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LTE民用航线覆盖网络的关键技术0

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来源: 作者: 2019-03-13 12:46:35

多年以来,航班起飞前关闭和无线设备、系好安全带,是航空安全提示永恒不变的话题。一方面是为了防止无线信号干扰飞机起飞降落,另一方面也是因为高空航线无法覆盖这一尴尬事实。航行期间的飞机一直是民用移动通信难以到达的“盲区”。随着科技的迅猛发展,智能和移动通信络在中国日渐普及,国内乘客,尤其是长途商务旅客,对于空中无线络的需求正日益提升。能够在航行期间,实现随时与外界的通信,日益成为繁忙的商务人士迫切渴望的需求。随着技术的发展,这一需求逐渐成为可能。

无线通信民用航线覆盖的需求

2012年5月,阿联酋航空宣布空中无线络服务(Wi-Fi)已全面覆盖其目前运营的21架A380客机,乘客可在阿航A380遍及全球五大洲、18个目的地航线络的航班中,登录因特冲浪、处理电子邮件、阅读,大大增强了对中高端商务人士的吸引力。

目前,在民用航空上实现移动通信,较为可行的解决思路有两种:采用卫星链路与地面通信络连接,或利用地面专用基站向空中覆盖。

卫星通信方式比较成熟,保密性强,干扰小,容量大,覆盖范围广,运行稳定。2012年10月,中国民航总局公布了《航空公司运行控制卫星通信实施方案》,并向全社会征求意见。对航企来说,在飞机上部署卫星通信设施实现语音和数据的航线覆盖,是个新增的非航业务盈利方向,然而由于卫星通信系统的改装成本非常高,能否有效收回成本还是个未知数。同时,卫星通信的带宽严重受限,费用高昂,难以为乘客提供规模服务,这是卫星通信难以在民用航空推广航线覆盖的障碍。

如果采用基站对空覆盖的方式,用户可以获得充分的可达上百兆的通信带宽,费用也可以为广大用户所接受,同时可以解决多制式(GSM、CDMA、TD-SCDMA、WCDMA等)同时在飞机上使用的问题。因此,这种基于地面基站的通信方式虽然在一定程度上受地域限制,但其成本总体上较卫星方式低,已经越来越成为航线覆盖的首选。

利用第四代移动通信系统LTE来实现航线覆盖,相比其他技术而言,可以提供更高的下载速率。同时LTE对切换时间要求低,适应在高速移动下的切换,因此采用LTE技术进行航线覆盖具有广阔的商业前景。

民用航线对LTE覆盖的系统需求

在飞机高速飞行的场景下,机上通信容易出现掉、小区选择失败等问题。民用航线覆盖对电信运营商的LTE络系统设计提出了更高的要求。

传播模型。在无线络规划中,通常使用经验的传播模型预测路径损耗中值,目的是得到规划区域的无线传播特性。民用航线覆盖使用的传播模型,在整个络规划中具有非常重要的作用。传播模型在具体应用时,必须对模型中各系数进行必要的修正。它的准确度直接影响无线络规划的规模、覆盖预测的准确度,以及基站的布局情况。

多普勒频移。飞机移动速率通常在800~1000公里/小时,高速覆盖场景对LTE系统性能影响最大的效应是多普勒效应。当电磁波发射源与接收器发生相对运动的时候,会导致所接收到的传播频率发生改变。当运动速度达到一定阀值时,将会引起传速频率的明显改变,这称为多普勒频移。多普勒频移将使接收机和发射机之间产生频率偏差,影响上行接入成功率、切换成功率等。LTE航线专需要优良的自适应频率跟踪及补偿算法,以消除高速飞行所带来的巨大的多普勒频移。

小区切换。和业界已成熟的高铁覆盖络不同,飞机移动速度虽然更高,但由于航线覆盖的小区半径相对更大,飞机在一个小区中驻留的时间较长。为了完善切换性能,需周密设计航线覆盖络中的小区间重叠区域和相邻小区切换的顺序。

