航空寬帶通信無(wú)線信號(hào)接入技術(shù)

王莉莉，孫晨赫

（中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津300300）

航空寬帶通信無(wú)線信號(hào)接入技術(shù)

王莉莉，孫晨赫

（中國(guó)民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津300300）

主要研究航空無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋（無(wú)線接入網(wǎng)）問(wèn)題。提出了三種無(wú)線信號(hào)覆蓋模型：地面基站信號(hào)覆蓋模型、衛(wèi)星中繼信號(hào)覆蓋模型、高空平臺(tái)通信系統(tǒng)（HAPS）覆蓋模型。然后從建設(shè)成本、技術(shù)難點(diǎn)、覆蓋效果等角度綜合分析了各個(gè)模型的優(yōu)缺點(diǎn)。最后得到以下結(jié)論及建議：地面基站信號(hào)覆蓋模型技術(shù)成熟，但是建設(shè)成本高，比較適合機(jī)場(chǎng)及繁忙的航線航路；衛(wèi)星中繼信號(hào)覆蓋模型建設(shè)成本低廉，但是傳輸數(shù)據(jù)速率低，難以滿足寬帶通信要求，這種模型比較適合跨洋航線、非繁忙航線以及臨時(shí)航線；HAPS（高空平臺(tái)通信系統(tǒng)）模型覆蓋范圍廣、工程造價(jià)低，但是技術(shù)不夠成熟，因此可以作為未來(lái)航空寬帶通信信號(hào)覆蓋技術(shù)的選擇。

航空寬帶通信；無(wú)線寬帶信號(hào)覆蓋（接入網(wǎng)）；高空平臺(tái)通信系統(tǒng)（HAPS）

近年來(lái)，中國(guó)的民航運(yùn)輸業(yè)旅客吞吐量以兩位數(shù)的速度增長(zhǎng)，2005年航空客流量已位居世界第二位。在當(dāng)今信息爆炸的時(shí)代，如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，機(jī)上乘客會(huì)感到十分煩悶和不方便。一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)或正在引入航空寬帶通信服務(wù)，2009年美國(guó)航空公司已向乘坐國(guó)內(nèi)長(zhǎng)途航班的旅客提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，歐盟委員會(huì)2008年4月，允許乘客在歐盟境內(nèi)飛行途中打手機(jī)、發(fā)短信。

目前，中國(guó)民航局也在積極推進(jìn)“民用航空移動(dòng)通信系統(tǒng)”的應(yīng)用。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)航空寬帶通信的問(wèn)題難點(diǎn)是航空無(wú)線寬帶通信信號(hào)的覆蓋（即航空無(wú)線寬帶接入網(wǎng)）問(wèn)題。解決了無(wú)線信號(hào)覆蓋問(wèn)題，就能打通航空寬帶通信的最難環(huán)節(jié)。本文主要從工程實(shí)現(xiàn)的角度提出了3種航空無(wú)線寬帶通信信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)（接入網(wǎng)）模型，并對(duì)各種模型進(jìn)行比較分析，最后得出了各個(gè)模型的適應(yīng)環(huán)境。

1 航空寬帶通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

航空寬帶通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以目前的航空電信網(wǎng)（ATN）為主體框架，通過(guò)組建新型的航路無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)（或稱為新型的航路無(wú)線接入網(wǎng)），實(shí)現(xiàn)航空寬帶通信接入服務(wù)。新型的航空寬帶通信網(wǎng)絡(luò)由地面主干通信網(wǎng)、空—空通信鏈路、地—空通信鏈路、衛(wèi)星通信鏈路、新型的航空寬帶信號(hào)覆蓋（接入）網(wǎng)組成（aviation access network）。航空寬帶通信網(wǎng)（ATN）能提供諸如空中交通管理、航空旅客通信、航空運(yùn)行控制、衛(wèi)星電話等服務(wù)。

