LTE民用航線覆蓋網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

中興通訊股份有限公司 | 方琰崴 孫彪

相比其他技術(shù)而言，利用LTE來實(shí)現(xiàn)航線覆蓋對切換時(shí)間要求低，可以提供更高的下載速率，因此具有廣闊的商業(yè)前景。

多年以來，航班起飛前關(guān)閉手機(jī)和無線設(shè)備、系好安全帶，是航空安全提示永恒不變的話題。一方面是為了防止無線信號干擾飛機(jī)起飛降落，另一方面也是因?yàn)楦呖蘸骄€無法覆蓋這一尷尬事實(shí)。航行期間的飛機(jī)一直是民用移動通信難以到達(dá)的“盲區(qū)”。隨著科技的迅猛發(fā)展，智能手機(jī)和移動通信網(wǎng)絡(luò)在中國日漸普及，國內(nèi)乘客，尤其是長途商務(wù)旅客，對于空中無線網(wǎng)絡(luò)的需求正日益提升。能夠在航行期間，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)與外界的通信，日益成為繁忙的商務(wù)人士迫切渴望的需求。隨著技術(shù)的發(fā)展，這一需求逐漸成為可能。

無線通信民用航線覆蓋的需求

2012年5月，阿聯(lián)酋航空宣布空中無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（Wi-Fi）已全面覆蓋其目前運(yùn)營的21架A380客機(jī)，乘客可在阿航A380遍及全球五大洲、18個(gè)目的地航線網(wǎng)絡(luò)的航班中，登錄因特網(wǎng)沖浪、處理電子郵件、在線閱讀，大大增強(qiáng)了對中高端商務(wù)人士的吸引力。

目前，在民用航空上實(shí)現(xiàn)移動通信，較為可行的解決思路有兩種：采用衛(wèi)星鏈路與地面通信網(wǎng)絡(luò)連接，或利用地面專用基站向空中覆蓋。

衛(wèi)星通信方式比較成熟，保密性強(qiáng)，干擾小，容量大，覆蓋范圍廣，運(yùn)行穩(wěn)定。2012年10月，中國民航總局公布了《航空公司運(yùn)行控制衛(wèi)星通信實(shí)施方案》，并向全社會征求意見。對航企來說，在飛機(jī)上部署衛(wèi)星通信設(shè)施實(shí)現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的航線覆蓋，是個(gè)新增的非航業(yè)務(wù)盈利方向，然而由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的改裝成本非常高，能否有效收回成本還是個(gè)未知數(shù)。同時(shí)，衛(wèi)星通信的帶寬嚴(yán)重受限，費(fèi)用高昂，難以為乘客提供規(guī)模服務(wù)，這是衛(wèi)星通信難以在民用航空推廣航線覆蓋的障礙。

如果采用基站對空覆蓋的方式，用戶可以獲得充分的可達(dá)上百兆的通信帶寬，費(fèi)用也可以為廣大用戶所接受，同時(shí)可以解決多制式（GSM、CDMA、TD-SCDMA、WCDMA等）同時(shí)在飛機(jī)上使用的問題。因此，這種基于地面基站的通信方式雖然在一定程度上受地域限制，但其成本總體上較衛(wèi)星方式低，已經(jīng)越來越成為航線覆蓋的首選。

利用第四代移動通信系統(tǒng)LTE來實(shí)現(xiàn)航線覆蓋，相比其他技術(shù)而言，可以提供更高的下載速率。同時(shí)LTE對切換時(shí)間要求低，適應(yīng)在高速移動下的切換，因此采用LTE技術(shù)進(jìn)行航線覆蓋具有廣闊的商業(yè)前景。

民用航線對LTE覆蓋的系統(tǒng)需求

在飛機(jī)高速飛行的場景下，機(jī)上通信容易出現(xiàn)掉網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等問題。民用航線覆蓋對電信運(yùn)營商的LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

傳播模型。在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，通常使用經(jīng)驗(yàn)的傳播模型預(yù)測路徑損耗中值，目的是得到規(guī)劃區(qū)域的無線傳播特性。民用航線覆蓋使用的傳播模型，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中具有非常重要的作用。傳播模型在具體應(yīng)用時(shí)，必須對模型中各系數(shù)進(jìn)行必要的修正。它的準(zhǔn)確度直接影響無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的規(guī)模、覆蓋預(yù)測的準(zhǔn)確度，以及基站的布局情況。

