L波段数字航空通信系统技术发展现状与挑战
收稿日期: 2023-06-13
修回日期: 2023-07-17
录用日期: 2023-10-30
网络出版日期: 2023-12-18
基金资助
国家重点研发计划(2022YFB3904502);国家自然科学基金(U2233217)
L-band digital aeronautical communications system development status and challenges
Received date: 2023-06-13
Revised date: 2023-07-17
Accepted date: 2023-10-30
Online published: 2023-12-18
Supported by
National Key Research and Development Program of China(2022YFB3904502);National Natural Science Foundation of China(U2233217)
L波段数字航空通信系统（LDACS）具有大带宽、高速率、低延迟、高安全等优势，是未来通信基础设施（FCI）框架中重要的地空宽带通信数据链，也是国际民航组织（ICAO）认证的第一个真正实现通信、导航和监视（CNS）一体化的系统。首先分析了民航地空通信系统的发展需求，梳理了LDACS的发展现状，包括LDACS技术的提出、LDACS国际标准化的推进进程以及典型的应用场景。其次，介绍了LDACS的关键技术，包括频谱资源受限下空地宽带通信技术、L波段同频段信号电磁兼容技术、通导融合技术、基于航空电信网互联网协议簇（ATN/IPS）的移动性管理与多链路接入技术、数据安全传输技术等。最后，总结了中国民航LDACS的发展现状与面临的挑战。
朱衍波 , 王志鹏 , 郭凯 , 淡志强 . L波段数字航空通信系统技术发展现状与挑战[J]. 航空学报, 2024 , 45(10) : 29161 -029161 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2023.29161
The L-band Digital Aeronautical Communications System （LDACS） is a broadband， high speed and secure communication technique. It is an essential component of the air-to-ground communication system in the framework of the Future Communication Infrastructure （FCI）， and is the first integrated Communication， Navigation and Surveillance （CNS） authenticate by the International Civil Aviation Organization （ICAO）. This study analyzes the development requirements for the aviation air-to-ground communication system. The status of the LDACS， including the presentation of the technique the ICAO standardization and the typical application scenarios are provided. Description of the key LDACS techniques is followed， which consist of the implement of broadband communication within limited spectrum resources， compatibility with the L-band open-sky signals， integration of navigation and communication， mobility management and multi-link access technology based on Aeronautical Telecommunication Network using Internet Protocol Suite （ATN/IPS）， and the secure transmission of data. The status and challenges of the LDACS development in China is also provided.
| 1 | ICAO. 2016-2030 Global air navigation plan［EB/OL］. ［2023-06-10］. . |
| 2 | Federal Aviation Administration. Next generation air transportation system （NextGen）［EB/OL］. ［2023-06-10］. . |
| 3 | SESAR Joint Undertaking. European ATM master plan 2020［EB/OL］. ［2023-06-10］. . |
| 4 | 中国民用航空局. 中国民航新一代航空宽带通信技术路线图［EB/OL］. （2021-04-30）［2023-06-10］. . |
| Civil Aviation Administration of China. Civil aviation of China new generation aviation broadband communication technology roadmap［EB/OL］. （2021-04-30）［2023-06-10］. （in Chinese）. | |
| 5 | 中国民用航空局. 智慧民航建设路线图［EB/OL］. （2021-01-06）［2023-06-10］. . |
| Civil Aviation Administration of China. Roadmap of the construction of the Chinese intelligent civil aviation ［EB/OL］. （2021-01-06）［2023-06-10］. （in Chinese）. | |
| 6 | M?URER N， GUGGEMOS T， EWERT T， et al. Security in digital aeronautical communications A comprehensive gap analysis［J］. International Journal of Critical Infrastructure Protection， 2022， 38： 100549. |
| 7 | SMITH M， STROHMEIER M， LENDERS V， et al. On the security and privacy of ACARS［C］∥2016 Integrated Communications Navigation and Surveillance （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2016： 1-27. |
