█ 到底什么是ATG？
ATG，就是Air To Ground，空对地通信，也叫地空通信。
它是一种非常特殊的通信技术，专门为天上的飞机提供服务。
简单来说，就是沿着飞机的航线，设置大量的地面基站。基站天线朝向天空，为飞机提供移动通信信号，以此实现飞机的互联网业务连接。
ATG（地空通信）
█ ATG有什么作用？
当然是为了让飞机上的人可以上网呀！
如今我们所处的信息时代，大家时时刻刻都离不开手机，离不开互联网。
我们已经基本实现了手机信号在地面的无缝覆盖，但是，一直以来，在飞机上上网，都是一个大问题。
每次飞机即将起飞，空姐都会提醒我们关闭手机，或者将手机设置为飞行模式。飞机飞上天空后，即便你偷偷打开手机，也是没有任何基站信号的。
根据数据显示，民航旅客的单次航班平均飞行时长约为2.5小时。对很多人来说，这2.5小时就很难熬，如坐针毡。
对于很多商务人士来说，时刻确保“不失联”，也非常重要。有时候，错过重要的邮件和消息，会带来经济损失。（当然，有的打工人很享受这种“失联”。^_^）
不管怎么说，能够在飞机上使用网络，是大部分乘客的愿望。
2023年，国内民航旅客数量高达6.2亿人次。根据民航旅客服务测评（CAPSE）的调研结果显示，其中98%的乘客有上网意愿，78%的旅客会优先选择能上网的航班，63%的乘客愿意为飞机上网服务单独付费。
这难道不是妥妥的刚需？
除了乘客之外，网络服务对于飞行员、空乘等机组人员也是非常有用的。
大家不要误会，不是为了让他们也刷剧和聊天，而是为了工作。
飞机分为前舱和后舱。乘客、空姐所处的区域，是后舱。飞行员所处的驾驶室区域，就是前舱。
ATG可以帮助传输前舱的重要数据，例如如飞行数据、舱内视频数据、飞机位置和姿态数据、飞机健康监控数据等。机组成员佩戴无线健康手环，也可以通过ATG，将身体状态数据同步给地面。
ATG还可以支持一种叫电子飞行包（EFB）的应用，以文字、照片、语音、视频等方式与地面实现即时通讯，实时查询航路、机场雷达回波图及各类气象资料等，帮助机组人员进行决策。
大家都知道黑匣子。这个东西一般只能在事故发生后进行查询，但有了基于ATG的实时网络连接，飞机的很多动态数据，都可以被地面所掌握。这个意义，大家都懂。
ATG还可以在紧急情况下用于远程协助。例如后舱有乘客突发疾病，地面人员可以获得准确的病状影像信息，空乘也可以获得地面的指导。
所有这些，都有利于提升民航飞行过程中的安全性。
█ ATG有哪些技术优势？
想要让飞机具备互联网连接，一共有两种方式。
一种是通过卫星。在飞机上安装卫星通信装置，与卫星建立通信链路，实现上网。
这种方式的缺点很明显。
首先是网速慢。
Ku低通量卫星单机带宽只有2Mbps，Ku/Ka高通量卫星是100-150Mbps。现在很火的低轨星座卫星，最多也就200Mbps级别。看上去好像还行，但实际上，受各种因素影响，体验速率往往达不到这个水平。
其次是通信时延大。
高轨（36000km）、中轨（8000km）卫星离地面距离很远，空口时延高达270ms以上。低轨（几百km）稍微近一点，最理想的情况也有30ms。加上一些卫星与地面站的回传处理，时延就会更大，乘客上网体验会很差。
第三当然是价格。
卫星通信，涉及到卫星的研制、发射、运营及维护等环节，成本非常高，摊到用户头上，上网费用肯定不低。而且，卫星通信还涉及到卫星使用寿命问题。中高轨15年，低轨5-8年，成本就更高了。
相比之下，ATG显然就更具优势。
首先，ATG采用蜂窝移动通信技术，如果采用现在主流的5G技术，实测带宽可以达到486Mbps（100MHz频宽）。
其次，飞机的飞行高度一般在1万米（10km）左右，这个距离远远小于卫星高度，所以通信时延会比卫星更低（空口时延大约20ms）。
第三，价格成本低。
在网络侧，基站肯定比卫星便宜，是吧？ATG站址可以利用现有5G基站站址、传输和核心网资源。
ATG基站要单独买。根据测算，只需要1000个专用5G ATG基站，就可以实现全国的航线覆盖。对运营商来说，这都不是个事。
