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，專門為天上的飛機提供服務。

簡單來說，就是沿著飛機的航線，設置大量的地面基站。基站天線朝向天空，為飛機提供移動通信信號，以此實現飛機的互聯網業務連接。

ATG（地空通信）

ATG有什么作用？

當然是為了讓飛機上的人可以上網呀！

如今我們所處的信息時代，大家時時刻刻都離不開手機，離不開互聯網。

我們已經基本實現了手機信號在地面的無縫覆蓋，但是，一直以來，在飛機上上網，都是一個大問題。

每次飛機即將起飛，空姐都會提醒我們關閉手機，或者將手機設置為飛行模式。飛機飛上天空后，即便你偷偷打開手機，也是沒有任何基站信號的。

根據數據顯示，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。

對于很多商務人士來說，時刻確保“不失聯”，也非常重要。有時候，錯過重要的郵件和消息，會帶來經濟損失。（當然，有的打工人很享受這種“失聯”。^_^）

不管怎么說，能夠在飛機上使用網絡，是大部分乘客的愿望。

2023年，國內民航旅客數量高達6.2億人次。根據民航旅客服務測評（CAPSE）的調研結果顯示，其中98%的乘客有上網意愿，78%的旅客會優先選擇能上網的航班，63%的乘客愿意為飛機上網服務單獨付費。

這難道不是妥妥的剛需？

除了乘客之外，網絡服務對于飛行員、空乘等機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。

飛機分為前艙和后艙。乘客、空姐所處的區域，是后艙。飛行員所處的駕駛室區域，就是前艙。

ATG可以幫助傳輸前艙的重要數據，例如如飛行數據、艙內視頻數據、飛機位置和姿態數據、飛機健康監控數據等。機組成員佩戴無線健康手環，也可以通過ATG，將身體狀態數據同步給地面。

ATG還可以支持一種叫電子飛行包（EFB）的應用，以文字、照片、語音、視頻等方式與地面實現即時通訊，實時查詢航路、機場雷達回波圖及各類氣象資料等，幫助機組人員進行決策。

大家都知道黑匣子。這個東西一般只能在事故發生后進行查詢，但有了基于ATG的實時網絡連接，飛機的很多動態數據，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程協助。例如后艙有乘客突發疾病，地面人員可以獲得準確的病狀影像信息，空乘也可以獲得地面的指導。

所有這些，都有利于提升民航飛行過程中的安全性。

ATG有哪些技術優勢？

想要讓飛機具備互聯網連接，一共有兩種方式。

一種是通過衛星。在飛機上安裝衛星通信裝置，與衛星建立通信鏈路，實現上網。

這種方式的缺點很明顯。

首先是網速慢。

Ku低通量衛星單機帶寬只有2Mbps，Ku/Ka高通量衛星是100-150Mbps。現在很火的低軌星座衛星，最多也就200Mbps級別。看上去好像還行，但實際上，受各種因素影響，體驗速率往往達不到這個水平。

其次是通信時延大。

高軌（36000km）、中軌（8000km）衛星離地面距離很遠，空口時延高達270ms以上。低軌（幾百km）稍微近一點，最理想的情況也有30ms。加上一些衛星與地面站的回傳處理，時延就會更大，乘客上網體驗會很差。

第三當然是價格。

衛星通信，涉及到衛星的研制、發射、運營及維護等環節，成本非常高，攤到用戶頭上，上網費用肯定不低。而且，衛星通信還涉及到衛星使用壽命問題。中高軌15年，低軌5-8年，成本就更高了。

相比之下，ATG顯然就更具優勢。

首先，ATG采用蜂窩移動通信技術，如果采用現在主流的5G技術，實測帶寬可以達到486Mbps（100MHz頻寬）。

其次，飛機的飛行高度一般在1萬米（10km）左右，這個距離遠遠小于衛星高度，所以通信時延會比衛星更低（空口時延大約20ms）。

第三，價格成本低。

在網絡側，基站肯定比衛星便宜，是吧？ATG站址可以利用現有5G基站站址、傳輸和核心網資源。

ATG基站要單獨買。根據測算，只需要1000個專用5G ATG基站，就可以實現全國的航線覆蓋。對運營商來說，這都不是個事。

在飛機側，飛機需要改造才能支持衛星通信或ATG通信。根據有關機構的測算，在單機改造成本上，ATG大約是100-250萬一架，衛星通信是300-400萬一架，這又拉開了成本差距。ATG有一個方面不如衛星，那就是覆蓋場景。

衛星是全球全域覆蓋，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，只能依靠衛星。

話說回來，國內航班的航線，90%都是在陸地上空。只有少部分場景，位于近海區域。所以，采用ATG，能夠滿足絕大部分的國內航班上網需求。

ATG的技術架構是怎樣的？

ATG整個架構并不算復雜，主要分為地面部分和機上部分。

以5G ATG為例，如下圖所示：

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地面首先是要有航線沿線的5G ATG基站（略有不同），然后通過傳輸設備（和公網相同），連接到5G核心網（和公網相同，可單獨設置）。最后，乘客使用的互聯網業務，連到Internet。前艙業務等，通過專線，連接到航空公司等平臺。