| 8 | SMITH M， MOSER D， STROHMEIER M， et al. Economy class crypto： Exploring weak cipher usage in avionic communications via ACARS［C］∥International Conference on Financial Cryptography and Data Security. Cham： Springer， 2017： 285-301. |
| 9 | ICAO. Handbook on Radio frequency spectrum requirements for civil aviation， Volume I， ICAO spectrum strategy， policy statements and related information 2 nded： Doc 9718［S］. Montreal： ICAO， 2018. |
| 10 | STATFOR Team. Eurocontrol seven-year forecast October 2022. European flight movements and service units 2022-2028［EB/OL］. （2022-10-01）［2023-06-10］. . |
| 11 | AIRBUS. Global market forecast 2023-2042［EB/OL］. （2023-06-13）［2023-09-10］. . |
| 12 | ZHANG J. Aeronautical mobile communication： The evolution from narrowband to broadband［J］. Engineering， 2021， 7（4）： 431-434. |
| 13 | 中国民用航空管理局. 中国民航空管现代化战略（CAAMS）实施路线图： IB-ATMB-2020-001［R］. 北京： 中国民用航空管理局， 2020. |
| Civil Aviation Administration of China. Civil aviation ATM modernization strategy implementation road map： IB-ATMB-2020-001 ［R］. Beijing： CAAC， 2020 （in Chinese）. | |
| 14 | BUTSCH F. LDACS versus DME/TACAN compatibility testing plan［C］∥Hybrid Meeting： ICAO， NSP Joint Working Groups-9th Meeting. Montreal： ICAO， 2022. |
| 15 | KAMALI B. An overview of VHF civil radio network and the resolution of spectrum depletion［C］∥2010 Integrated Communications， Navigation， and Surveillance Conference Proceedings. Piscataway： IEEE Press， 2010： F4-1-F4-8. |
| 16 | 岳猛， 邹嘉旭， 胡玥， 等. 航空甚高频VHF数据链安全通信技术［J］. 中国民航大学学报， 2022， 40（3）： 1-7. |
| YUE M， ZOU J X， HU Y， et al. Aviation VHF data link secure communication technology［J］. Journal of Civil Aviation University of China， 2022， 40（3）： 1-7 （in Chinese）. | |
| 17 | 中国民用航空局. 关于民航大数据建设发展的指导意见 ［S］. 北京： 中国民用航空局， 2022. |
| Civil Aviation Administration of China. Notice of the civil aviation administration of China on issuing guidance opinions on the construction and development of big data in civil aviation ［S］. Beijing：Civil Aviation Administration of China， 2021 （in Chinese）. | |
| 18 | ICAO. LDACS white paper-a roll-out scenario ［EB/OL］. （2019-10-15） ［2023-06-10］. . |
| 19 | SCHNELL M， EPPLE U， SHUTIN D， et al. LDACS： Future aeronautical communications for air-traffic management［J］. IEEE Communications Magazine， 2014， 52（5）： 104-110. |
| 20 | SESAR Joint Undertaking. Future communications infrastructure （FCI）. ［EB/OL］. ［2023-06-10］. . |
| 21 | FISTAS N. Future aeronautical communications： The data link component［M］∥Future Aeronautical Communications. London： InTech， 2011 |
| 22 | EUROCONTROL SESAR Joint Undertaking. LDACS A/G specification［EB/OL］. SESAR 2020 PJ14-W2-60 D3.1.， 2023. . |
| 23 | LDACS. LDACS background and motivation［EB/OL］ ［2023-12-10］. . |
| 24 | GR?UPL T， EHAMMER M. LDACS1 data link layer evolution for ATN/IPS［C］∥2011 IEEE/AIAA 30th Digital Avionics Systems Conference. Piscataway： IEEE Press， 2011： 4C4-1-4C4-16. |
| 25 | RIHACEK C， SAJATOVIC M， MESER J， et al. L-band digital aeronautical communications system （LDACS）-technical validations in SESAR2020［C］∥2019 IEEE/AIAA 38th Digital Avionics Systems Conference （DASC）. Piscataway： IEEE Press， 2019： 1-6. |
| 26 | SCHNECKENBURGER N， ELWISCHGER B P B， BELABBAS B， et al. LDACS1 navigation performance assessment by flight trials［C］∥The European Navigation Conference （ENC）， 2013. |
| 27 | BELLIDO-MANGANELL M A， GR?UPL T， HEIRICH O， et al. LDACS flight trials： Demonstration and performance analysis of the future aeronautical communications system［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2022， 58（1）： 615-634. |