在飞机侧，飞机需要改造才能支持卫星通信或ATG通信。根据有关机构的测算，在单机改造成本上，ATG大约是100-250万一架，卫星通信是300-400万一架，这又拉开了成本差距。
ATG有一个方面不如卫星，那就是覆盖场景。
卫星是全球全域覆盖，而ATG必须要有基站。海上是没有办法建设基站的。所以，对于国际航班（跨海比较多），ATG往往用不了，只能依靠卫星。
话说回来，国内航班的航线，90%都是在陆地上空。只有少部分场景，位于近海区域。所以，采用ATG，能够满足绝大部分的国内航班上网需求。
█ ATG的技术架构是怎样的？
ATG整个架构并不算复杂，主要分为地面部分和机上部分。
以5G ATG为例，如下图所示：
地面首先是要有航线沿线的5G ATG基站（略有不同），然后通过传输设备（和公网相同），连接到5G核心网（和公网相同，可单独设置）。最后，乘客使用的互联网业务，连到Internet。前舱业务等，通过专线，连接到航空公司等平台。
机上部分，比较特别，涉及到很多改造工作。
首先，要加装专门的天线，一般安装在机腹位置（卫星通信天线会安装在机背位置）。
然后，连接到CPE。再连接到机舱内的Wi-Fi装置，或前舱的专用网络设备。
ATG机上部分（图片来自网络）
从系统架构的角度来说，好像并不是很复杂。
ATG的主要技术挑战在飞机和基站之间的无线连接部分。
民航飞机的飞行速率一般是800千米/小时左右，最高可达1200千米/小时。飞行高度前面说过了，平流层飞行一般在1万米高空。
这么远的距离，这么快的速度，加上天气等因素的影响，想要保证网络连接的高速稳定，是极具挑战的。
针对超高速移动带来的多普勒频移，需要通过算法设计和参数优化，进行补偿，尽可能降低频偏。
ATG系统的基站覆盖半径也比普通基站大得多。因为如果覆盖半径小，飞机飞得快，就会频繁发生小区切换，影响用户上网体验。
目前，通过采用特殊的帧结构、调整空口无线参数，中兴通讯的5G ATG基站可以实现最大300km的小区覆盖半径，覆盖高度也可以达到13000米。
再有就是差异化的QoS保障。
飞机上的上网业务有很多，有的重要，有的不重要，需要通过设置不同的QCI业务优先级，对重点业务（飞行数据、控制数据等）进行保障。
第四就是天线。天线对信号的影响很大。采用相控阵天线，可以提升信号的指向性，增强信号收发效果，抑制干扰。
值得一提的是，国外很多ATG用的是专门的频段，且速率低，所以对天线要求不那么高。现在国内搞5G ATG的话，基本上都是64T64R的定制化Massive MIMO天线，具备更强的波束赋形和波束跟踪能力。
航空飞行最重要的就是安全。
虽然ATG的技术不算很复杂，但落地不容易。在飞机上进行改造，绝对不像我们自己家随便走个线那么简单。哪怕安装一个很小的东西，都涉及到非常复杂的研究和论证工作，还要层层审批。
ATG系统改造，只能通过飞机制造企业来完成，周期很长，手续很多。没有拿到民航局的适航证，改造就是非法的，不被允许。
地面部分，一般来说，由电信运营商来完成。相对简单一些，但也涉及到频谱资源分配、信号干扰抑制等复杂细节。
█ ATG的商业化进展如何？
在飞机上使用互联网，早在本世纪初就被提上了议程。
2005年，欧洲空中客车宣布推出了全球首个客舱“无线网络系统”。不过，它借助的是“全球星”卫星通信系统。
2007年，美国的Aircell公司（后来改名为GoGo air）买下了美国对空的3MHz频率（属于800MHz频段），并以此建设了全球首个3G ATG系统。这个系统基于CDMA EVDO技术，当时引起了轰动。（当时我同事还去美国参与了这个项目。）
后来，欧洲空中网络（EAN）借助海事卫星组织的支持，建设了一套“卫星+4G ATG”的网络，为欧洲提供机载通信覆盖，也取得了不错的效果。
相比之下，国内的机上联网和ATG技术起步稍微晚了一些。
2013年7月，国航北京直飞成都的航线，推出了我国民航史上首架能在飞行途中实现上网的航班，采用的主要是卫星通信。
