LTE地面無線通信系統(tǒng)在民航通信業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研究

黎浩標(biāo)

摘 要：伴隨著民航業(yè)的高速發(fā)展，飛行流量迅猛增長，對民航業(yè)通信業(yè)務(wù)的要求也逐漸提高。在此新形勢下，行業(yè)用戶對多媒體調(diào)度、多任務(wù)并發(fā)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等實(shí)時(shí)綜合業(yè)務(wù)需求愈加強(qiáng)烈，迫切需要新一代的無線通信接入技術(shù)來滿足多媒體調(diào)度的需求。文章結(jié)合場景案例的部署情況，對LTE地面無線通信系統(tǒng)在民航通信業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：LTE；地面無線通信；民航通信；調(diào)度

1 研究背景

民用機(jī)場地面通訊發(fā)展，經(jīng)歷了兩個(gè)階段。從原始的手勢通訊指揮，過渡到電子通訊指揮。上世紀(jì)90年代，模擬集群系統(tǒng)開始興起。當(dāng)時(shí)語音集群業(yè)務(wù)已經(jīng)可以滿足通信組內(nèi)快速通信的需求，在指揮調(diào)度中發(fā)揮重要作用，90年代中期，模擬集群技術(shù)已經(jīng)在我國的軍隊(duì)、公安、交通等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。2001年，我國建設(shè)了第一張TETRA網(wǎng)絡(luò)，隨后TETRA在中國取得了很好的發(fā)展。但是，隨著社會(huì)的發(fā)展，行業(yè)用戶對多媒體調(diào)度、多任務(wù)并發(fā)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等實(shí)時(shí)綜合業(yè)務(wù)需求愈加強(qiáng)烈，迫切需要新一代的無線通信接入技術(shù)來滿足多媒體調(diào)度的需求。

2 LTE地面無線通信技術(shù)介紹

2.1 LTE地面無線通信技術(shù)概況

LTE無線通信技術(shù)英文名稱是Long Term Evolution，長期演進(jìn)技術(shù)。是基于UMTS/HSPA和EDGE/GSM的新一代的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。LTE通信技術(shù)是基于IP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是原來的GPRS核心分組網(wǎng)的替代物。同時(shí)，由于LTE的兼容特性，可以向UMTS、CDMA2000和GSM等較舊的網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)和語音的無縫切換，所以LTE也被叫做核心分組網(wǎng)演進(jìn)。LTE之所以可以提升無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)傳輸速度，主要得益于LTE借助新調(diào)制方法和新技術(shù)。LTE通信技術(shù)主要可以分為TDD和FDD兩種制式。LTE可以提供高速移動(dòng)的通信需求，得益于LTE支持廣播流和多播技術(shù)。LTE的頻譜增效是3G增強(qiáng)技術(shù)的2-3倍，因?yàn)長TE是以MIMO（多入多出技術(shù)）和OFDM（正交頻分復(fù)用技術(shù)）為基礎(chǔ)的。LTE-Advanced（LTE增強(qiáng)技術(shù)）是國際電信聯(lián)盟認(rèn)可的第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 LTE地面無線通信技術(shù)的基本架構(gòu)

LTE地面無線通信技術(shù)的結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)網(wǎng)元，演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（EPC，Evolved Packet Core）和演進(jìn)型Node B（eNode B，Evolved Node B）。LTE地面無線通信系統(tǒng)只存在分組域。其中，eNode B主要負(fù)責(zé)接入網(wǎng)，也稱作演進(jìn)型UTRAN（E-UTRAN，Evolved UTRAN）；移動(dòng)管理實(shí)體（MME，Mobility Management Entity）負(fù)責(zé)信令處理；演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（EPC，Evolved Packet Core）負(fù)責(zé)核心網(wǎng)；服務(wù)網(wǎng)管（S-GW，Serving Gateway）主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，如圖1所示。

2.3 LTE地面無線通信技術(shù)接口協(xié)議

LTE地面無線通信技術(shù)的空中接口是E-UTRAN，有以下一些基本特性：

（1）支持TD（時(shí)分雙工）和FDD（頻分雙工）通信，同時(shí)支持無線連接的時(shí)分半雙工通信。

（2）強(qiáng)化支持高速移動(dòng)的移動(dòng)通信，可以支持終端在高達(dá)

500km＼h的移動(dòng)速度下在不同頻段下使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

（3）節(jié)省電力，LTE上傳技術(shù)采用SC-FDMA，下載技術(shù)采用

OFDMA技術(shù)。

（4）延遲低，LTE地面無信通信技術(shù)支持較短的建立連接和交

接的準(zhǔn)備時(shí)間，最佳狀態(tài)下，小IP包甚至低于5ms延遲。

（5）數(shù)據(jù)傳輸速度高，在E-UTRAN技術(shù)、20Mhz頻段和4×4天線的配合下，峰值上傳速率高達(dá)75Mbit/s，峰值下載速率高達(dá)299Mbit/s。