| 28 | GR?UPL T， MIELKE D M， BELLIDO-MANGANELL M A， et al. LDACS flight trials： Demonstration of ATS-B2， IPS， and seamless mobility［C］∥2023 Integrated Communication， Navigation and Surveillance Conference （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2023： 1-13. |
| 29 | GUO K， DAN Z， WANG Z， et al. Identified scenarios for the compatibility test between LDACS and Surveillance System［C］∥Virtual Meeting： 1st meeting of ICAO TSG/PT-T Joint Working Group. Montreal： ICAO， 2023. |
| 30 | 刘天华， 王丽， 林静， 等. 支持四维航迹运行的新一代民机数据链技术综述［J］. 电讯技术， 2023， 63（1）： 145-150. |
| LIU T H， WANG L， LIN J， et al. Overview of new generation civil aviation datalink technology supporting 4D trajectory based operation［J］. Telecommunication Engineering， 2023， 63（1）： 145-150 （in Chinese）. | |
| 31 | THIASIRIPHET T， SCHNECKENBURGER N， SCHNELL M. Ranging with LDACS： Results from measurement campaign［C］∥2016 Integrated Communications Navigation and Surveillance （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2016： 1-18. |
| 32 | BATTISTA G， KUMAR R， OSECHAS O， et al. New APNT ranging signals as an opportunity for rationalizing ground infrastructure［C］∥2018 Integrated Communications， Navigation， Surveillance Conference （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2018： 1-35. |
| 33 | VITAN V， BERZ G， SAINI L， et al. Research on alternative positioning navigation and timing in Europe［C］∥2018 Integrated Communications， Navigation， Surveillance Conference （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2018： 4D2-1-4D2-17. |
| 34 | OSECHAS O， NOSSEK E， BELABBAS B， et al. A modular approach to integrity for APNT［C］∥Proceedings of the 29th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation （ION GNSS+2016）“， ”ION GNSS+， The International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation. Institute of Navigation， 2016： 2293-2299. |
| 35 | OKUARY O， NOSSEK E， KUMAR R， et al. A hybrid modular approach to APNT［C］∥. NAVIGATION SYSTEMS PANEL （NSP） third meeting. Montréal： ICAO， 2016. |
| 36 | OSECHAS O， BERZ G. Improving the availability of LDACS-based APNT with Air-to-Air ranging［C］∥2016 IEEE/ION Position， Location and Navigation Symposium （PLANS）. Piscataway： IEEE Press， 2016： 91-99. |
| 37 | OSECHAS O， GRAEUPL T， BERZ G. Oceanic APNT using air-to-air ranging［C］∥The Institute of Navigation. Proceedings of the 2018 International Technical Meeting of The Institute of Navigation， 2018： 558-569. |
| 38 | OSECHAS O， MEURER M. Integrity monitoring for collaborative air-to-air alternative PNT services［C］∥The Institute of Navigation. Proceedings of the 2019 International Technical Meeting of The Institute of Navigation， 2019. |
| 39 | JAMAL H， MATOLAK D W. FBMC and L-DACS performance for future air-to-ground communication systems［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2017， 66（6）： 5043-5055. |
| 40 | SCHNECKENBURGER N， FRANZEN N， GLIGORE? VIC S， et al. L-band compatibility of LDACS1［C］∥2011 IEEE/AIAA 30th Digital Avionics Systems Conference. Piscataway： IEEE Press， 2011： 4C3-1-4C3-11. |
| 41 | HAINDL B， MESER J， SAJATOVIC M， et al. LDACS1 conformance and compatibility assessment［C］∥2014 IEEE/AIAA 33rd Digital Avionics Systems Conference （DASC）. Piscataway： IEEE Press， 2014： 3B3-1-3B3-11. |
