低空中高速移动通信的需求与应用

2018-05-28陶曦明

电子技术与软件工程 2018年8期

文/陶曦明

1 概述

随着现代通信技术的高速发展，LTE网络已经逐渐成为现在主流的通信网络。它的发展也给铁路通信带来了挑战，特别是给高速铁路通信带来了巨大的挑战。现有的铁路通信网络虽然能够满足人们日常语音业务的需求，但在追求高数据率、多媒体综合业务数字化的今天却是望而止步。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output多输入多输出）作为LTE（Long Term Evolution）的关键技术，极大地提高了通信系统的信道容量，为铁路通信技术的“数字化”、“无线移动化”、“宽带综合业务”奠定了坚实的基础。相对于高速铁路的大力发展，自2000年以来，随着我国低空领域的逐步开放，民用飞机在低空空域的限制也将放开，民用低空飞行器将会越来越得到普及。同样是在接近地面的高速运动物体，如何实现大流量的数据通信和低空空地通信，本文针对于这个领域进行了粗浅的研究和进一步发展的探讨。

图1：数据链系统终端设备的组成

2 低空高速移动通信的概况

2.1 LTE理论基础

正交频分复用（OFDM）技术，是由多载波调制（MCM）技术发展而来。该技术 20 世纪六十年代就已经提出，但在较长一段时间内，由于技术条件的限制，OFDM 技术并未广泛使用。90 年代，随着 DSP 和大规模集成电路发展日趋成熟，OFDM 技术开始迅速发展。现在，该技术广泛运用于如 DAB、DVB 等无线通信系统中。LTE 也将 OFDM 作为其下行链路传输方案。OFDM 技术主要是将高速的宽带数据信号的传输由多路并行相对低速的窄带数据信号传输代替。并行传输法使信号周期增长，时延扩展变短，频率选择性衰落信道被分解为不同平坦衰落信道，能有效对抗多径衰落。不同于传统多载波调制技术，OFDM各个子载波的频谱相互重叠，但保持相互正交。相邻子载波频率间隔较小，频谱利用率高。LTE系统之所以运用OFDM技术，是因为该技术有着明显的优势：

抗衰落能力强，OFDM 技术把用户信息划分给多个子载波传输，延长了信号周期，信道抵抗快衰落的能力变强，且抗衰落技术简单又有效。频谱利用率高，OFDM 采用正交子载波，载波间频谱有重叠，提高了频谱利用率。系统实现简单，OFDM 系统子载波生成和接收均采用数字信号处理算法完成，极大的简化了系统结构。由于系统抗衰落性能好，一般情况下，没有必要添加均衡器。自适应机制，传输效率高。OFDM 调制方式灵活。允许各子载波根据信道环境的差异采用相应的调制方式。OFDM 采用加载算法，选择传输环境较好的信道，更集中地传输数据。易于与智能天线、编码、分集等技术相结合，最大限度的提高信号传输的可靠性。

正是由于OFDM技术的诸多优点，LTE采用该传输技术代替了3G中CDMA技术。但OFDM本身也有一些缺点，如：抗频偏能力较弱，功率峰值与均值比（PAPR）大等。

多输入多输出(MIMO)技术，是指发射机和接收机均采用多天线配置，信号传输过程中因为发射机和接收机都使用多根天线，可以有效改善每个用户的通信质量。该技术能极大地提高系统容量和频谱利用率，却不需要增加信道带宽，是LTE系统中关键技术。MIMO技术思想起源，来自于Marconi。他在1908年提出该技术，主要目的在于对抗多径衰落。由于种种原因，直到20世纪90年代，MIMO技术又才回到学者们的视线中。1995年，Bell实验室的Foschini和Telatar分别提出了多天线信道容量理论。理论表明，若天线链路的衰落满足互相独立的条件，MIMO系统的信道容量会随着收发天线数目的增长而线性增长。从研究中可知，MIMO系统在理论上具有超越香农极限的信道容量。

MIMO技术原理是首先将串行的数据流经过一系列传输手段变换为多路并行数据子流。将数据子流分多个天线发送，接收端由多天线接收。最后通过一定方式手段将接收到的子流还原为发送信号。LTE中MIMO技术可以分为空间分集和空分复用两部分。空间分集技术分为发射分集和接收分集。发射分集是指发送端采用多天线，且天线发送信号包含同样信息。接收分集是采用多天线接收相同的发射信号。空间分集技术要求各链路信号衰落上的相关性较低，该技术可以降低信号传输的误码率，提升信道传输可靠性。空分复用技术可以有效提高MIMO信道的信道容量，具体指将串行数据流分成多个并行数据子流，通过不同天线传输不同子流。该技术能大大提高数据传输的速率，并且不需要增加传输的功率和带宽。

MIMO技术与OFDM技术相结合，可以更好地发挥各自的优势。MIMO技术需要各链路信号衰落上的相关性较低，因此要减少天线之间的干扰。在平坦衰落信道中，MIMO实现更加简单。频率选择性信道中，天线间干扰和符号间干扰混合，MIMO实现比较复杂。OFDM技术将信号划分给多个子载波传输，信号传输周期增长，子载波信道平坦衰落，MIMO系统在OFDM系统中传输，实现复杂度得以较好控制。

