FDD-LTE在民航地空通信项目中的应用

解伟，秘俊杰（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司, 石家庄 050050）



FDD-LTE在民航地空通信项目中的应用

解伟，秘俊杰
（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司, 石家庄 050050）

摘 要基于FDD-LTE网络的地空覆盖实验，并完成了试飞相关工作，通过对飞机航路进行地对空无线网络覆盖。对FDD-LTE地空系统的技术特点进行分析，给出了FDD-LTE地空通信方案。从工程实施角度，提出了民航与运营商的分工界面。最后，对比了目前主设备性能参数并给出了应用建议。系统的覆盖能力与FDD-LTE系统进行对比，阐明FDD-LTE系统与WCDMA系统共站建设存在的覆盖问题，提出共站部署建议。

关键词FDD-LTE；WLAN；地空通信；民航

早在2005年，欧洲空中客车推出了全球首个客舱“无线（Wi-Fi）网络系统”，其借助“全球星”卫星通信系统，实现了高空上网。2007年，全球首个基于CDMA技术的地空宽带系统也随之问世，其借助于地面基站信号覆盖高空航线，从而给飞行中的飞机提供CDMA EV-DO无线接入数据带宽，以实现高空上网。随着LTE网络的出现和商用，在高空中进行话音和高速数据业务成为可能。此外，FDD-LTE地空通信较卫星通信具有网速快，接入时延小、费用低等特点，越来越成为社会广泛关注的热点。

FDD-LTE地空通信系统，采用定制的移动通信收发设备，沿飞行航路或特定空域建设地面基站，对高空进行覆盖。在航班上，通过信号转发装置，将LTE信号转换为Wi-Fi信号，进而乘客能够享受高速的数据业务。

1 地空通信系统技术分析

1.1 网络技术分析

对比2G/3G网络，LTE具有更多的技术优势，可以提供高清话音和高速数据业务。采用OFDM技术，LTE系统带宽可扩展性强、高频谱效率以及抗多径衰落等优点。与MIMO技术的搭配使用，能够大幅度地提高系统容量、获得相当高的频谱利用率，从而可以获得更高的数据率以及更大的系统覆盖范围。LTE Release 8上、下行目标速率分别可以达到100 Mbit/s 和50 Mbit/s。

TD-LTE与FDD-LTE本质上共用一套标准基础，在物理层和业务实现上存在一定差别。考虑双工方式及特点， FDD-LTE的工作模式采用的是连续控制，更适合广域覆盖，适用于国家和国际间覆盖漫游。而TD-LTE采用的工作模式是时间分割控制，节省频率资源，适用于城市间高密度地区的局部覆盖或热点覆盖。FDD-LTE具有速率高，基站覆盖更广，同步要求较低等特点，更适合用于民航地空通信的广域覆盖。

民航地空通信场景下，飞机在万米高空高速飞行，一般时速超过1 000 km/h，面临特定条件下LTE网络覆盖和接入问题，同时还需考虑多普频偏问题以及地面基站信息高速切换等难题。为了更好的实现FDD-LTE民航地空通信，一直是航空公司、主设备提供商，电信运营商奋斗的目标。

1.2 网络结构分析

民航地空项目由地面网络和空中网络两大部分组成。

地面网络：根据民航航线规划选址建设地面LTE基站（eNode B），并配套建设传输网络、核心网（EPC）、网管平台和业务平台。

空中网络：采用定制CPE设备与地面LTE基站通信，为机载网络提供移动宽带回传链路；机载网络采用Wi-Fi技术为用户终端/行业终端提供无线宽带服务。如图1所示，为地空通信网络结构图。

图1 地空通信网络结构图

1.3 民航地空系统面临的问题

一般而言，飞机采用特殊的航空材料建造而成，且具有较高封闭性，会对无线信号有较大的吸收，穿透损耗较高。因此，在网络设计中需重点考虑穿透损耗，达到通信网络性能要求。

飞机在高空场景下高速飞行，短时间内通过多个覆盖小区，终端需要在网络中进行多个处理过程，如小区选择、寻呼、重选、切换、位置更新等。终端高速移动无线信号频繁变化，将导致多普勒频偏问题，进而造成多个OFDM子载波间的相互干扰，影响信号解调性能。同时，终端在短时间内通过多个覆盖小区，将带来小区频繁切换问题，造成小区处理过程恶化等问题，也将影响通信网络性能。

