中國民航4G-LTE地空寬帶通信系統(tǒng)建設(shè)方案

何 躍，蘇尚停，余 濤

（中興通訊，廣東深圳 518000）

中國民航4G-LTE地空寬帶通信系統(tǒng)建設(shè)方案

何 躍，蘇尚停，余 濤

（中興通訊，廣東深圳 518000）

通過空中上網(wǎng)三種模式的分析，剖析了地空寬帶通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀，詮釋了中興通訊掌握地空通信的核心技術(shù)能力。綜合分析民航地空寬帶通信覆蓋因素，給出了4G-LTE航空專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖，分析PRACH設(shè)計、自適應(yīng)頻移校正算法、超級小區(qū)等關(guān)鍵技術(shù)。

地空寬帶通信；ATG；4G-LTE

在國內(nèi)乘坐多數(shù)航班時，空乘人員總是反復(fù)提示乘客關(guān)閉如手機、平板電腦、筆記本電腦等電子設(shè)備的電源，并在飛行過程中嚴禁打開，這算是起飛前的常規(guī)性安全說明。而在國內(nèi)部分2小時以上的航線或國際航線中，旅客通?？梢栽陲w機進入高空平飛狀態(tài)后，使用電腦等進行脫網(wǎng)辦公或娛樂。故在飛機上的幾個小時似乎與世隔絕、杳無音訊。

而隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，適用于航班乘客的移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，已開始逐步進入民用航班上。目前，空中上網(wǎng)有三種模式：

1）機上無線局域網(wǎng)：即利用平板電腦或手提電腦登錄飛機上的局域網(wǎng)，瀏覽飛機機載局域網(wǎng)內(nèi)的資源內(nèi)容。

2）應(yīng)用衛(wèi)星通訊技術(shù)為旅客提供定制化的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。如：發(fā)文字微博、收發(fā)郵件、查看股票等。但由于其帶寬較窄、費用較高，故被用于地面基站無法覆蓋的國際航班。如圖1所示。

3）在大陸航線上，飛機能與地面基站進行信息傳輸，故利用地空寬帶通信技術(shù)實現(xiàn)上網(wǎng)服務(wù)。因其較衛(wèi)星通信具有網(wǎng)速快，費用低的特點，被美國及其他歐洲國家廣泛采用，但飛機不能偏離基站覆蓋范圍。如圖2所示。

圖1 通過衛(wèi)星通訊系統(tǒng)上網(wǎng)示意圖

圖2 通過地空寬帶系統(tǒng)上網(wǎng)示意圖

1 中興通訊的兩次創(chuàng)新

2014年4月16 日，當(dāng)北京飛往成都的CA4116進入高空平飛狀態(tài)后，旅客們紛紛打開筆記本電腦和iPad忙碌起來：刷微博、聊QQ、看電視直播、打網(wǎng)絡(luò)電話、舉行地空視頻會議……這一連串的旅客體驗終將開啟中國民航飛機上的互聯(lián)網(wǎng)時代。

本次國航地空寬帶是世界首個基于4G技術(shù)的地空寬帶應(yīng)用，中興通訊作為地面基站通信設(shè)備惟一供應(yīng)商，為國航提供了定制化的4G LTE地空寬帶技術(shù)ATG（air to ground）解決方案，并全程提供技術(shù)和業(yè)務(wù)保障，給乘客帶來了快速、便捷的地空寬帶業(yè)務(wù)體驗。這也必將成為中興通訊發(fā)展的重要節(jié)點。

圖3分別為CA4116航班上的國航方面的工作人員通過機上互聯(lián)網(wǎng)與成都飛往北京的CA4109航班、以及北京、成都兩地的國航運行控制中心召開四方實時地空視頻會議，普通旅客與家人的視頻聊天以及分別搭乘CA4116和CA4109航班的筷子兄弟組合歌手的隔空獻藝（合唱）等畫面。

而實際上，航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)早就出現(xiàn)了。早在2007年，中興通訊就聯(lián)手美國Aircell及高通，推出世界首個基于CDMA技術(shù)的地空寬帶系統(tǒng)，隨后空中上網(wǎng)服務(wù)開始在美國快速展開。截止目前，美國9家航空公司的超過1500架班機已經(jīng)實現(xiàn)全面的空中互聯(lián)網(wǎng)體驗。由于幫助Aircell實現(xiàn)了高空EV-DO（Evolution-Data Optimized或者Evolution-Data only的縮寫）網(wǎng)絡(luò)的成功運營，中興通訊獲得由CDG（CDMA發(fā)展聯(lián)盟）頒發(fā)的年度CDMA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新大獎。

中國的LTE地空寬帶系統(tǒng)相比于CDMA EV-DO而言，可以提供更寬的帶寬（CDMA EV-DO提供3.6M的帶寬，而LTE提供30-60Mbps的帶寬）和更高的下載速率。同時LTE對切換時間要求更低，更加適應(yīng)在高速移動下的切換。