因此,普通络已难以满足民用航线覆盖的技术要求。电信运营商需针对航线场景新建覆盖专,形成专门针对民用航线覆盖的链状小区架构,通过优化切换和邻区设计来减化邻区关系,减小切换次数,提高络服务质量。

LTE民用航线覆盖解决方案

LTE民用航线覆盖解决方案分为3个层级:航机接入层、LTE空地传输层、地面接入交换层,如图所示。

一、航机接入层

由飞机机体内2G/3G Femto Cell基站、Wi-Fi AP接入设备、机载LTE CPE、增强型天线等组成。

对于语音和2G/3G数据业务,乘客的终端通过2G/3G Femto Cell基站接入到机载LTE CPE上;对于Wi-Fi数据业务,乘客的各种终端通过Wi-Fi AP接入设备连接,Wi-Fi AP接入设备通过以太接入到机载LTE CPE上。

需要注意的是,电信运营商和航企需充分合作,根据不同飞机机型的内舱结构,设计2G/3G Femto Cell基站、Wi-Fi AP接入设备的位置和调整收发功率,并实际进行多次模拟和调整,才能获得最佳效果。由于人体主要成分为碳水化合物,国外曾有报道,研究人员购买了大量同为碳水化合物成分的土豆,装于袋中,放置在内舱座位上模拟人体对舱内电磁波的吸收和反射。可以考虑采取同样的方式,初步进行舱内2G/3G Femto Cell基站、Wi-Fi AP接入设备的粗调,后期再安排人员坐满机舱进行精调。

二、LTE空地传输层

主要由机载LTE CPE、航线沿线专用LTE基站eNodeB链群、LTE核心EPC(包括移动管理实体MME、服务和接入关SAE GW、策略和计费控制实体PCRF等),以及IP承载、接入路由器Router等组成。

通过为2G、3G、Wi-Fi等不同业务,设置不同的路由封装隧道(GRE Tunnel)作为专用承载,满足终端用户对2G/3G语音、数据业务的不同接入要求,以及使用Wi-Fi接入互联的需求。

通过LTE无线络,终端用户的各种业务能够传输到接入路由器。接入路由器终结通用路由封装隧道,并根据隧道内封装的二层报文转发到外接入部分相应的实体中。

三、地面接入交换层

这部分主要包括Wi-Fi接入关、2G基站控制器BSC、3G基站控制器RNC以及相应的核心交换机。根据2G、3G、Wi-Fi等不同业务类型,把相应的报文转接到不同的络中。

总体而言,LTE民用航线覆盖解决的重点在于覆盖而不是容量,络的容量负荷与城市热点区域的通信络相比并不高。因此在设计和部署中,LTE空地传输层、地面交换接入层中的一些元,并不需要独立部署,而是可以与电信运营商现有的络设备合设,节省初期投资。

LTE民用航线覆盖关键技术

电信运营商在设计LTE民用航线覆盖中,需要考虑几个关键因素。

一、LTE民用航线覆盖应用多普勒频偏补偿算法,保障航线覆盖性能。

在航线覆盖设计中,多普勒频偏是电信运营商需要解决的重要问题。通过在信号处理中运用自适应频偏校正算法,能在基带层面实时地检测出当前子帧频率偏移的相关信息,然后对频偏造成的基带信号相位偏移予以校正,提升基带解调性能。

LTE基站eNodeB根据接收到的上行信号的频偏,调整收信机接收频率,抵消多普勒效应导致的上行频率偏移;同时相应对下行发信频率设置相同的偏移量,保证同、终端的正常通信。

二、合理设计小区,制订高速切换策略。

飞机在高空稳定飞行时,航速一般超过1000公里/小时,因此在设计之初,电信运营商对于小区交界处的切换区域的大小,就需要特别设计和分析,使得飞机飞过切换区域的时间小于LTE切换所需时间。