多普勒頻移。飛機(jī)移動速率通常在800～1000公里/小時(shí)，高速覆蓋場景對LTE系統(tǒng)性能影響最大的效應(yīng)是多普勒效應(yīng)。當(dāng)電磁波發(fā)射源與接收器發(fā)生相對運(yùn)動的時(shí)候，會導(dǎo)致所接收到的傳播頻率發(fā)生改變。當(dāng)運(yùn)動速度達(dá)到一定閥值時(shí)，將會引起傳速頻率的明顯改變，這稱為多普勒頻移。多普勒頻移將使接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間產(chǎn)生頻率偏差，影響上行接入成功率、切換成功率等。LTE航線專網(wǎng)需要優(yōu)良的自適應(yīng)頻率跟蹤及補(bǔ)償算法，以消除高速飛行所帶來的巨大的多普勒頻移。

小區(qū)切換。和業(yè)界已成熟的高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)不同，飛機(jī)移動速度雖然更高，但由于航線覆蓋的小區(qū)半徑相對更大，飛機(jī)在一個(gè)小區(qū)中駐留的時(shí)間較長。為了完善切換性能，需周密設(shè)計(jì)航線覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)間重疊區(qū)域和相鄰小區(qū)切換的順序。

因此，普通網(wǎng)絡(luò)已難以滿足民用航線覆蓋的技術(shù)要求。電信運(yùn)營商需針對航線場景新建覆蓋專網(wǎng)，形成專門針對民用航線覆蓋的鏈狀小區(qū)架構(gòu)，通過優(yōu)化切換和鄰區(qū)設(shè)計(jì)來減化鄰區(qū)關(guān)系，減小切換次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

LTE民用航線覆蓋解決方案

LTE民用航線覆蓋解決方案分為3個(gè)層級：航機(jī)接入層、LTE空地傳輸層、地面接入交換層，如圖所示。

一、航機(jī)接入層

由飛機(jī)機(jī)體內(nèi)2G/3G Femto Cell基站、Wi-Fi AP接入設(shè)備、機(jī)載LTE CPE、增強(qiáng)型天線等組成。

對于語音和2G/3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，乘客的終端通過2G/3G Femto Cell基站接入到機(jī)載LTE CPE上；對于Wi-Fi數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，乘客的各種終端通過Wi-Fi AP接入設(shè)備連接，Wi-Fi AP接入設(shè)備通過以太網(wǎng)接入到機(jī)載LTE CPE上。

需要注意的是，電信運(yùn)營商和航企需充分合作，根據(jù)不同飛機(jī)機(jī)型的內(nèi)艙結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)2G/3G Femto Cell基站、Wi-Fi AP接入設(shè)備的位置和調(diào)整收發(fā)功率，并實(shí)際進(jìn)行多次模擬和調(diào)整，才能獲得最佳效果。由于人體主要成分為碳水化合物，國外曾有報(bào)道，研究人員購買了大量同為碳水化合物成分的土豆，裝于袋中，放置在內(nèi)艙座位上模擬人體對艙內(nèi)電磁波的吸收和反射?？梢钥紤]采取同樣的方式，初步進(jìn)行艙內(nèi)2G/3G Femto Cell基站、Wi-Fi AP接入設(shè)備的粗調(diào)，后期再安排人員坐滿機(jī)艙進(jìn)行精調(diào)。

二、LTE空地傳輸層

主要由機(jī)載LTE CPE、航線沿線專用LTE基站eNodeB鏈群、LTE核心網(wǎng)EPC（包括移動管理實(shí)體MME、服務(wù)和接入網(wǎng)關(guān)SAE GW、策略和計(jì)費(fèi)控制實(shí)體PCRF等），以及IP承載網(wǎng)、接入路由器Router等組成。

通過為2G、3G、Wi-Fi等不同業(yè)務(wù)，設(shè)置不同的路由封裝隧道（GRE Tunnel）作為專用承載，滿足終端用戶對2G/3G語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不同接入要求，以及使用Wi-Fi接入互聯(lián)網(wǎng)的需求。