2016年，国航成都分公司顺利完成了第一架空客A321飞机ATG系统的改装升级工作，将机上宽带上网速度提升到了30Mbps。
后来，运营商越来越看重这一块市场。但是，可能是考虑到5G即将到来，所以，他们并没有大力建设4G ATG网络。
2018年，飞行上网这块业务迎来了一波利好。
这一年的1月15日，中国民用航空局飞行标准司下发《机上便携式电子设备（PED）使用评估指南》，有条件地开放使用手机等移动设备上网。12月，中国商飞公司牵头研制的ATG系统首次在国产支线客机ARJ21飞机103架机上进行了测试试飞，试验取得圆满成功。
2020年，围绕ATG的竞争开始变得激烈。主要竞争对手是中国移动和中国电信。
中国电信这边，2020年，他们与民航单位合作组建了天翼智慧航空科技股份有限公司（以下简称“天翼智航”）。年底，中国电信开通北京至成都、北京至上海、北京至广州三条ATG试验航线（目前有的还在运行）。当时，他们打算在2021年建设全球首张5G ATG商用网络，单架飞机峰值带宽预期高达1Gbps。
中国移动这边，2020年10月，他们与中国商飞、中兴通讯合作，在山东东营成功进行了搭载5G ATG系统的国产大飞机首飞。
2021年4月，中国民航局发布了《中国民航新一代航空宽带通信技术路线图》，再次给5G ATG加了一把火。
最近的大新闻，就是2023年5月，工信部依申请批复中国移动使用其4.9GHz部分5G频率资源，在国内有关省份开展5G地空通信（5G-ATG）技术试验。
这个意义很重大，是国内首次专门批复了5G ATG的试验频段。试验地点就是商飞东营试飞区和陕西阎良试飞区。
目前，在5G ATG这块，中国移动和中国电信之间的赛跑非常激烈（中国联通可能后期会与电信共建共享），大家都在积极推动ATG的落地，试图抢占这块市场。
据悉，围绕京沪、京蓉、京广、沪蓉等国内干线实验地面网的建设，正在紧锣密鼓地进行之中。运营商已经制定了推进路线图和时间计划，还成立了很多工作团队，全力推进飞行安全性、通信稳定性、系统互操作性等关键领域的测试验证，以及地面配套、机载软硬件、适航审定等标准规范的制定完善。
好啦，以上就是关于ATG的详细介绍。
根据数据显示，中国民航客机联网率仅仅只有6%（且基本上是卫星通信），远远落后于欧美发达国家（83%），甚至远低于全球平均水平（49%）。这个和我们的经济发展水平以及通信技术水平是非常不对称的。
我相信，接下来的几年，随着国内5G ATG的加速建设，这一局面将会有很大的改观。不久以后，我们在飞机上一定能够享受高速且低价的互联网连接服务。
ATG场景需求分析
我们目前处在一个信息高速发展的时代，移动网络技术也从传统的2G/3G发展为4G/5G高速互联网技术，移动应用极大丰富，用户对移动网络和终端设备的依赖性也达到了一个新的高度。但对于航空场景，目前网络覆盖还处在一个相对发展缓慢的阶段，与地空互联应用的迫切需求不匹配。2018年4月，李克强总理主持的国务院常务工作会议上，正式把推动飞机上互联网接入业务纳入提速降费工作内容。同年，民航局联合中航协下发互联网接入实施意见，明确推动空中接入互联网服务，到2022年基本实现干线客运空中接入互联网服务全覆盖。空中互联市场发展亟需低成本、大带宽、高体验的网络接入方案。
ATG（Air to Ground）利用成熟的陆地移动通信技术，针对航空高速移动、广覆盖等特性进行定制化开发，在地面建设能够覆盖天空的专用基站，构建一张地空立体覆盖的专用网络，可有效解决高空立体覆盖问题，实现地空高速数据传送。地面基站方案紧随移动通信技术发展，提供高带宽、高流量、低成本的解决方案，具有非常大的布网及升级维护优势。ATG服务可为航空旅客提供机上娱乐、机上办公及定制服务，还有广泛的行业应用前景，如航空公司的医疗救援、航班运营、空中气象及飞行安全需求，空管部门的智能化、数字化空管应用、地面远程行业控制应用等。
ATG技术方案