| 42 | NOVELLA G. WP13 LDACS/GNSS compatibility［C］∥ICAO Navigation Systems Panel Joint Working Groups - 10th Meeting. Montreal： ICAO， 2023. |
| 43 | MOSTAFA M， SCHNELL M. DME-compliant LDACS1 cell planning： Initial steps［C］∥2015 Integrated Communication， Navigation and Surveillance Conference （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2015： 1-42. |
| 44 | BELLIDO-MANGANELL M A， SCHNELL M. Feasibility of the frequency planning for LDACS air-to-air communications in the L-band［C］∥2021 Integrated Communications Navigation and Surveillance Conference （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2021： 1-14. |
| 45 | SCHNELL M， BRANDES S， GLIGOREVIC S， et al. Interference mitigation for broadband L-DACS［C］∥2008 IEEE/AIAA 27th Digital Avionics Systems Conference. Piscataway： IEEE Press， 2008. |
| 46 | EPPLE U， SCHNELL M. Mitigation of impulsive interference for LDACS1 ― Potentials of blanking nonlinearity［C］∥2015 Integrated Communication， Navigation and Surveillance Conference （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2015： 1-16. |
| 47 | 刘海涛， 李广雪， 孙海霞， 等. L-DACS1系统干扰抑制与循环自适应波束形成方法［J］. 系统工程与电子技术， 2020， 42（8）： 1850-1856. |
| LIU H T， LI G X， SUN H X， et al. L-DACS1 system interference suppression and cyclic adaptive beamforming method［J］. Systems Engineering and Electronics， 2020， 42（8）： 1850-1856 （in Chinese）. | |
| 48 | GüRBüZ A， MIELKE D M， BELLIDO-MANGANELL M A. On the application of beamforming in LDACS［C］∥2022 Integrated Communication， Navigation and Surveillance Conference （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2022： 1-9. |
| 49 | ZAMPIERI G， MCGRAW G， OSECHAS O， et al. LDACS navigation system design considerations［C］∥Proceedings of the 35th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation （ION GNSS+2022）， 2022. |
| 50 | MCGRAW G， ZAMPIERI G， OSECHAS O， et al. LDACS APNT protocol and measurement signal processing architecture［C］∥Proceedings of the 2023 International Technical Meeting of The Institute of Navigation， 2023： 11-25. |
| 51 | SCHNECKENBURGER N， SHUTIN D， SCHNELL M. Precise aeronautical ground based navigation using LDACS1［C］∥2012 Integrated Communications， Navigation and Surveillance Conference. Piscataway： IEEE Press， 2012： B1-1-B1-10. |
| 52 | ICAO. Manual on the aeronautical telecommunication network （ATN） using internet protocol suite （IPS） standards and protocols ［EB/OL］. ［2023-06-10］. ， 2015. |
| 53 | ALEXANDRE T N， ALAIN P， NICOLAS L. Managing aircraft mobility in a context of the ATN/IPS network［C］∥2019 IEEE/AIAA 38th Digital Avionics Systems Conference （DASC）. Piscataway： IEEE Press， 2019： 1-9. |
| 54 | GUNDAVELLI S， LEUNG K， DEVARAPALLI V， et al. Proxy mobile IPv6， RFC 5213［EB/OL］. （2008-08-01） ［2023-06-10］. . |
| 55 | M?URER N， GR?UPL T， GR?UPL T. L-Band digital aeronautical communications system （LDACS） ［EB/OL］. （2023-03-01） ［2023-06-10］. . |
| 56 | FARINACCI D， MAINO F， FULLER V， et al. Locator/ID separation protocol （LISP） control plane， RFC 9301［EB/OL］. （2022-10-01） ［2023-06-10］. . |
| 57 | HAINDL B， LINDNER M. Ground based lisp for multilink operation in ATN/IPS communication infrastructure［C］∥2016 IEEE/AIAA 35th Digital Avionics Systems Conference （DASC）. Piscataway： IEEE Press， 2016： 1-10. |
| 58 | M?URER N， BILZHAUSE A. Paving the way for an it security architecture for LDACS： A datalink security threat and risk analysis［C］∥ 2018 Integrated Communications， Navigation， Surveillance Conference （ICNS）. Piscataway： IEEE Press， 2018： 1A2-1-1A2-11. |