三、设置超级小区,自适应适配,提升络性能。

在设计中,电信运营商需要考虑扩大单小区覆盖能力,减少切换,提升络性能。针对单一航线覆盖的情况,可以采用超级小区的链状组。同时可利用动态ICIC(小区间干扰协调)策略,借助基站间的X2接口对相邻基站的负载信息进行传递,根据本小区和相邻小区的负载情况来自适应地调整边缘可用子频带,从而可以自适应地适配负载的变化,获得更好的频谱效率。

四、综合气象和地貌特征因素,部署增强型天线。

电信运营商除在地面要设置专用的LTE基站群eNodeB对空覆盖外,还需要在飞机上加装增强型天线。这两种天线设计为圆极化天线,效果强于普通的垂直极化、水平极化天线。电磁波穿透雨雪雾时会发生一定的功率衰减,在天线增益设计和调整中,应充分考虑到航线中可能常遇的大气状况和地物地貌特征。

五、合理选择可建设LTE覆盖的民用航线。

我国航线所经过区域地形地貌总体较为复杂多变,如在需要经过海洋和较大湖泊的区域无法设置地面基站,而在可能布设地面基站的陆地,也有相当多的地方很难找到低成本的布站方案,如西部山区、青藏高原、高寒地带等,因此这些航线不适于建设民用航线覆盖专。

而LTE民用航线覆盖主要以中高端商务人士为服务对象,考虑到LTE民用航线覆盖的投入产出比,部署初期可以在基站部署条件相对较为成熟、覆盖商务旅客较多的热门航线试点使用,如京沪、深沪航线,后续再逐步扩大覆盖的航线范围。

六、端到端服务质量(E2E QoS)的保障。

飞机高速运动中遇到气流会产生颠簸,高空中电磁环境也比较复杂,这些影响飞机上乘客通信服务质量的因素非常多,因此需要对用户的端到端服务质量(E2E QoS)给予充分的控制,对头等舱、商务舱的用户通信服务质量给予优先保证。

根据3GPP TS 23.401协议对用户使用策略和计费控制的规范,电信运营商可以通过策略和计费控制实体PCRF(Policy and Charging Rules Function)设备,确保不同用户的端到端服务质量。PCRF对LTE基站eNodeB下发基于应用APP级别的差分服务代码DSCP(Differentiated Services Code Point)标签,进而可实现为头等舱、商务舱、经济舱的用户设置不同的金/银/铜牌服务等级,优先保障头等舱、重要客户的服务质量,提升端到端业务质量。

七、灵活套餐控制。

对于航企以及电信运营商来说,开展民用航线覆盖的语音和数据通信业务,一方面可以大大增加对中高端商务人士的吸引力进而增强航线的综合竞争力,另一方面也可以从这项业务中寻求到合适的利润空间。

在业务培育期,可以通过免费试用的方式调动乘客的体验,每个乘客持有的登机牌标有自己的账户和密钥,给予该乘客一定流量比如5M的免费体验。

业务正常开展后,可对于乘客给予不同账户,这项账户对应于不同的初始免费流量包,比如头等舱(金牌用户)给予500M流量包,商务舱(银牌用户)给予300M流量包,普通经济舱(铜牌用户)给予10M流量包。该流量用完后可以再付费购买,通过策略和计费控制实体PCRF设备对流量比进行开关控制和Recharging再充值。

总结和展望

我国无线通信技术的发展日新月异,随着通信技术的发展和世界的不断互联,空中语音和数据服务必将成为飞行体验中不可或缺的一部分。LTE民用航线覆盖将会有越来越广泛的应用。通过有针对性地进行航线络规划,能够帮助运营商和航空公司联合打造出优质的高速覆盖络。

可以预见,几年后LTE地空宽带通信系统将覆盖中国各大航空公司国内航班甚至部分国际航班的航线,为乘客提供“随时随地”的通信服务。

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