FDD-LTE在民航地空通信項(xiàng)目中的應(yīng)用

解偉，秘俊杰（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司, 石家莊 050050）

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FDD-LTE在民航地空通信項(xiàng)目中的應(yīng)用

解偉，秘俊杰
（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司, 石家莊 050050）

摘 要基于FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的地空覆蓋實(shí)驗(yàn)，并完成了試飛相關(guān)工作，通過對飛機(jī)航路進(jìn)行地對空無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。對FDD-LTE地空系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，給出了FDD-LTE地空通信方案。從工程實(shí)施角度，提出了民航與運(yùn)營商的分工界面。最后，對比了目前主設(shè)備性能參數(shù)并給出了應(yīng)用建議。系統(tǒng)的覆蓋能力與FDD-LTE系統(tǒng)進(jìn)行對比，闡明FDD-LTE系統(tǒng)與WCDMA系統(tǒng)共站建設(shè)存在的覆蓋問題，提出共站部署建議。

關(guān)鍵詞FDD-LTE；WLAN；地空通信；民航

早在2005年，歐洲空中客車推出了全球首個客艙“無線（Wi-Fi）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，其借助“全球星”衛(wèi)星通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高空上網(wǎng)。2007年，全球首個基于CDMA技術(shù)的地空寬帶系統(tǒng)也隨之問世，其借助于地面基站信號覆蓋高空航線，從而給飛行中的飛機(jī)提供CDMA EV-DO無線接入數(shù)據(jù)帶寬，以實(shí)現(xiàn)高空上網(wǎng)。隨著LTE網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和商用，在高空中進(jìn)行話音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成為可能。此外，F(xiàn)DD-LTE地空通信較衛(wèi)星通信具有網(wǎng)速快，接入時延小、費(fèi)用低等特點(diǎn)，越來越成為社會廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。

FDD-LTE地空通信系統(tǒng)，采用定制的移動通信收發(fā)設(shè)備，沿飛行航路或特定空域建設(shè)地面基站，對高空進(jìn)行覆蓋。在航班上，通過信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置，將LTE信號轉(zhuǎn)換為Wi-Fi信號，進(jìn)而乘客能夠享受高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

1 地空通信系統(tǒng)技術(shù)分析

1.1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

對比2G/3G網(wǎng)絡(luò)，LTE具有更多的技術(shù)優(yōu)勢，可以提供高清話音和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。采用OFDM技術(shù)，LTE系統(tǒng)帶寬可擴(kuò)展性強(qiáng)、高頻譜效率以及抗多徑衰落等優(yōu)點(diǎn)。與MIMO技術(shù)的搭配使用，能夠大幅度地提高系統(tǒng)容量、獲得相當(dāng)高的頻譜利用率，從而可以獲得更高的數(shù)據(jù)率以及更大的系統(tǒng)覆蓋范圍。LTE Release 8上、下行目標(biāo)速率分別可以達(dá)到100 Mbit/s 和50 Mbit/s。

TD-LTE與FDD-LTE本質(zhì)上共用一套標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)，在物理層和業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)上存在一定差別。考慮雙工方式及特點(diǎn)， FDD-LTE的工作模式采用的是連續(xù)控制，更適合廣域覆蓋，適用于國家和國際間覆蓋漫游。而TD-LTE采用的工作模式是時間分割控制，節(jié)省頻率資源，適用于城市間高密度地區(qū)的局部覆蓋或熱點(diǎn)覆蓋。FDD-LTE具有速率高，基站覆蓋更廣，同步要求較低等特點(diǎn)，更適合用于民航地空通信的廣域覆蓋。

民航地空通信場景下，飛機(jī)在萬米高空高速飛行，一般時速超過1 000 km/h，面臨特定條件下LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋和接入問題，同時還需考慮多普頻偏問題以及地面基站信息高速切換等難題。為了更好的實(shí)現(xiàn)FDD-LTE民航地空通信，一直是航空公司、主設(shè)備提供商，電信運(yùn)營商奮斗的目標(biāo)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

民航地空項(xiàng)目由地面網(wǎng)絡(luò)和空中網(wǎng)絡(luò)兩大部分組成。

地面網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)民航航線規(guī)劃選址建設(shè)地面LTE基站（eNode B），并配套建設(shè)傳輸網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)（EPC）、網(wǎng)管平臺和業(yè)務(wù)平臺。

空中網(wǎng)絡(luò)：采用定制CPE設(shè)備與地面LTE基站通信，為機(jī)載網(wǎng)絡(luò)提供移動寬帶回傳鏈路；機(jī)載網(wǎng)絡(luò)采用Wi-Fi技術(shù)為用戶終端/行業(yè)終端提供無線寬帶服務(wù)。如圖1所示，為地空通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 地空通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.3 民航地空系統(tǒng)面臨的問題

