航空宽带通信无线信号接入技术

王莉莉，孙晨赫

（中国民航大学空中交通管理学院，天津300300）

航空宽带通信无线信号接入技术

王莉莉，孙晨赫

（中国民航大学空中交通管理学院，天津300300）

主要研究航空无线宽带通信系统的无线网络信号覆盖（无线接入网）问题。提出了三种无线信号覆盖模型：地面基站信号覆盖模型、卫星中继信号覆盖模型、高空平台通信系统（HAPS）覆盖模型。然后从建设成本、技术难点、覆盖效果等角度综合分析了各个模型的优缺点。最后得到以下结论及建议：地面基站信号覆盖模型技术成熟，但是建设成本高，比较适合机场及繁忙的航线航路；卫星中继信号覆盖模型建设成本低廉，但是传输数据速率低，难以满足宽带通信要求，这种模型比较适合跨洋航线、非繁忙航线以及临时航线；HAPS（高空平台通信系统）模型覆盖范围广、工程造价低，但是技术不够成熟，因此可以作为未来航空宽带通信信号覆盖技术的选择。

航空宽带通信；无线宽带信号覆盖（接入网）；高空平台通信系统（HAPS）

近年来，中国的民航运输业旅客吞吐量以两位数的速度增长，2005年航空客流量已位居世界第二位。在当今信息爆炸的时代，如果没有网络通信服务，机上乘客会感到十分烦闷和不方便。一些发达国家和地区已经或正在引入航空宽带通信服务，2009年美国航空公司已向乘坐国内长途航班的旅客提供互联网接入服务，欧盟委员会2008年4月，允许乘客在欧盟境内飞行途中打手机、发短信。

目前，中国民航局也在积极推进“民用航空移动通信系统”的应用。从技术上来说航空宽带通信的问题难点是航空无线宽带通信信号的覆盖（即航空无线宽带接入网）问题。解决了无线信号覆盖问题，就能打通航空宽带通信的最难环节。本文主要从工程实现的角度提出了3种航空无线宽带通信信号覆盖网络（接入网）模型，并对各种模型进行比较分析，最后得出了各个模型的适应环境。

1 航空宽带通信网络架构

航空宽带通信网络系统以目前的航空电信网（ATN）为主体框架，通过组建新型的航路无线通信网络（或称为新型的航路无线接入网），实现航空宽带通信接入服务。新型的航空宽带通信网络由地面主干通信网、空—空通信链路、地—空通信链路、卫星通信链路、新型的航空宽带信号覆盖（接入）网组成（aviation access network）。航空宽带通信网（ATN）能提供诸如空中交通管理、航空旅客通信、航空运行控制、卫星电话等服务。

航空宽带通信，是宽带通信服务在民航业的一种运用。航空宽带通信按信号传输方式可分为2种：航空有线宽带通信、航空无线宽带通信。其中，有线通信的发展经历了金属导线传输到光纤传输的演进，现阶段ATN网络有线部分的数据传输可运用光纤网络进行传输，它可满足大容量、高速度宽带通信的要求。

在通信领域，无线通信技术的发展最为迅速与繁荣。短短30年的时间经历了大哥大（模拟移动通信）、蜂窝电话（2G）、3G乃至到LTE的跨越式发展。然而，直到3G技术的推广运用，人们才真正地进入了无线宽带通信时代。无线宽带技术标准可以分为：WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、Wi-Fi、Wimax、LTE等，其均采用IEEE 802.16（无线宽带接入标准）技术。因此，航空宽带通信网络无线部分的通信信号覆盖网络（接入网）也可采用各种3G、4G无线接入技术标准。下面将主要介绍3种航空无线宽带信号覆盖网络模型。

图1 航空宽带通信系统网络结构Fig.1Aviation broadband communication system network structure

2 航空无线宽带信号覆盖网络技术模型

无线信号覆盖问题是制约航空宽带通信的首要难题。随着通信技术的发展，这个问题已经能得到妥善解决。目前主要采用以下3种技术模型。

2.1 基于地面基站无线信号覆盖网络模型

2.1.1 模型概述

这种信号覆盖模型借鉴了铁路沿线无线宽带接入网的建设经验，在主要航线航路下方建设基站，通过基站天线发射无线信号覆盖航线航路，为这条航线上的航班提供无线宽带服务。

2.1.2 优缺点分析

优点：这种方法能很好地解决无线信号覆盖问题。缺点：花费较大，经济效益不高。以北京到上海的航线为例，如图2所示。

图2 基于地面基站无线航空宽带通信信号覆盖系统Fig.2Based on base station aviation communication coverage system