通過LTE無線網(wǎng)絡(luò)，終端用戶的各種業(yè)務(wù)能夠傳輸?shù)浇尤肼酚善?。接入路由器終結(jié)通用路由封裝隧道，并根據(jù)隧道內(nèi)封裝的二層報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到外網(wǎng)接入部分相應(yīng)的實(shí)體中。

三、地面接入交換層

這部分主要包括Wi-Fi接入網(wǎng)關(guān)、2G基站控制器BSC、3G基站控制器RNC以及相應(yīng)的核心網(wǎng)交換機(jī)。根據(jù)2G、3G、Wi-Fi等不同業(yè)務(wù)類型，把相應(yīng)的報(bào)文轉(zhuǎn)接到不同的網(wǎng)絡(luò)中。

總體而言，LTE民用航線覆蓋解決的重點(diǎn)在于覆蓋而不是容量，網(wǎng)絡(luò)的容量負(fù)荷與城市熱點(diǎn)區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)相比并不高。因此在設(shè)計(jì)和部署中，LTE空地傳輸層、地面交換接入層中的一些網(wǎng)元，并不需要獨(dú)立部署，而是可以與電信運(yùn)營商現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備合設(shè)，節(jié)省初期投資。

圖 LTE民用航線覆蓋解決方案

LTE民用航線覆蓋關(guān)鍵技術(shù)

電信運(yùn)營商在設(shè)計(jì)LTE民用航線覆蓋中，需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素。

一、LTE民用航線覆蓋應(yīng)用多普勒頻偏補(bǔ)償算法，保障航線覆蓋性能。

在航線覆蓋設(shè)計(jì)中，多普勒頻偏是電信運(yùn)營商需要解決的重要問題。通過在信號處理中運(yùn)用自適應(yīng)頻偏校正算法，能在基帶層面實(shí)時(shí)地檢測出當(dāng)前子幀頻率偏移的相關(guān)信息，然后對頻偏造成的基帶信號相位偏移予以校正，提升基帶解調(diào)性能。

LTE基站eNodeB根據(jù)接收到的上行信號的頻偏，調(diào)整收信機(jī)接收頻率，抵消多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的上行頻率偏移；同時(shí)相應(yīng)對下行發(fā)信頻率設(shè)置相同的偏移量，保證同手機(jī)、終端的正常通信。

二、合理設(shè)計(jì)小區(qū)，制訂高速切換策略。

飛機(jī)在高空穩(wěn)定飛行時(shí)，航速一般超過1000公里/小時(shí)，因此在設(shè)計(jì)之初，電信運(yùn)營商對于小區(qū)交界處的切換區(qū)域的大小，就需要特別設(shè)計(jì)和分析，使得飛機(jī)飛過切換區(qū)域的時(shí)間小于LTE切換所需時(shí)間。

三、設(shè)置超級小區(qū)，自適應(yīng)適配，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

在設(shè)計(jì)中，電信運(yùn)營商需要考慮擴(kuò)大單小區(qū)覆蓋能力，減少切換，提升網(wǎng)絡(luò)性能。針對單一航線覆蓋的情況，可以采用超級小區(qū)的鏈狀組網(wǎng)。同時(shí)可利用動態(tài)ICIC（小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）策略，借助基站間的X2接口對相鄰基站的負(fù)載信息進(jìn)行傳遞，根據(jù)本小區(qū)和相鄰小區(qū)的負(fù)載情況來自適應(yīng)地調(diào)整邊緣可用子頻帶，從而可以自適應(yīng)地適配負(fù)載的變化，獲得更好的頻譜效率。

四、綜合氣象和地貌特征因素，部署增強(qiáng)型天線。

電信運(yùn)營商除在地面要設(shè)置專用的LTE基站群eNodeB對空覆蓋外，還需要在飛機(jī)上加裝增強(qiáng)型天線。這兩種天線設(shè)計(jì)為圓極化天線，效果強(qiáng)于普通的垂直極化、水平極化天線。電磁波穿透雨雪霧時(shí)會發(fā)生一定的功率衰減，在天線增益設(shè)計(jì)和調(diào)整中，應(yīng)充分考慮到航線中可能常遇的大氣狀況和地物地貌特征。

