；单泓博，硕士研究生，助理工程师，研究方向：项目管理；邓庭俊，硕士研究生，经济师，研究方向：战略规划、智慧交通、创新管理；杨磊，本科，工程师，研究方向：项目管理。

　　基金项目：广东省重点领域研发技术项目——智慧机场5G专网及场面应用研究示范项目（编号：2020B0101130024）。

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