航线长度为1 100 km，基站的辐射长度为5 km，每个基站的造价成本为100万元。经过简单的计算得到：需要建设220个基站；需要建设基站的资金为2.2亿人民币。这其中还不包括基站间的通信线路、RNC（无线网络接入控制器）以及OMC-R（操作维护中心）的建设费用，把这几项费用加起来保守估计需要7～8亿人民币。

2.2 卫星中继无线信号覆盖网络模型

2.2.1 模型概述

这种航空无线宽带覆盖网络模型以移动卫星为中继点，通过空—空、空—地数据链传输无线宽带通信数据，如图3所示。

图3 移动卫星中继航空无线宽带通信系统Fig.3Based on mobile safellite relay aviation communication coverage system

这种航空无线宽带通信覆盖（接入）网络建设比较简单，只需在飞机上安装小型室内分布接入网络。信号的具体传输流程如图4所示。

2.2.2 优缺点分析

优点：网络升级建设成本低。例如：每架飞机的室分网络建设费用在100万人民币左右，国内大概有3 000架航班，经过简单计算总的室分网络建设费用大概在30亿人民币。

缺点：信号传输成本高、带宽低、信号时延大；难以满足宽带通信要求。

现阶段中国空—地数据链路的传输速度基本在10 M的级别。这种速度难以满足航空宽带通信的要求。另外，卫星距离地面遥远、易受太空电磁环境影响，极易造成信号延迟、干扰及损耗。最后，飞机室分航空无线宽带接入网络需要耗费机载电源，这无疑大大增加了昂贵的飞行成本。

图4 信号传输流程Fig.4Signal transmission process

2.3 高空平台通信系统网络（HAPS）模型

2.3.1 模型概述

根据国际电联ITU（S1.66A）的定义，高空平台站（high altitude platform stations，HAPS）是“一个位于20～50 km高空、相对地球保持准静止的信号站”。高度在20～50 km的大气层属于平流层，因而有时把高空平台通信系统叫做平流层通信系统（stratospheric communication systems，SCS）。

HAPS（高空平台通信系统）布置于平流层和对流层顶部（其高度随纬度而不同）之间，距地面约50 km的大气层中。这里空气稀薄，空气密度约为海平面空气密度的百分之几，浮力很小，但气流比较稳定，风切变比较小，是比较理想的布置高空悬停通信平台的空域。

在技术上高空平台通信系统（HAPS）要满足以下条件。首先，HAPS自备用于平衡平流层风力的推进器，以保持其位置的固定；其次，应自备能源系统，特别是所载通信设备所需的能源系统，使HAPS系统能满足长时间工作的要求；此外，还应有良好的检测控制系统，使HAPS能保持其位姿固定，并可以灵活、简单地放飞及回收。

HAPS分重于空气和轻于空气2大类。

1）HTA平台

即重于空气的、需要借助外加动力悬浮于高空的通信平台。此类平台其实就是飞机或直升机。例如，现在中国军队大量装备的“空-2000、空-200”就属于这一类。此类平台可以用来从事军事通信、收集情报、空中作战指挥等。同样也可以把这类空中通信平台移植于航空无线宽带通信，让它为航空宽带通信服务。例如，近年来美国Lora公司研制了一种名为Halo的飞机，用于航空通信服务。飞机在其通信覆盖区域上空约16～19 km高度的空域作圆周飞行，每架Halo飞机可以工作8 h，3架飞机轮流交替工作，以保证24 h昼夜无间断通信。

2）LTA平台

轻于空气（LTA）的平台，是以热气球或充氦飞艇为载体的通信平台。使用热气球或飞艇搭载无线信号覆盖网络（接入网）设备，也可以从事航空无线宽带通信服务。但气球和飞艇易随风飘流，如果能设法使其在平流层中固定位置较长时间悬停（或按一定规律巡航），将是较为理想的通信平台载荷工具。1937年“兴登堡”号飞艇爆炸事故，使有关LTA飞艇应用研究受到严重挫折。近年来，随着科学技术的进步，有关LTA平台的基础研究工作又取得很大进展，并解决了很多理论和技术难题，如能源、材料、大气物理等问题。使这种轻型通信平台又呈现出良好的发展前景，如图5所示。