2 民航地空寬帶通信覆蓋分析

由于地空寬帶通信的覆蓋范圍為萬米高空，即沒有遮擋物，所以覆蓋較地面更加容易。但是在高速場景下，容易出現(xiàn)脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等網(wǎng)絡(luò)問題。故高速航線網(wǎng)絡(luò)對LTE系統(tǒng)設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。民航地空寬帶通信覆蓋分析如圖4所示。

1）高速飛行帶來巨大的多普勒頻移。飛機移動速度為800 km/h ~1200km/h，需要優(yōu)良的自適應(yīng)頻率跟蹤及補償算法消除多普勒頻移。

2）小區(qū)切換問題。飛機航線高度6000 m-12000m，寬度25km，地面站高增益天線對空覆蓋，每個地面站的覆蓋高度>10km，寬度≥25km，半徑≥100km，兩地面站覆蓋交叉區(qū)域為切換區(qū)域。與高鐵場景不同，飛機移動速度雖然更快，但由于航線覆蓋的小區(qū)半徑相對更大（100KM以上），故移動終端的切換間隔約20分鐘，飛機從地面站A的覆蓋區(qū)域飛向地面站B的覆蓋區(qū)域時，向地面站B發(fā)起切換請求，管理系統(tǒng)配合地面站將原來地面站A的業(yè)務(wù)鏈路切換到地面站B，飛機與地面站B建立鏈路，從地面站A斷開連接，機艙內(nèi)固定頻率轉(zhuǎn)發(fā)，用戶不會感知切換過程。故為了完善切換性能，航線覆蓋需要仔細設(shè)計小區(qū)間重疊區(qū)域和切換相鄰小區(qū)的順序。

因此，需要針對航線場景新建專網(wǎng)或?qū)⒑骄€區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有基站進行改造，形成專門針對航線覆蓋的小區(qū)結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化切換和鄰區(qū)設(shè)計來減化鄰區(qū)關(guān)系，減小切換次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)KPI。

LTE地空航線寬帶覆蓋通信方案設(shè)計應(yīng)考慮以下幾個關(guān)鍵方面：

1）方案應(yīng)為端到端的解決方案，在保證不影響航線正常工作的前提下，能夠滿足終端使用WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)的要求，甚至用戶能直接使用手機終端接入語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；

2）需要使用多普勒頻偏補償算法，保障航線覆蓋范圍內(nèi)的通信性能；

3）解決超大小區(qū)覆蓋時，隨機接入的難題；

4）擴大單小區(qū)覆蓋能力，減少切換，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

3 中興通訊4G LTE地空寬帶ATG通信系統(tǒng)解決方案

中興通訊4G LTE地空寬帶ATG解決方案，主要如上圖所示使用地面LTE基站eNB（Evolved Node B）與飛機機載終端設(shè)備LTE CPE（Customer Premises Equipment）進行信息傳輸。在4G LTE技術(shù)的支持下，每架飛機可以獲取的總帶寬為30Mbps至60Mbps。

3.1 LTE地空航線寬帶解決方案整體思路

LTE地空航線寬帶解決方案如圖5所示，整個系統(tǒng)分為3個部分：機內(nèi)綜合接入系統(tǒng)、LTE Backhaul、外網(wǎng)處理系統(tǒng)。

1）機內(nèi)綜合接入系統(tǒng)：由飛機機體內(nèi)第三方Wi-Fi AP或泄露電纜、2/3G Femto及機載LTE CPE三部分組成?，F(xiàn)行方案借助于Wi-Fi AP，機內(nèi)用戶使用電腦等終端接入機內(nèi)局域網(wǎng)，Wi-Fi AP通過以太網(wǎng)接入到機載LTE CPE上，再通過機載特殊的外置天線向地面基站發(fā)送信息。

2）LTE Backhaul：主要由機載LTE CPE、航線沿途的專用LTE地空基站、LTE核心網(wǎng)以及接入路由器組成，機載各種業(yè)務(wù)能夠通過LTE無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鞣N制式的接入路由器。

3）外網(wǎng)處理系統(tǒng)：方案實施的第一階段主要包括Wi-Fi的接入網(wǎng)關(guān)。接入路由器終結(jié)通用路由封裝（GRE）隧道，并根據(jù)隧道內(nèi)封裝的2層報文轉(zhuǎn)發(fā)到Wi-Fi接入網(wǎng)關(guān)。

3.2 LTE航線覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)

LTE航線覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)包括PRACH設(shè)計、自適應(yīng)頻偏校正算法、超級小區(qū)等。

3.2.1 PRACH（Physical Random Access Channel物理隨機接入信道）設(shè)計

飛機覆蓋小區(qū)半徑為75km~100km，存在非常大的路徑傳輸時延，因此，PRACH格式的選取和配置需要滿足小區(qū)半徑為100km的需求。影響PRACH支持小區(qū)最大半徑的因素除了PRACH的前導(dǎo)配置格式，還有Ncs的取值。如圖6所示，PRACH的前導(dǎo)配置格式有5種，此時最大覆蓋距離MaxD2=c*GT/2，其中GT為PRACH中的空余時隙長度。對于不同的PRACH配置格式，其覆蓋距離如表1所示，只有Format3格式才能支持小區(qū)半徑為100km的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