2.2 无线电空地数据链传输理论

2.2.1 地空数据链概念

地空数据链是一种在飞机和地面系统间进行数据传输的技术，通过该技术在飞机和地面系统间自动的传输信息（如飞机当前位置、发动机数据、气象信息、管制指令等），一般将VHF、SATCOM、HF、二次监视雷达（SSR）的S模式数据链作为传输媒介，飞机会根据所处的位置自主选择最有效、最经济的数据传输媒介。数据链技术将飞机与地面的人员和空管自动化系统有效联系在一起，可有效降低航班运行费用、提高航班运行效率。

当前航线密集、运输任务较多，空地数据链系统更加复杂。它涉及范围广，如地面通讯网络、航空电子技术、飞机硬件系统、数字通讯技术等。从现状来看，空地数据链中的地面计算机软件系统比较薄弱，需加大相关研究力度。站在工程应用的角度，空地数据链的构成部分包括机载硬件设备、ATN网络环境、报文生成体系、地面AOC应用系统。

2.2.2 数据链系统的组成

我们这里以航空数据链系统为例来进行说明，数据链系统终端设备通常由数据系统、加/解密设备、数据终端(或调制解调器)、通信电台等构成，其连接关系如图1所示。

航空数据链系统的基本结构主要分为机载部分和地面部分，依据整个指挥系统的功能和要求，空中飞机可能是多架次、多种类，地面部分可能是一个指挥中心，也可能是多个指挥中心。不论整个作战网络结构如何，数据链系统本身的功能则主要是实现地面和空中飞机的信息交互。所交互的信息内容种类多样，主要依据空中飞机的飞行任务而确定。空中飞机的飞行任务决定了需交互信息的内容、交互速率、更新频率等，这些因素又对采取的通信体制、信道编码格式、抗干扰要求程度、保密级别等具体技术方案的确定起决定作用。

数据链系统中的硬件系统是一个比较重要的系统。其中的机载设备系统其实是一组设备群，以通讯寻址报文系统的通讯管理组件为核心，具体包括ARINC总线系统、数据采集和输出、信号发送和接收等。

空地数据链网络环境是空地数据链中另一个比较重要的内容，它直接影响着空地数据链的通信的质量。其主要包括ATN网络拓扑结构和路由管理。整个数据链是以航空电信网（即ATN网络）为网络载体的，包括空地通讯链路层和地地通讯链路层。在该网络中，包括飞机在内的终端设备，只要与飞机信息进行无线交互，均被当做一个研究的节点。通信载体在传输数据的过程中都会有一定的覆盖区域，超出此区域往往会影响到正常通信。而路由管理则是如何解决这一问题，确保信息数据能够通畅的传递。管理过程较为复杂，有两部分组成：

（1）组件的逻辑通道管理；

（2）DSP地面路由管理。

前者十分关键，当组件发送一个包含了指定子网地址的下行消息，通过确认应答的上行消息可建立一个逻辑通道，此时，全部信息中都有这个发送的子网地址。

3 低空移动通信应用

3.1 高铁通信

高铁作为城市之间的一种高速轨道交通工具，其运营时速往往超过300km/h，因此高铁沿线及站台的LTE 无线网络覆盖与通常的室外宏站以及室内分布覆盖方式相比，具有其自身的区别和特点。

基于高铁无线网络覆盖的自身特点，参考武广高铁进行数据测试，武广高铁的LTE网络覆盖站点将伴随铁路轨道延伸呈线状分布。考虑到现网络覆盖为专网形式，因此4G也同样采用专网形式覆盖，站址除共站部分现网3G 站点建设外，在站距相对较远的地方适当增加新站址。在无线网络频段和带宽的选择上，根据当前4G 无线网络频段的实际拥有情况，武广高铁LTE 网络采用与公网相同的频段（1.8GHz 频段），带宽同样采用20M。由于LTE 网络仅有PS 域业务，且目前没有开通VoLTE，因此移动用户的CS 业务采用CSFB（Circuit Switched Fallback，电路域回落）方式统一回落到3G网络第一频点F1 承载语音业务。

高铁LTE 网络实际测试情况以武广高铁测试为例，武广高铁在广州境内全长约70km，按以上原则建设LTE 专网物理点46 个，平均站间距为1.5km，站点与轨道垂直距离平均为200m 左右。

经过测试，主覆盖小区RSRP 平均在-95～-76dBm，大部分区域覆盖良好且连续，没有明显的覆盖空洞，SINR 值受车速影响较大，且受周边公网基站的影响，有个别点状存在负值情况，整体情况普遍在0～10，在近基站范围处可到15，总体情况符合预期。

3.2 低空直升机通信

根据对直升机机载超短波链路从信源到信宿的完整通信过程及与其他机载设备的干扰分析，可得通用直升机通信链路简化模型，如图2所示。

暂不考虑直升机内部电磁环境及其周围复杂的电磁环境对超短波链路灵敏度的影响，UHF 天线装机后由反射面的大小、机身遮挡而引起的天线增益和方向性图的变化，直升机飞行姿态对通信的影响等的情况下，影响通信距离的关键因素有：发射机功率、收/发多路耦合器插损、收/发防干扰滤波器插损、发射天线增益、自由空间损耗、接收天线增益、接收灵敏度等。