ATG场景概览
3GPP Rel-18聚焦FR1单载波单流数据传输场景，Rel-19标准聚焦FR1载波聚合及双流数据传输场景。聚焦基站沿飞机航线部署、水平波束指向、最大小区覆盖300km的典型网络部署场景，以及机载CPE飞行垂直高度3-10km，最高飞行速度1200km/h的典型服务场景。
图1：ATG典型场景
ATG关键技术
频段制定
ATG复用现有地面网络的5G NR FR1频段。基于运营商需求，截至目前，3GPP规定了如下频段可用于ATG部署：
天线类型
与地面网络的手持终端相同，在FR1频段下，机载终端支持全向天线类型。
同时，由于机载终端可安装于飞机腹部，尺寸限制更宽松，这使得地面网络的手持终端相比，机载终端可以额外支持阵列天线类型。阵列天线支持FR1频段的波束赋形，提升信号的指向性，在较高的ATG工作频段，如n78/n79，可以提供更好的上下行覆盖及链路性能。
在接入网络时，终端会将支持的频段，及每个频段上支持的天线类型上报给网络。
共存分析
由于ATG复用现有地面网络的5G NR FR1频段，标准化工作的重点之一即为分析ATG网络与地面网络之间的共存问题，制定共存指标，并为干扰场景提供干扰规避方案。
1）同步场景：当同一时刻，ATG网络和地面网络邻频，ATG网络的上下行时隙配比与地面网络相同时，3GPP仿真分析了2种困难场景，包含FDD和TDD制式的8个干扰方向，共存分析结果显示，该场景下，ATG网络可以复用现有地面网络的基站和终端共存指标。
2）非同步场景：当同一时刻，ATG网络和地面网络邻频，ATG网络的上下行时隙配比与地面网络不同时，3GPP仿真分析了3种困难场景，包含FDD和TDD制式的6个干扰方向，共存分析结果显示，该场景下，ATG网络和地面网络间要留有几十至几百公里的隔离距离。
增强技术
面向300km的超远基站服务范围，以及1200km/h的超高终端移动速度的挑战，3GPP基于地面网络的5G技术，主要进行了如下技术增强：
1）针对往返传输时延过大引起的定时信令调整幅度不足问题，引入基于终端位置和基站粗位置的时域预补偿技术：为了让上下行传输的定时在基站侧保持对齐，目前5G地面网络中，通过基站下发的定时调整信令对终端的上行定时进行补偿，其中30kHz SCS场景下，定时调整信令最大支持1ms的往返传输时延补偿。在ATG网络中，服务范围300km会导致2ms的往返传输时延，超过了定时调整信令的最大调整幅度。为解决该问题，ATG网络通过系统消息广播基站粗粒度位置，ATG终端必选支持GNSS功能，终端在发上行信号时，通过基站位置和自身位置计算往返传输时延，并参考计算结果，在上行传输时，进行时域预补偿。
图2. 基站和终端侧定时示意图
2）针对上下行转换时延过长引起的吞吐量下降问题，引入特殊TDD时隙配置以及符号级TA上报技术：TDD时隙配置时，为避免终端侧的上下行时隙干扰，要求上下行时隙间的保护间隔时长大于等于最大往返传输时延。为支持最远服务范围300km场景，上下行时隙间要保留2ms的保护间隔，在30kHz SCS下，如果仍使用地面网络5ms TDD周期配置，例如（4D4S2U），保护间隔会造成40%的吞吐量损失。为解决该问题，引入20ms TDD周期配置，例如（30D4S6U），将保护间隔造成的吞吐量损失控制在与地面网络相当的10%，且扩展了下行容量，适配ATG业务模型。与此同时，引入符号级时延上报技术，网络可根据每个终端此时的往返传输时延配置保护间隔，进一步辅助网络侧提高系统容量。
图3. 终端侧的上下行时隙定时示意图
3）针对多普勒频移过高引起的链路性能恶化问题，引入基于终端位置和基站粗位置的频域预补偿技术：终端速度1200km/h，在4.9GHz频点下，会引起下行方向约5.5kHz、上行方向约11kHz的多普勒频移，超过终端基于现有参考信号（如TRS、DMRS等）进行频偏补偿的能力。为对抗多普勒效应，提升解调性能，引入基于终端位置、终端速度，和基站粗位置的频域预补偿技术，终端根据上述信息计算分别上下行的多普勒频移，并参考计算结果，在上行传输和下行接收前，进行频域预补偿。补偿后的残余多普勒最高为0.01ppm，在现有参考信号估计并补偿的范围内。
4）针对小区内远近边缘不明显引起的移动性问题，引入基于位置的条件切换：服务范围300km会导致小区存在远近效应不明显的情况，尤其是在小区边缘区域，如下图4所示。为了进一步提升切换效率和切换成功率，ATG利用终端GNSS和飞机航线较为固定的特性，引入基于位置的条件切换功能。当终端和服务小区参考点的距离超过网络配置的阈值，和目标小区参考点的距离低于网络配置的阈值，以及小区质量满足一定门限要求时，终端发起切换至目标小区。
图4：终端高度10km时的路径损失计算
5）针对FR1新引入的阵列天线终端无法复用现有全向天线指标问题，引入更新的测量指标：由于阵列天线终端，其发送接收具有方向性，类似于FR2终端，无法同时测量在不同方向的服务小区和邻区，以及不同方向的多个邻区。考虑到ATG终端可以接收服务小区基站粗位置、基站部署较为固定、FR1波束较宽等多个ATG网络特性，3GPP分别在终端获取邻区位置辅助信息和未获取邻区位置辅助信息的情况下，引入了层3测量扩展因子，以及层3层1测量共享因子。保证终端支持测量功能和测量开销之间的平衡。
结语
ATG网络扩展了5G网络应用场景，为空中乘客和机组通信提供了便利的通信手段。基于3GPP的Rel-18标准已于2024年6月完成协议发布，该版本标准可满足ATG商用部署需求，是推进ATG商业化部署的重要一步。目前，3GPP正在进行Rel-19版本的标准化研究，专注于进一步提升上下行吞吐量，以满足日益增加的航空业务需求。
[参考文献]
[1] 3GPP TR 38.876, Air-to-ground network for NR
审稿：胡南 | 无线与终端技术研究所
本文作者
免责声明：本公众号平台对分享、转载的内容、陈述、观点判断保持中立，本公众号内容为作者观点，仅供读者参考，本公众平台不承担任何责任。以上声明内容的最终解释权归本公众平台所有，本声明适用于本平台所分享与转载的文章，谢谢您的合作！