表1 PRACH最大接入距離

另一因素NCS（循環(huán)移位值）的取值大小與前導(dǎo)配置格式有關(guān)，該值與小區(qū)半徑的關(guān)系參考如下公式：

其中，對于前導(dǎo)格式0-3，N=24576，對于前導(dǎo)格式4，N=4096；

對于前導(dǎo)格式0-3，NZC=839，對于前導(dǎo)格式4，NZC=139；

TDS為最大多徑時延擴展，是小區(qū)邊緣UE對抗多徑干擾的保護；

c為光速。TS=1/2048*15K

由關(guān)系式可得出：NCS越大，所支持的小區(qū)半徑越大，但將占用更多的硬件資源。通過計算在Format3格式下，采用高速模式時僅可以支持半徑為33km小區(qū)覆蓋，不能滿足航線覆蓋要求。如果采用低速模式，小區(qū)覆蓋半徑可達100km，但此時會出現(xiàn)大時偏的情況。通過遍歷母碼表篩選合適的母碼，保證對應(yīng)的時偏較小即可滿足高速大覆蓋要求。

3.2.2 自適應(yīng)頻偏校正算法

中興通訊自主知識產(chǎn)權(quán)的自適應(yīng)頻偏校正算法，能在基帶層面實時地檢測出當(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。

具體實現(xiàn)方法是基站根據(jù)接收到的上行信號的頻偏，調(diào)整收信機接收頻率，抵消多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的上行頻率偏移；同時相應(yīng)對下行發(fā)信頻率置相同的偏移量，保證同機載LTE CPE的正常通信。

3.2.3 超級小區(qū)

針對單一航線覆蓋場景，可以采用超級小區(qū)的鏈狀組網(wǎng)如圖7所示。eNB采用1個基帶板支持1個超級小區(qū)（1個超級小區(qū)擁有1個cell id），該超級小區(qū)由兩個Cell Portion（CP）組成，分屬于同一個超級小區(qū)的2個RRU采用背靠背的方式分別支持兩個CP。上行在基帶數(shù)據(jù)處理時，合并各Cell Portion接收到的數(shù)據(jù)；下行對不同的CP加不同的時延值來進行發(fā)射，以解決在抱桿附近時（2個RRU的交疊區(qū)）下行解調(diào)性能劇烈波動的問題。

3.2.4 超級小區(qū)下ICIC

中興通訊采用動態(tài)ICIC（小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）方法，借助基站間的X2口交互相鄰基站的負載信息，根據(jù)鄰小區(qū)和本小區(qū)的負載情況來自適應(yīng)地調(diào)整邊緣可用子頻帶，從而可以自適應(yīng)地適配負載的變化，獲得更好的頻譜效率。

3.2.5 高速切換策略

飛機航速極快，高空穩(wěn)定飛行時，航速一般超過800km/h，因此對于小區(qū)交界處的切換區(qū)域大小需要特別設(shè)計和分析，使得飛機飛過切換區(qū)域的時間小于LTE切換所需時間。

4 結(jié)束語

目前，中國移動除了在成都至北京的航線上部署了4G LTE地空寬帶通信系統(tǒng)。還有京渝、京廣、京滬航線的地空寬帶通信服務(wù)也已經(jīng)完成覆蓋。隨著中興通訊4G LTE地空寬帶ATG解決方案的廣泛應(yīng)用和試運行，可以預(yù)見，近幾年內(nèi)“中國民航地空寬帶通信系統(tǒng)”將覆蓋中國各大航空公司國內(nèi)航班的所有航線，屆時將真正實現(xiàn)飛機上的互聯(lián)網(wǎng)時代。

[1] 陳繼勛. 采用 LTE-FDD 實現(xiàn)地空覆蓋[J]. 中興通訊技術(shù),2012, 16(5).

[2] 程鴻雁, 朱晨鳴, 王太峰，等. LTE FDD網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社, 2013.

[3] 中國民用航空飛行學(xué)院. 民航地空寬帶通信系統(tǒng)[R/OL].2014-05-06.

Construction solution of CAAC 4G-LTE air-ground broadband communication system

HE Yue, SU Shang-ting, YU Tao
（ZTE Corp., Shenzhen, Guangdong, China 518000）

Through the analysis of three air online models, the paper introduces the current development of the air-ground broadband communication system and describes the core technologies of the air-ground communication owned by ZTE.Considering the wireless coverage factors of civil aviation air-ground broadband communications, this paper has given the 4G-LTE aviation private network architecture design and discussed some key technical points such as PRACH design, adaptive frequency shift correction algorithm and super cell.

air-ground broadband communication; ATG; 4G-LTE

10.3969/j.issn.2095-7661.2014.02.003】

TN929.5

A

2095-7661(2014)02-0012-05

2014-04-30

何躍（1986-），男，重慶人，中興通訊教育合作中心產(chǎn)品部產(chǎn)品經(jīng)理，研究方向：光傳輸、無線通信。