機上部分，比較特別，涉及到很多改造工作。

首先，要加裝專門的天線，一般安裝在機腹位置（衛星通信天線會安裝在機背位置）。

然后，連接到CPE。再連接到機艙內的Wi-Fi裝置，或前艙的專用網絡設備。

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ATG機上部分（圖片來自網絡）

從系統架構的角度來說，好像并不是很復雜。

ATG的主要技術挑戰在飛機和基站之間的無線連接部分。

民航飛機的飛行速率一般是800千米/小時左右，最高可達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。

這么遠的距離，這么快的速度，加上天氣等因素的影響，想要保證網絡連接的高速穩定，是極具挑戰的。

針對超高速移動帶來的多普勒頻移，需要通過算法設計和參數優化，進行補償，盡可能降低頻偏。

ATG系統的基站覆蓋半徑也比普通基站大得多。因為如果覆蓋半徑小，飛機飛得快，就會頻繁發生小區切換，影響用戶上網體驗。

目前，通過采用特殊的幀結構、調整空口無線參數，中興通訊的5G ATG基站可以實現最大300km的小區覆蓋半徑，覆蓋高度也可以達到13000米。

再有就是差異化的QoS保障。

飛機上的上網業務有很多，有的重要，有的不重要，需要通過設置不同的QCI業務優先級，對重點業務（飛行數據、控制數據等）進行保障。

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，增強信號收發效果，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。現在國內搞5G ATG的話，基本上都是64T64R的定制化Massive MIMO天線，具備更強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的技術不算很復雜，但落地不容易。在飛機上進行改造，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，都涉及到非常復雜的研究和論證工作，還要層層審批。

ATG系統改造，只能通過飛機制造企業來完成，周期很長，手續很多。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、信號干擾抑制等復雜細節。

ATG的商業化進展如何？

在飛機上使用互聯網，早在本世紀初就被提上了議程。

2005年，歐洲空中客車宣布推出了全球首個客艙“無線網絡系統”。不過，它借助的是“全球星”衛星通信系統。

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），并以此建設了全球首個3G ATG系統。這個系統基于CDMA EVDO技術，當時引起了轟動。（當時我同事還去美國參與了這個項目。）

后來，歐洲空中網絡（EAN）借助海事衛星組織的支持，建設了一套“衛星+4G ATG”的網絡，為歐洲提供機載通信覆蓋，也取得了不錯的效果。

相比之下，國內的機上聯網和ATG技術起步稍微晚了一些。

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現上網的航班，采用的主要是衛星通信。

2016年，國航成都分公司順利完成了第一架空客A321飛機ATG系統的改裝升級工作，將機上寬帶上網速度提升到了30Mbps。

后來，運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4G ATG網絡。

2018年，飛行上網這塊業務迎來了一波利好。

這一年的1月15日，中國民用航空局飛行標準司下發《機上便攜式電子設備（PED）使用評估指南》，有條件地開放使用手機等移動設備上網。12月，中國商飛公司牽頭研制的ATG系統首次在國產支線客機ARJ21飛機103架機上進行了測試試飛，試驗取得圓滿成功。

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試驗航線（目前有的還在運行）。當時，他們打算在2021年建設全球首張5G ATG商用網絡，單架飛機峰值帶寬預期高達1Gbps。

中國移動這邊，2020年10月，他們與中國商飛、中興通訊合作，在山東東營成功進行了搭載5G ATG系統的國產大飛機首飛。

2021年4月，中國民航局發布了《中國民航新一代航空寬帶通信技術路線圖》，再次給5G ATG加了一把火。

最近的大新聞，就是2023年5月，工信部依申請批復中國移動使用其4.9GHz部分5G頻率資源，在國內有關省份開展5G地空通信（5G-ATG）技術試驗。

這個意義很重大，是國內首次專門批復了5G ATG的試驗頻段。試驗地點就是商飛東營試飛區和陜西閻良試飛區。

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。

據悉，圍繞京滬、京蓉、京廣、滬蓉等國內干線實驗地面網的建設，正在緊鑼密鼓地進行之中。運營商已經制定了推進路線圖和時間計劃，還成立了很多工作團隊，全力推進飛行安全性、通信穩定性、系統互操作性等關鍵領域的測試驗證，以及地面配套、機載軟硬件、適航審定等標準規范的制定完善。

好啦，以上就是關于ATG的詳細介紹。

根據數據顯示，中國民航客機聯網率僅僅只有6%（且基本上是衛星通信），遠遠落后于歐美發達國家（83%），甚至遠低于全球平均水平（49%）。這個和我們的經濟發展水平以及通信技術水平是非常不對稱的。

我相信，接下來的幾年，隨著國內5G ATG的加速建設，這一局面將會有很大的改觀。不久以后，我們在飛機上一定能夠享受高速且低價的互聯網連接服務。

參考文獻：

《空中5G上網再進一步 中國移動5G-ATG試驗獲批》，譚倫，中國經營報；

《直沖云霄！探尋空中“5G沖浪”新高地》，劉亞廷等，人民郵電報；

《ATG地空互聯網技術，開啟空中互聯網時代》，韓營，中興通訊；

《工信部批復移動開展5G-ATG試驗，空中用5G不遠了？》，孔學劭，南方都市報；

《左手衛星，右手ATG：中國電信的航空互聯網夢想》，水易，c114通信網；

《機上網絡技術與差異化2C策略之研究》，許洪澎；

《坐飛機將能5G上網了，但背后的科學你一定要知道》，趙涵，中國戰略新興產業；