航空寬帶通信，是寬帶通信服務(wù)在民航業(yè)的一種運(yùn)用。航空寬帶通信按信號(hào)傳輸方式可分為2種：航空有線寬帶通信、航空無(wú)線寬帶通信。其中，有線通信的發(fā)展經(jīng)歷了金屬導(dǎo)線傳輸?shù)焦饫w傳輸?shù)难葸M(jìn)，現(xiàn)階段ATN網(wǎng)絡(luò)有線部分的數(shù)據(jù)傳輸可運(yùn)用光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，它可滿足大容量、高速度寬帶通信的要求。

在通信領(lǐng)域，無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展最為迅速與繁榮。短短30年的時(shí)間經(jīng)歷了大哥大（模擬移動(dòng)通信）、蜂窩電話（2G）、3G乃至到LTE的跨越式發(fā)展。然而，直到3G技術(shù)的推廣運(yùn)用，人們才真正地進(jìn)入了無(wú)線寬帶通信時(shí)代。無(wú)線寬帶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以分為：WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、Wi-Fi、Wimax、LTE等，其均采用IEEE 802.16（無(wú)線寬帶接入標(biāo)準(zhǔn)）技術(shù)。因此，航空寬帶通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)線部分的通信信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)（接入網(wǎng)）也可采用各種3G、4G無(wú)線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。下面將主要介紹3種航空無(wú)線寬帶信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型。

圖1 航空寬帶通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1Aviation broadband communication system network structure

2 航空無(wú)線寬帶信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模型

無(wú)線信號(hào)覆蓋問(wèn)題是制約航空寬帶通信的首要難題。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)能得到妥善解決。目前主要采用以下3種技術(shù)模型。

2.1 基于地面基站無(wú)線信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型

2.1.1 模型概述

這種信號(hào)覆蓋模型借鑒了鐵路沿線無(wú)線寬帶接入網(wǎng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在主要航線航路下方建設(shè)基站，通過(guò)基站天線發(fā)射無(wú)線信號(hào)覆蓋航線航路，為這條航線上的航班提供無(wú)線寬帶服務(wù)。

2.1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

優(yōu)點(diǎn)：這種方法能很好地解決無(wú)線信號(hào)覆蓋問(wèn)題。缺點(diǎn)：花費(fèi)較大，經(jīng)濟(jì)效益不高。以北京到上海的航線為例，如圖2所示。

圖2 基于地面基站無(wú)線航空寬帶通信信號(hào)覆蓋系統(tǒng)Fig.2Based on base station aviation communication coverage system

航線長(zhǎng)度為1 100 km，基站的輻射長(zhǎng)度為5 km，每個(gè)基站的造價(jià)成本為100萬(wàn)元。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算得到：需要建設(shè)220個(gè)基站；需要建設(shè)基站的資金為2.2億人民幣。這其中還不包括基站間的通信線路、RNC（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入控制器）以及OMC-R（操作維護(hù)中心）的建設(shè)費(fèi)用，把這幾項(xiàng)費(fèi)用加起來(lái)保守估計(jì)需要7～8億人民幣。

2.2 衛(wèi)星中繼無(wú)線信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型

2.2.1 模型概述

這種航空無(wú)線寬帶覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型以移動(dòng)衛(wèi)星為中繼點(diǎn)，通過(guò)空—空、空—地?cái)?shù)據(jù)鏈傳輸無(wú)線寬帶通信數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 移動(dòng)衛(wèi)星中繼航空無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)Fig.3Based on mobile safellite relay aviation communication coverage system

這種航空無(wú)線寬帶通信覆蓋（接入）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)比較簡(jiǎn)單，只需在飛機(jī)上安裝小型室內(nèi)分布接入網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)的具體傳輸流程如圖4所示。

2.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)升級(jí)建設(shè)成本低。例如：每架飛機(jī)的室分網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用在100萬(wàn)人民幣左右，國(guó)內(nèi)大概有3 000架航班，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算總的室分網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用大概在30億人民幣。