五、合理選擇可建設(shè)LTE覆蓋的民用航線。

我國航線所經(jīng)過區(qū)域地形地貌總體較為復(fù)雜多變，如在需要經(jīng)過海洋和較大湖泊的區(qū)域無法設(shè)置地面基站，而在可能布設(shè)地面基站的陸地，也有相當(dāng)多的地方很難找到低成本的布站方案，如西部山區(qū)、青藏高原、高寒地帶等，因此這些航線不適于建設(shè)民用航線覆蓋專網(wǎng)。

而LTE民用航線覆蓋主要以中高端商務(wù)人士為服務(wù)對象，考慮到LTE民用航線覆蓋的投入產(chǎn)出比，部署初期可以在基站部署條件相對較為成熟、覆蓋商務(wù)旅客較多的熱門航線試點(diǎn)使用，如京滬、深滬航線，后續(xù)再逐步擴(kuò)大覆蓋的航線范圍。

六、端到端服務(wù)質(zhì)量（E2E QoS）的保障。

飛機(jī)高速運(yùn)動中遇到氣流會產(chǎn)生顛簸，高空中電磁環(huán)境也比較復(fù)雜，這些影響飛機(jī)上乘客通信服務(wù)質(zhì)量的因素非常多，因此需要對用戶的端到端服務(wù)質(zhì)量（E2E QoS）給予充分的控制，對頭等艙、商務(wù)艙的用戶通信服務(wù)質(zhì)量給予優(yōu)先保證。

根據(jù)3GPP TS 23.401協(xié)議對用戶使用策略和計(jì)費(fèi)控制的規(guī)范，電信運(yùn)營商可以通過策略和計(jì)費(fèi)控制實(shí)體PCRF（Policy and Charging Rules Function）設(shè)備，確保不同用戶的端到端服務(wù)質(zhì)量。PCRF對LTE基站eNodeB下發(fā)基于應(yīng)用APP級別的差分服務(wù)代碼DSCP（Differentiated Services Code Point）標(biāo)簽，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)為頭等艙、商務(wù)艙、經(jīng)濟(jì)艙的用戶設(shè)置不同的金/銀/銅牌服務(wù)等級，優(yōu)先保障頭等艙、重要客戶的服務(wù)質(zhì)量，提升端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量。

七、靈活套餐控制。

對于航企以及電信運(yùn)營商來說，開展民用航線覆蓋的語音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，一方面可以大大增加對中高端商務(wù)人士的吸引力進(jìn)而增強(qiáng)航線的綜合競爭力，另一方面也可以從這項(xiàng)業(yè)務(wù)中尋求到合適的利潤空間。

在業(yè)務(wù)培育期，可以通過免費(fèi)試用的方式調(diào)動乘客的體驗(yàn)，每個(gè)乘客持有的登機(jī)牌標(biāo)有自己的賬戶和密鑰，給予該乘客一定流量比如5M的免費(fèi)體驗(yàn)。

業(yè)務(wù)正常開展后，可對于乘客給予不同賬戶，這項(xiàng)賬戶對應(yīng)于不同的初始免費(fèi)流量包，比如頭等艙（金牌用戶）給予500M流量包，商務(wù)艙（銀牌用戶）給予300M流量包，普通經(jīng)濟(jì)艙（銅牌用戶）給予10M流量包。該流量用完后可以再付費(fèi)購買，通過策略和計(jì)費(fèi)控制實(shí)體PCRF設(shè)備對流量比進(jìn)行開關(guān)控制和Recharging再充值。

總結(jié)和展望

我國無線通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，隨著通信技術(shù)的發(fā)展和世界的不斷互聯(lián)，空中語音和數(shù)據(jù)服務(wù)必將成為飛行體驗(yàn)中不可或缺的一部分。LTE民用航線覆蓋將會有越來越廣泛的應(yīng)用。通過有針對性地進(jìn)行航線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，能夠幫助運(yùn)營商和航空公司聯(lián)合打造出優(yōu)質(zhì)的高速覆蓋網(wǎng)絡(luò)。

可以預(yù)見，幾年后LTE地空寬帶通信系統(tǒng)將覆蓋中國各大航空公司國內(nèi)航班甚至部分國際航班的航線，為乘客提供“隨時(shí)隨地”的通信服務(wù)。