| 59 | BILZHAUSE A， BELGACEM B， MOSTAFA M， et al. Datalink security in the L-band digital aeronautical communications system （LDACS） for air traffic management［J］. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine， 2017， 32（11）： 22-33. |
| 60 | M?URER N， BILZHAUSE A. A cybersecurity architecture for the L-band digital aeronautical communications system （LDACS）［C］∥2018 IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference （DASC）. Piscataway： IEEE Press， 2018： 1-10. |
| 61 | 刘海涛， 宋东伟. L-DACS1系统时域加窗算法及其FPGA实现［J］. 通信技术， 2013， 46（6）： 123-126. |
| LIU H T， SONG D W. Time-domain windowing and its FPGA implementation for L-DACS1 system［J］. Communications Technology， 2013， 46（6）： 123-126 （in Chinese）. | |
| 62 | 刘海涛， 杨志强， 李重仪. L-DACS1中高速多模式RS编码的FPGA实现［J］. 现代电子技术， 2013， 36（18）： 3. |
| LIU H T， YANG Z Q， LI Z Y. Realization of FPGA based high-speed multi-mode RS encoder in L-DACS1［J］. Modern Electronics Technique， 2013， 36（18）： 3 （in Chinese）. | |
| 63 | 易刘芳， 刘海涛， 金雪峰. L-DACS1系统随机接入信道设计与实现［J］. 通信技术， 2013， 46（5）： 104-106. |
| YI L F， LIU H T， JIN X F. Design and implementation of RA channel for L-DACS1 system［J］. Communications Technology， 2013， 46（5）： 104-106 （in Chinese）. | |
| 64 | 刘海涛， 丁杰. L-DACS1系统定时同步的FPGA设计与实现［J］. 信息技术， 2014， 38（1）： 11-14. |
| LIU H T， DING J. Design and implementation of timing synchronization in L-DACS1 system based on FPGA［J］. Information Technology， 2014， 38（1）： 11-14 （in Chinese）. | |
| 65 | 李勇， 刘海涛. L-DACS1系统数字变频器的FPGA设计与实现［J］. 现代电子技术， 2015， 38（3）： 59-61， 65. |
| LI Y， LIU H T. Design and implementation of digital converter in L-DACS1 system based on FPGA［J］. Modern Electronics Technique， 2015， 38（3）： 59-61， 65 （in Chinese）. | |
| 66 | 何川， 张涛. 一种基于L-DACS1系统上行链路帧同步方法［J］. 航空电子技术， 2015， 46（3）： 1-5. |
| HE C， ZHANG T. An uplink frame synchronization method in L-DACS1 system［J］. Avionics Technology， 2015， 46（3）： 1-5 （in Chinese）. | |
| 67 | 邓斌. L-DACS1系统的OFDM时频同步技术研究［D］. 重庆： 重庆大学， 2015. |
| DENG B. Research on timing and frequency synchronization for OFDM in L-DACS1［D］.Chongqing： Chongqing University， 2015 （in Chinese）. | |
| 68 | 李梦如. L-DACS1系统的OFDM时频同步算法研究［D］. 重庆： 重庆大学， 2016. |
| LI M R. Research on OFDM time and frequency synchronization algorithm based on L-DACS1 system［D］.Chongqing： Chongqing University， 2016 （in Chinese）. | |
| 69 | 龚旻， 任子毅， 马召， 等. 基于L频段数字航空通信系统1的F-OFDM波形设计［J］. 电讯技术， 2017， 57（6）： 643-649. |
| GONG M， REN Z Y， MA Z， et al. F-OFDM waveform design based on L-band digital aeronautical communications system 1（L-DACS1）［J］. Telecommunication Engineering， 2017， 57（6）： 643-649 （in Chinese）. | |
| 70 | ZHOU J Q， DAN Z Q， WANG Y M， et al. Impact of DME interference on LDACS channel estimation in en-route phase［C］∥2023 IEEE/AIAA 42nd Digital Avionics Systems Conference （DASC）. Piscataway： IEEE Press， 2023： 1-6. |
| 71 | YU H， WANG S J， ZHU Y L， et al. L-DACS mobility management in ATN/IPS network： Design， prototyping， and evaluation［C］∥2023 IEEE/AIAA 42nd Digital Avionics Systems Conference （DASC）. Piscataway： IEEE Press， 2023： 1-7. |
| 72 | 李冬霞， 王雪， 刘海涛， 等. 基于EBSBL-BO算法的L-DACS系统干扰抑制方法［J］. 信号处理， 2022， 38（10）： 2192-2200. |
| LI D X， WANG X， LIU H T， et al. L-DACS system interference suppression based on EBSBL-BO algorithm［J］. Journal of Signal Processing， 2022， 38（10）： 2192-2200 （in Chinese）. |
/
| 〈 |
|
〉 |
CJA