对于FDD-LTE 地空通信存在的问题，需要通过良好的规划设计和网络建设，才能提供良好的网络质量。

2 地空通信系统应用方案

作为新一代特殊场景通信系统，FDD-LTE地空通信系统需要良好的规划设计，网络建设才能事半功倍，以实现良好的网络性能和用户感知。

2.1 民航与运营商的分工界面

地空通信项目地面网络主要包括3大部分内容：基站、传输和核心网。而基站设备包括天线、RRU、BBU、馈线等。

按照双方约定的合作方式，建议工程分工界面如下。

2.1.1 运营商部分

（1）实施工作：负责天线、RRU的安装，负责馈线、电源线、传输的布放，所有线路布放到BBU所在位置，并按需求预留接口，负责辅料（抱箍、线卡等）提供。

（2）维护工作：负责机房环境（温度、适度、清洁度）、传输线路、供电系统维护，负责机房安全工作。负责天馈系统（天线、BBU、馈线）的更换施工。

2.1.2 航通公司部分

（1）设备提供：LTE天馈系统（天线、抱杆、馈线、RRU）、BBU设备及配套的光缆、电源线、系统内部连接线、机柜等，以及核心网相关设备。

（2）实施工作：负责BBU安装（包括BBU的避雷器件）、核心网建设，负责指导天馈系统安装，负责基站系统（天线、BBU、RRU及连接线）调测及系统联调。

（3）维护工作：负责LTE天馈系统和BBU、核心网的维护工作（包括故障检测定位、备品备件提供）更换。原则上和施工界面一致。

2.2 基站选址

为确保覆盖效果，推荐小区覆盖半径不超过100 km；推荐站间距离不超过160 km。建议地面基站高度不低于50 m，且基站周围无遮挡物，铁塔站或楼面站，周围100 km的范围内没有遮挡物。基站选址时满足净空要求，假设飞机飞行高度8 km，基站高度为0 m，基站覆盖半径100 km，净空范围要求计算公式为：

Y=TAN(5)×X

根据航路特点，在基点10 km范围，按照选址原则选择3个备选基站。每两个点的距离在160 km以内，如图2所示，为地空通信基站选取示意图。

图2 地空通信站址选取图

需要有配套设施，尽量有机房或一体化机柜的安装位置。具备本次设备所需的220 V（3 kW）供电能力，断电时间累计不超过2 h，或蓄电池供电时间不少于4 h；传输系统有环网或1+1保护，且传输设备有富余40 Mbit/s MSTP接入端口。

2.3 频率选择及基站配置

基于FDD-LTE组网的地空通信系统最大允许的路径损耗。航空移动业务的专用频谱为960～1 164 MHz，目前民航暂定的工作频段为上行(空对地) 964.5～969.5 MHz，下行(地对空) 1 037.5～1 042.5 MHz，则采用5 MHz的FDD-LTE网络制式组网。采用O1配置。

2.4 天馈线选择

地面基站可选用全向天线或者多面定向天线，但需注意覆盖的连续性和有效性。根据航路特点，选取高增益天线组成碗状按照一定上倾角度对航路进行覆盖，BBU-RRU间采用光纤连接减少路径损耗。

3 主设备方案

采用BBU-RRU形式，进行网络建设。对于基带处理单元（BBU），与传统BBU区别不大。如表1所示，某设备厂家应用情况，其中上行传输口分为电口（接口名eth0，接头为RJ45水晶头）和光口（接口名TX/ RX，接头为LC），两个接口选用一个，效果是相同的，具体用哪一个根据合同和用户提供的上行设备来定。

表1 BBU设备

对于远端射频单元（RRU），对比传统RRU，需要较大的设备功率，以满足高空通信要求，如表2所示。天线参数如表3所示。

表2 RRU设备参数

同时，基站需要有配套建设，需要机房、电源、传输等配套设备。对于机房受限的基站，可采用室外一体柜放置设备：BBU、电源灯可安装在机柜内。

FDD-LTE地空通信网络，让高空上网应用真正变为可能。经过北京至成都地面基站通信系统的建设，实现了两地间高空通信。经测试，两架航班与北京、成都两地的国航运行控制中心共同召开四方实时空地视频会议，整个视频过程图像分明，声音清晰，传输顺畅，与日常地面宽带上网体验并无差异——这是中国航空业发展又一次历史性突破，也标志着我国民航真正步入空地一体宽带互联网时代！

通过测试软件现场测试，国航所提供的高空上网速度下行可达9.3 Mbit/s，上行也可达1.52 Mbit/s，这一表现甚至超越了目前普通家庭ADSL宽带（4 Mbit/s）的上网速度，能够进行多种数据业务。而CDMA EV-DO技术提供高空通信网络，只能进行数据速率要求较低的小分组业务，对于数据速率要求较高的业务，不能提供良好的用户感知。

表3 天线参数　

4 展望

通过上述介绍我们不难发现，基于创新的ATG(Air to Ground，地面基站方式)地空宽带通信技术，使得我国民航在高空上网体验方面已经达到全球领先水平。然而不得不说的是，我国民航的高空上网服务仍处于起步阶段，目前基于ATG技术也仅仅打造了一条航线（北京-成都），相比成熟的市场（如美国市场），在普及程度方面仍有较大差距，因此也就不能称之为真正的领先。但相信在相关部门、企业、机构的联合努力下，必将加大基础设施建设力度、完善技术、从而实现更广泛的互联网覆盖，让越来越多的旅客能够享受更好、更出色的高空上网服务。

参考文献

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[2] 堵久辉, 缪庆育, 徐斌. 3G演进：HSPA与LTE(第2版)[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2010.

[3] 王映民, 孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011.

[4] 孙达, 芮鹤龄, 陈霞, 等. TD-LTE系统信令流程参数解读[M].北京: 人民邮电出版社, 2011.

[5] 高峰, 高泽华, 丰雷, 等. TD-LTE技术标准与实践[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011.

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

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）04-0086-04

收稿日期：2016-01-27