一般而言，飛機(jī)采用特殊的航空材料建造而成，且具有較高封閉性，會對無線信號有較大的吸收，穿透損耗較高。因此，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮穿透損耗，達(dá)到通信網(wǎng)絡(luò)性能要求。

飛機(jī)在高空場景下高速飛行，短時間內(nèi)通過多個覆蓋小區(qū)，終端需要在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行多個處理過程，如小區(qū)選擇、尋呼、重選、切換、位置更新等。終端高速移動無線信號頻繁變化，將導(dǎo)致多普勒頻偏問題，進(jìn)而造成多個OFDM子載波間的相互干擾，影響信號解調(diào)性能。同時，終端在短時間內(nèi)通過多個覆蓋小區(qū)，將帶來小區(qū)頻繁切換問題，造成小區(qū)處理過程惡化等問題，也將影響通信網(wǎng)絡(luò)性能。

對于FDD-LTE 地空通信存在的問題，需要通過良好的規(guī)劃設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，才能提供良好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2 地空通信系統(tǒng)應(yīng)用方案

作為新一代特殊場景通信系統(tǒng)，F(xiàn)DD-LTE地空通信系統(tǒng)需要良好的規(guī)劃設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)才能事半功倍，以實(shí)現(xiàn)良好的網(wǎng)絡(luò)性能和用戶感知。

2.1 民航與運(yùn)營商的分工界面

地空通信項(xiàng)目地面網(wǎng)絡(luò)主要包括3大部分內(nèi)容：基站、傳輸和核心網(wǎng)。而基站設(shè)備包括天線、RRU、BBU、饋線等。

按照雙方約定的合作方式，建議工程分工界面如下。

2.1.1 運(yùn)營商部分

（1）實(shí)施工作：負(fù)責(zé)天線、RRU的安裝，負(fù)責(zé)饋線、電源線、傳輸?shù)牟挤?，所有線路布放到BBU所在位置，并按需求預(yù)留接口，負(fù)責(zé)輔料（抱箍、線卡等）提供。

（2）維護(hù)工作：負(fù)責(zé)機(jī)房環(huán)境（溫度、適度、清潔度）、傳輸線路、供電系統(tǒng)維護(hù)，負(fù)責(zé)機(jī)房安全工作。負(fù)責(zé)天饋系統(tǒng)（天線、BBU、饋線）的更換施工。

2.1.2 航通公司部分

（1）設(shè)備提供：LTE天饋系統(tǒng)（天線、抱桿、饋線、RRU）、BBU設(shè)備及配套的光纜、電源線、系統(tǒng)內(nèi)部連接線、機(jī)柜等，以及核心網(wǎng)相關(guān)設(shè)備。

（2）實(shí)施工作：負(fù)責(zé)BBU安裝（包括BBU的避雷器件）、核心網(wǎng)建設(shè)，負(fù)責(zé)指導(dǎo)天饋系統(tǒng)安裝，負(fù)責(zé)基站系統(tǒng)（天線、BBU、RRU及連接線）調(diào)測及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

（3）維護(hù)工作：負(fù)責(zé)LTE天饋系統(tǒng)和BBU、核心網(wǎng)的維護(hù)工作（包括故障檢測定位、備品備件提供）更換。原則上和施工界面一致。

2.2 基站選址

為確保覆蓋效果，推薦小區(qū)覆蓋半徑不超過100 km；推薦站間距離不超過160 km。建議地面基站高度不低于50 m，且基站周圍無遮擋物，鐵塔站或樓面站，周圍100 km的范圍內(nèi)沒有遮擋物?；具x址時滿足凈空要求，假設(shè)飛機(jī)飛行高度8 km，基站高度為0 m，基站覆蓋半徑100 km，凈空范圍要求計(jì)算公式為：

Y=TAN(5)×X

根據(jù)航路特點(diǎn)，在基點(diǎn)10 km范圍，按照選址原則選擇3個備選基站。每兩個點(diǎn)的距離在160 km以內(nèi)，如圖2所示，為地空通信基站選取示意圖。

圖2 地空通信站址選取圖

需要有配套設(shè)施，盡量有機(jī)房或一體化機(jī)柜的安裝位置。具備本次設(shè)備所需的220 V（3 kW）供電能力，斷電時間累計(jì)不超過2 h，或蓄電池供電時間不少于4 h；傳輸系統(tǒng)有環(huán)網(wǎng)或1+1保護(hù)，且傳輸設(shè)備有富余40 Mbit/s MSTP接入端口。