图5 基于HAPS技术航空无线宽带通信系统示意图Fig.5Based on HAPS aviation communication corerage system

2.3.2 优缺点分析

优点：高空平台通信系统的信号覆盖范围广、信号传输损耗小，一个HAPS平台就能覆盖很大的范围。这样只需在高空建设若干个HAPS平台就可以覆盖整个航路。除此之外，HAPS平台建设成本也很低。特别是LTA平台，只需借助空气浮力就可悬浮于高空中，而不需要外加动力。

缺点：首先，高空平台位置很难保持固定。其次，高空平台携带的设备重量有一定的限制，不能携带足够的信号处理设备，仅能作为信号转发中继站。最后，HAPS平台的能源供给尚未得到很好的解决。

2.4 比较及建议

如表1所示，基于地面基站无线信号覆盖网络模型的技术最成熟。借助地面无线宽带通信的成熟技术（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、TLE等），能提供2～155 Mb的上行、下行（HSPA）宽带接入速度。但是工程造价高，难以覆盖所有航路。

表13 种模型比较Tab.1Comparison between three models

基于卫星中继无线信号覆盖网络模型需要的投资最小。但是卫星—地面站数据链路传输速度目前仅能达到10 Mb/s，难以满足航空宽带通信的商用要求。而且，星—地数据链路传输信号时延大、损耗强。所以说，卫星中继无线信号覆盖网络模型难以满足航空宽带通信的要求。

高空平台通信（HAPS）系统覆盖网络模型的无线信号覆盖范围广、信号时延小、功率损耗低，并且工程造价成本低。但是HAPS技术不成熟，尚达不到实用要求。

3 结语

综上所述，在以上3种无线通信信号覆盖网络模型中，地面基站信号覆盖网络模型的技术成熟，适应于机场以及繁忙的航线航路。卫星中继信号覆盖网络模型不需要建设地面站，比较适合无法建设地面基站的跨洋航线、非繁忙航线以及临时航线。HAPS（高空通信平台）网络模型在信号质量、成本上有着先天的优势，因此可以作为未来航空通信信号覆盖技术的选择。

[1]郭梯云，杨家玮，李建，等.数字移动通信[M].北京：人民邮电出版社，2001.

[2]张贤达，保铮.通信信号处理[M].北京：国防工业出版社，2000.

[3]SAYEED A M，AAZHANG B.Joint multipath-Doppler diversit y in mobile wireless communications[J].IEEE Trans on Commun，1999，47 （1）：123-132.

[4]许广明，陈颖，陈吉忠.一种适合突发数字通信的快速载波频偏估计算法[J].电讯技术，2003，43（5）：74-77.

[5]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2006.

（责任编辑：黄月）

Aviation wide-band communication wireless signal access technology

WANG Li-li，SUN Chen-he
（College of Air Traffic Management，CAUC，Tianjin 300300，China）

To study the aviation wireless broadband communication system wireless network signal coverage(radio access network)problem,three wireless signal coverage models are put forward:base station aviation communication coverage model,satellite relay aviation communication coverage model and HAPS aviation communication coverage model.The above three models are compared and analyzed fromthe aspectsof construction cost,technical difficulties and covering effect.The following conclusion suggests that:base station aviation communication coverage model is mature but with high construction cost,mainly suitable for airport and busy route;satellite relay aviation communication coverage model is cheaper but with low data transmission rate,accordingly incapable to meet the requirement of broadband communication and suitable for transoceanic route,off-peak route and temporary route;HAPS covers a widest range with lower cost,but this technology is not mature enough,which can be applied in future aviation broadband communication signal covering technology.

aviation broadband communication；wireless network signal coverage radio access network；HAPS

V355

A

1674-5590（2013）03-0019-04

2012-05-04；

2012-08-20

国家自然科学基金项目（61179042）；中央高校基本科研业务费专项（ZXH2012L005）

王莉莉（1973—），女，陕西兴平人，副教授，博士，研究方向为空中交通管理、人为因素分析.