缺點(diǎn)：信號(hào)傳輸成本高、帶寬低、信號(hào)時(shí)延大；難以滿足寬帶通信要求。

現(xiàn)階段中國(guó)空—地?cái)?shù)據(jù)鏈路的傳輸速度基本在10 M的級(jí)別。這種速度難以滿足航空寬帶通信的要求。另外，衛(wèi)星距離地面遙遠(yuǎn)、易受太空電磁環(huán)境影響，極易造成信號(hào)延遲、干擾及損耗。最后，飛機(jī)室分航空無(wú)線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)需要耗費(fèi)機(jī)載電源，這無(wú)疑大大增加了昂貴的飛行成本。

圖4 信號(hào)傳輸流程Fig.4Signal transmission process

2.3 高空平臺(tái)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（HAPS）模型

2.3.1 模型概述

根據(jù)國(guó)際電聯(lián)ITU（S1.66A）的定義，高空平臺(tái)站（high altitude platform stations，HAPS）是“一個(gè)位于20～50 km高空、相對(duì)地球保持準(zhǔn)靜止的信號(hào)站”。高度在20～50 km的大氣層屬于平流層，因而有時(shí)把高空平臺(tái)通信系統(tǒng)叫做平流層通信系統(tǒng)（stratospheric communication systems，SCS）。

HAPS（高空平臺(tái)通信系統(tǒng)）布置于平流層和對(duì)流層頂部（其高度隨緯度而不同）之間，距地面約50 km的大氣層中。這里空氣稀薄，空氣密度約為海平面空氣密度的百分之幾，浮力很小，但氣流比較穩(wěn)定，風(fēng)切變比較小，是比較理想的布置高空懸停通信平臺(tái)的空域。

在技術(shù)上高空平臺(tái)通信系統(tǒng)（HAPS）要滿足以下條件。首先，HAPS自備用于平衡平流層風(fēng)力的推進(jìn)器，以保持其位置的固定；其次，應(yīng)自備能源系統(tǒng)，特別是所載通信設(shè)備所需的能源系統(tǒng)，使HAPS系統(tǒng)能滿足長(zhǎng)時(shí)間工作的要求；此外，還應(yīng)有良好的檢測(cè)控制系統(tǒng)，使HAPS能保持其位姿固定，并可以靈活、簡(jiǎn)單地放飛及回收。

HAPS分重于空氣和輕于空氣2大類(lèi)。

1）HTA平臺(tái)

即重于空氣的、需要借助外加動(dòng)力懸浮于高空的通信平臺(tái)。此類(lèi)平臺(tái)其實(shí)就是飛機(jī)或直升機(jī)。例如，現(xiàn)在中國(guó)軍隊(duì)大量裝備的“空-2000、空-200”就屬于這一類(lèi)。此類(lèi)平臺(tái)可以用來(lái)從事軍事通信、收集情報(bào)、空中作戰(zhàn)指揮等。同樣也可以把這類(lèi)空中通信平臺(tái)移植于航空無(wú)線寬帶通信，讓它為航空寬帶通信服務(wù)。例如，近年來(lái)美國(guó)Lora公司研制了一種名為Halo的飛機(jī)，用于航空通信服務(wù)。飛機(jī)在其通信覆蓋區(qū)域上空約16～19 km高度的空域作圓周飛行，每架Halo飛機(jī)可以工作8 h，3架飛機(jī)輪流交替工作，以保證24 h晝夜無(wú)間斷通信。

2）LTA平臺(tái)