2.3 頻率選擇及基站配置

基于FDD-LTE組網(wǎng)的地空通信系統(tǒng)最大允許的路徑損耗。航空移動業(yè)務(wù)的專用頻譜為960～1 164 MHz，目前民航暫定的工作頻段為上行(空對地) 964.5～969.5 MHz，下行(地對空) 1 037.5～1 042.5 MHz，則采用5 MHz的FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)制式組網(wǎng)。采用O1配置。

2.4 天饋線選擇

地面基站可選用全向天線或者多面定向天線，但需注意覆蓋的連續(xù)性和有效性。根據(jù)航路特點(diǎn)，選取高增益天線組成碗狀按照一定上傾角度對航路進(jìn)行覆蓋，BBU-RRU間采用光纖連接減少路徑損耗。

3 主設(shè)備方案

采用BBU-RRU形式，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。對于基帶處理單元（BBU），與傳統(tǒng)BBU區(qū)別不大。如表1所示，某設(shè)備廠家應(yīng)用情況，其中上行傳輸口分為電口（接口名eth0，接頭為RJ45水晶頭）和光口（接口名TX/ RX，接頭為LC），兩個接口選用一個，效果是相同的，具體用哪一個根據(jù)合同和用戶提供的上行設(shè)備來定。

表1 BBU設(shè)備

對于遠(yuǎn)端射頻單元（RRU），對比傳統(tǒng)RRU，需要較大的設(shè)備功率，以滿足高空通信要求，如表2所示。天線參數(shù)如表3所示。

表2 RRU設(shè)備參數(shù)

同時，基站需要有配套建設(shè)，需要機(jī)房、電源、傳輸?shù)扰涮自O(shè)備。對于機(jī)房受限的基站，可采用室外一體柜放置設(shè)備：BBU、電源燈可安裝在機(jī)柜內(nèi)。

FDD-LTE地空通信網(wǎng)絡(luò)，讓高空上網(wǎng)應(yīng)用真正變?yōu)榭赡?。?jīng)過北京至成都地面基站通信系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了兩地間高空通信。經(jīng)測試，兩架航班與北京、成都兩地的國航運(yùn)行控制中心共同召開四方實(shí)時空地視頻會議，整個視頻過程圖像分明，聲音清晰，傳輸順暢，與日常地面寬帶上網(wǎng)體驗(yàn)并無差異——這是中國航空業(yè)發(fā)展又一次歷史性突破，也標(biāo)志著我國民航真正步入空地一體寬帶互聯(lián)網(wǎng)時代！

通過測試軟件現(xiàn)場測試，國航所提供的高空上網(wǎng)速度下行可達(dá)9.3 Mbit/s，上行也可達(dá)1.52 Mbit/s，這一表現(xiàn)甚至超越了目前普通家庭ADSL寬帶（4 Mbit/s）的上網(wǎng)速度，能夠進(jìn)行多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。而CDMA EV-DO技術(shù)提供高空通信網(wǎng)絡(luò)，只能進(jìn)行數(shù)據(jù)速率要求較低的小分組業(yè)務(wù)，對于數(shù)據(jù)速率要求較高的業(yè)務(wù)，不能提供良好的用戶感知。

表3 天線參數(shù)　

4 展望

通過上述介紹我們不難發(fā)現(xiàn)，基于創(chuàng)新的ATG(Air to Ground，地面基站方式)地空寬帶通信技術(shù)，使得我國民航在高空上網(wǎng)體驗(yàn)方面已經(jīng)達(dá)到全球領(lǐng)先水平。然而不得不說的是，我國民航的高空上網(wǎng)服務(wù)仍處于起步階段，目前基于ATG技術(shù)也僅僅打造了一條航線（北京-成都），相比成熟的市場（如美國市場），在普及程度方面仍有較大差距，因此也就不能稱之為真正的領(lǐng)先。但相信在相關(guān)部門、企業(yè)、機(jī)構(gòu)的聯(lián)合努力下，必將加大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度、完善技術(shù)、從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的互聯(lián)網(wǎng)覆蓋，讓越來越多的旅客能夠享受更好、更出色的高空上網(wǎng)服務(wù)。

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Application of FDD-LTE in civil air defense communications in the project

XIE Wei, BI Jun-jie
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Shijiazhuang 050050, China)

AbstractDD-LTE network coverage based on ground experiments, and completed the test related work, through the route of ground to air radio network coverage. It analysis FDD-LTE technical characteristics of ground-air system, presents the space communications program. From a project perspective, proposes civil aviation Division of interface with the operator. Finally, the main performance parameters are compared and gives the suggestions on FDD-LTE deployment .

KeywordsFDD-LTE; WLAN; air ground communication; civil aviation

中圖分類號TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1008-5599（2016）04-0086-04

收稿日期：2016-01-27