ATG系统网络框架类似于地面基站网络，地面基站信号通过机载天线引入到飞机机舱内部，机舱内信号由CPE接收后，转化为Wi-Fi信号为机舱用户提供数据服务。ATG系统网络架构如图1所示。
图1 ATG网络系统架构图
由于ATG网络场景的特殊性，如飞机的飞行高度、高飞行速率及机舱安全等要求，需要专业技术来保障空中用户体验。ATG系统的主要关键技术有超高速多普勒频移补偿技术、超大小区半径覆盖技术、差异化QoS保障策略及高性能天线等。
- 超高速多普勒频移补偿技术
飞机飞行速率一般在800千米/小时，最高可达1200千米/小时，超高速移动会带来较严重的多普勒频移，影响系统性能。中兴通讯采用独有的超高速频偏补偿技术，为降低频偏对接入的影响，机载CPE将下行信道估计的频偏值在上行侧进行预补偿。针对gNB接收信号存在CPE与gNB之间2倍的时钟频率偏差，机载CPE侧进行频偏估计及预补偿，从而使得基站侧接收到基本无频偏的上行接收数据。基站侧同样采用类似频偏估计方法来进行相关频率补偿。采用该超高速频偏补偿技术，可大大降低接入影响，保障空中网络的系统性能。
- 超大小区半径覆盖技术
由于飞机飞行速率较高，采用普通的小区覆盖半径，会引起频繁切换，影响ATG系统性能和用户体验，故ATG系统一般需要超大小区半径。除了避免切换的技术原因外，还存在我国东部沿海航线覆盖、西北空阔低话务地区低成本建网及陆台两地航覆盖等需求，最大覆盖需求距离在200~300km。中兴通讯ATG系统小区覆盖半径最大可达300km，可满足以上多种空中覆盖场景需求。为实现超大小区半径覆盖，中兴通讯采用独有的系统帧结构设计、PRACH发送时序调整、上下行HARQ及干扰抑制等多种专利技术，来保证最大300km的小区半径接入和网络性能。
- 差异化的QoS保障策略
由于航空场景有特定的业务保障及监控需求，需要对用户进行差异化的QoS保障。ATG系统支持不同的QCI业务优先级，如信令、飞行数据、版本数据、业务数据等，可配置QCI和不同数据之间的mapping关系。同时机舱内是Wi-Fi系统，QCI的优先级关系，还可与机载服务器/Server参与共同配置。
- 定制化的高性能天线
由于高空特殊的信道环境，及其与地面环境的隔离、抗干扰等要求，ATG系统的天线需要特殊定制化技术，以增强信号，抑制干扰，实现低空至高空的高质量覆盖。
中兴通讯ATG应用案例
基于以上场景分析，ATG系统涉及到复杂的算法定制和协议修改，包括机载设备，需要符合航电要求，更需要有丰富商用部署经验的厂商来设计。中兴通讯从2008年开始发力ATG技术和应用，无论地面基站还是机载CPE，均有大量的研发、地面测试、航测和部署建设经验。2009年，中兴通讯为美国Gogo承建了全球最早、规模最大的3G ATG网络，覆盖美国全境，目前已为全美超过7000架飞机提供服务；2014年，中兴通讯承建了全球第一个LTE FDD ATG网络，并联合国航完成ATG飞行测试，可为机舱内用户提供4G网络速率体验，并在2016年的春节进行了万米高空看春晚的在线直播活动；2019年6月，在上海举办的MWC 2019亚洲年度科技行业盛会上，中兴通讯“ATG空中宽带方案”获得“亚洲最佳互联生活移动应用”大奖。
随着5G网络时代的到来，中兴通讯也开启了5G ATG的研发和试验，力争今年年底实现全国5G ATG的商用，开启我国5G空中高速互联网的新时代。
参考文献：
《空中5G上网再进一步 中国移动5G-ATG试验获批》，谭伦，中国经营报；
《直冲云霄！探寻空中“5G冲浪”新高地》，刘亚廷等，人民邮电报；
《ATG地空互联网技术，开启空中互联网时代》，韩营，中兴通讯；
《工信部批复移动开展5G-ATG试验，空中用5G不远了？》，孔学劭，南方都市报；
《左手卫星，右手ATG：中国电信的航空互联网梦想》，水易，c114通信网；
《机上网络技术与差异化2C策略之研究》，许洪澎；
《坐飞机将能5G上网了，但背后的科学你一定要知道》，赵涵，中国战略新兴产业；