輕于空氣（LTA）的平臺(tái)，是以熱氣球或充氦飛艇為載體的通信平臺(tái)。使用熱氣球或飛艇搭載無(wú)線信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)（接入網(wǎng)）設(shè)備，也可以從事航空無(wú)線寬帶通信服務(wù)。但氣球和飛艇易隨風(fēng)飄流，如果能設(shè)法使其在平流層中固定位置較長(zhǎng)時(shí)間懸停（或按一定規(guī)律巡航），將是較為理想的通信平臺(tái)載荷工具。1937年“興登堡”號(hào)飛艇爆炸事故，使有關(guān)LTA飛艇應(yīng)用研究受到嚴(yán)重挫折。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有關(guān)LTA平臺(tái)的基礎(chǔ)研究工作又取得很大進(jìn)展，并解決了很多理論和技術(shù)難題，如能源、材料、大氣物理等問(wèn)題。使這種輕型通信平臺(tái)又呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景，如圖5所示。

圖5 基于HAPS技術(shù)航空無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)示意圖Fig.5Based on HAPS aviation communication corerage system

2.3.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

優(yōu)點(diǎn)：高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的信號(hào)覆蓋范圍廣、信號(hào)傳輸損耗小，一個(gè)HAPS平臺(tái)就能覆蓋很大的范圍。這樣只需在高空建設(shè)若干個(gè)HAPS平臺(tái)就可以覆蓋整個(gè)航路。除此之外，HAPS平臺(tái)建設(shè)成本也很低。特別是LTA平臺(tái)，只需借助空氣浮力就可懸浮于高空中，而不需要外加動(dòng)力。

缺點(diǎn)：首先，高空平臺(tái)位置很難保持固定。其次，高空平臺(tái)攜帶的設(shè)備重量有一定的限制，不能攜帶足夠的信號(hào)處理設(shè)備，僅能作為信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼站。最后，HAPS平臺(tái)的能源供給尚未得到很好的解決。

2.4 比較及建議

如表1所示，基于地面基站無(wú)線信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型的技術(shù)最成熟。借助地面無(wú)線寬帶通信的成熟技術(shù)（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、TLE等），能提供2～155 Mb的上行、下行（HSPA）寬帶接入速度。但是工程造價(jià)高，難以覆蓋所有航路。

表13 種模型比較Tab.1Comparison between three models

基于衛(wèi)星中繼無(wú)線信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型需要的投資最小。但是衛(wèi)星—地面站數(shù)據(jù)鏈路傳輸速度目前僅能達(dá)到10 Mb/s，難以滿足航空寬帶通信的商用要求。而且，星—地?cái)?shù)據(jù)鏈路傳輸信號(hào)時(shí)延大、損耗強(qiáng)。所以說(shuō)，衛(wèi)星中繼無(wú)線信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型難以滿足航空寬帶通信的要求。

高空平臺(tái)通信（HAPS）系統(tǒng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型的無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍廣、信號(hào)時(shí)延小、功率損耗低，并且工程造價(jià)成本低。但是HAPS技術(shù)不成熟，尚達(dá)不到實(shí)用要求。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在以上3種無(wú)線通信信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型中，地面基站信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型的技術(shù)成熟，適應(yīng)于機(jī)場(chǎng)以及繁忙的航線航路。衛(wèi)星中繼信號(hào)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型不需要建設(shè)地面站，比較適合無(wú)法建設(shè)地面基站的跨洋航線、非繁忙航線以及臨時(shí)航線。HAPS（高空通信平臺(tái)）網(wǎng)絡(luò)模型在信號(hào)質(zhì)量、成本上有著先天的優(yōu)勢(shì)，因此可以作為未來(lái)航空通信信號(hào)覆蓋技術(shù)的選擇。

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[2]張賢達(dá)，保錚.通信信號(hào)處理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

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[4]許廣明，陳穎，陳吉忠.一種適合突發(fā)數(shù)字通信的快速載波頻偏估計(jì)算法[J].電訊技術(shù)，2003，43（5）：74-77.

[5]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

（責(zé)任編輯：黃月）

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61179042）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（ZXH2012L005）

王莉莉（1973—），女，陜西興平人，副教授，博士，研究方向?yàn)榭罩薪煌ü芾?、人為因素分?