LTE地面無線通信技術(shù)的控制平面協(xié)議：

LTE地面無線通信技術(shù)的控制平面主要負(fù)責(zé)QoS保證、最后的資源釋放、無線連接的建立、用戶無線資源的管理，見圖2：

NAS（Non-Access Stratum，非接入層）、MAC（Media Access Control，媒體接入控制子層）、RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制子層）、PDCP（Packet Date Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚子層）、RRC（Radio Resource Control，無線資源控制子層）等共同組成LTE地面無線通信技術(shù)控制平面協(xié)議棧。其中，NAS（非接入子層）和RRC（無線資源控制子層）實(shí)現(xiàn)了控制平面的主要功能。NAS（非接入層）控制協(xié)議實(shí)體主要負(fù)責(zé)非接入層的控制和管理，位于MME（移動(dòng)管理實(shí)體）和UE（終端）里。實(shí)現(xiàn)了以下功能：安全控制、產(chǎn)生LTE-IDLE狀態(tài)下的尋呼信息、鑒權(quán)和承載管理等。

3 LTE地面無線通信系統(tǒng)在民航通信業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

3.1 地面無線通信系統(tǒng)的安全性

APN專線安全接入：

APN指一種網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，決定了終端上網(wǎng)時(shí)通過哪種接入方式來訪問網(wǎng)絡(luò)。APN具體結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)走向圖如圖3所示。P-GW和單位CE（單位4G接入路由器）置入同一MPLS VPN內(nèi)，使網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)三層互通，之后P-GW和單位CE（單位4G接入路由器）之間建立GRE隧道，此時(shí)P-GW和單位CE（單位4G接入路由器）邏輯上相當(dāng)于直連。P-GW為用戶分配地址，P-GW將LTE終端地址路由到用戶接入路由器，下一跳為單位CE（單位4G接入路由器）的GRE接口，單位CE設(shè)置回指路由，下一跳為P-GW的GRE隧道口。實(shí)現(xiàn)LTE終端和用戶接入路由器的互聯(lián)互通，之后再在兩個(gè)互聯(lián)互通的IP之間實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)或者業(yè)務(wù)通過硬件級(jí)的IPSEC加密。（此部署根據(jù)情況自行配置）

3.2 地面無線通信系統(tǒng)在安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.2.1 地面多媒體調(diào)度應(yīng)用方案概述

此方案為基于LTE無線通信系統(tǒng)部署的調(diào)度平臺(tái)。如圖4所示，核心機(jī)房部署有調(diào)度平臺(tái)服務(wù)器、交換機(jī)，運(yùn)營商路由器。用戶手中的LTE終端通過運(yùn)營商的LTE網(wǎng)絡(luò)與核心機(jī)房的服務(wù)器進(jìn)行通信，服務(wù)器建立地域A與地域B之間的通信鏈路，地域A與地域B之間進(jìn)而建立通信。出于安全性的考慮，機(jī)房與用戶之間的通信還可以通過APN專線進(jìn)行安全通信。核心機(jī)房集中對地域A以及地域B的用戶進(jìn)行管理，地域A與地域B的通信數(shù)據(jù)保存在核心機(jī)房服務(wù)器上。

由此可見，基于LTE地面無線通信調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

（1）終端功能多樣化，智能化、IP化。地面調(diào)度不僅有語音功能，而且還可以滿足新形勢下的新業(yè)務(wù)需要，語音調(diào)度、視頻調(diào)度以及數(shù)據(jù)傳輸可以同時(shí)進(jìn)行；

（2）可以實(shí)現(xiàn)終端加密和空中加密，通過通訊審計(jì)，將語音、視頻保存在核心機(jī)房。杜絕無法審計(jì)或?qū)徲?jì)無法朔源的情況發(fā)生；

（3）可通信范圍更加廣闊，只要有運(yùn)營商信號(hào)的地方就可以進(jìn)行通信，目前運(yùn)營商的信號(hào)覆蓋已經(jīng)相當(dāng)廣泛；

（4）可拓展性強(qiáng)，除了多媒體調(diào)度應(yīng)用之外，核心服務(wù)器還可以開發(fā)其他相關(guān)應(yīng)用供用戶使用。

3.2.2 系統(tǒng)健壯性

處于系統(tǒng)健壯性方面的考慮，在核心機(jī)房，可以部署冗余備份。例如，雙服務(wù)器熱備份，同時(shí)部署兩臺(tái)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)高可用性。與此同時(shí)，對于運(yùn)營商的選擇，可以同時(shí)選擇兩家運(yùn)營商互為鏈路備份保障，從而保障系統(tǒng)可以安全可靠運(yùn)行。

4 總體評(píng)價(jià)

綜合以上所述，可以得出：LTE地面無線通信系統(tǒng)在民航地面調(diào)度中起到重要作用。LTE地面無線通信系統(tǒng)通過LTE無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，APN專線專用，全程加密，全面審計(jì)，核心機(jī)房記錄所有語音、視頻，規(guī)范生產(chǎn)過程。由于LTE地面無線通信系統(tǒng)可拓展性強(qiáng)，除了多媒體調(diào)度應(yīng)用外，還可以開發(fā)其他相關(guān)應(yīng)用供用戶使用，應(yīng)用前景樂觀。