LTE民用航線覆蓋網絡的關鍵技術

中興通訊股份有限公司 | 方琰崴 孫彪

相比其他技術而言，利用LTE來實現航線覆蓋對切換時間要求低，可以提供更高的下載速率，因此具有廣闊的商業前景。

多年以來，航班起飛前關閉手機和無線設備、系好安全帶，是航空安全提示永恒不變的話題。一方面是為了防止無線信號干擾飛機起飛降落，另一方面也是因為高空航線無法覆蓋這一尷尬事實。航行期間的飛機一直是民用移動通信難以到達的“盲區”。隨著科技的迅猛發展，智能手機和移動通信網絡在中國日漸普及，國內乘客，尤其是長途商務旅客，對于空中無線網絡的需求正日益提升。能夠在航行期間，實現隨時與外界的通信，日益成為繁忙的商務人士迫切渴望的需求。隨著技術的發展，這一需求逐漸成為可能。

無線通信民用航線覆蓋的需求

2012年5月，阿聯酋航空宣布空中無線網絡服務（Wi-Fi）已全面覆蓋其目前運營的21架A380客機，乘客可在阿航A380遍及全球五大洲、18個目的地航線網絡的航班中，登錄因特網沖浪、處理電子郵件、在線閱讀，大大增強了對中高端商務人士的吸引力。

目前，在民用航空上實現移動通信，較為可行的解決思路有兩種：采用衛星鏈路與地面通信網絡連接，或利用地面專用基站向空中覆蓋。

衛星通信方式比較成熟，保密性強，干擾小，容量大，覆蓋范圍廣，運行穩定。2012年10月，中國民航總局公布了《航空公司運行控制衛星通信實施方案》，并向全社會征求意見。對航企來說，在飛機上部署衛星通信設施實現語音和數據的航線覆蓋，是個新增的非航業務盈利方向，然而由于衛星通信系統的改裝成本非常高，能否有效收回成本還是個未知數。同時，衛星通信的帶寬嚴重受限，費用高昂，難以為乘客提供規模服務，這是衛星通信難以在民用航空推廣航線覆蓋的障礙。

如果采用基站對空覆蓋的方式，用戶可以獲得充分的可達上百兆的通信帶寬，費用也可以為廣大用戶所接受，同時可以解決多制式（GSM、CDMA、TD-SCDMA、WCDMA等）同時在飛機上使用的問題。因此，這種基于地面基站的通信方式雖然在一定程度上受地域限制，但其成本總體上較衛星方式低，已經越來越成為航線覆蓋的首選。

利用第四代移動通信系統LTE來實現航線覆蓋，相比其他技術而言，可以提供更高的下載速率。同時LTE對切換時間要求低，適應在高速移動下的切換，因此采用LTE技術進行航線覆蓋具有廣闊的商業前景。

民用航線對LTE覆蓋的系統需求

在飛機高速飛行的場景下，機上通信容易出現掉網、小區選擇失敗等問題。民用航線覆蓋對電信運營商的LTE網絡系統設計提出了更高的要求。

傳播模型。在無線網絡規劃中，通常使用經驗的傳播模型預測路徑損耗中值，目的是得到規劃區域的無線傳播特性。民用航線覆蓋使用的傳播模型，在整個網絡規劃中具有非常重要的作用。傳播模型在具體應用時，必須對模型中各系數進行必要的修正。它的準確度直接影響無線網絡規劃的規模、覆蓋預測的準確度，以及基站的布局情況。

多普勒頻移。飛機移動速率通常在800～1000公里/小時，高速覆蓋場景對LTE系統性能影響最大的效應是多普勒效應。當電磁波發射源與接收器發生相對運動的時候，會導致所接收到的傳播頻率發生改變。當運動速度達到一定閥值時，將會引起傳速頻率的明顯改變，這稱為多普勒頻移。多普勒頻移將使接收機和發射機之間產生頻率偏差，影響上行接入成功率、切換成功率等。LTE航線專網需要優良的自適應頻率跟蹤及補償算法，以消除高速飛行所帶來的巨大的多普勒頻移。

小區切換。和業界已成熟的高鐵覆蓋網絡不同，飛機移動速度雖然更高，但由于航線覆蓋的小區半徑相對更大，飛機在一個小區中駐留的時間較長。為了完善切換性能，需周密設計航線覆蓋網絡中的小區間重疊區域和相鄰小區切換的順序。

因此，普通網絡已難以滿足民用航線覆蓋的技術要求。電信運營商需針對航線場景新建覆蓋專網，形成專門針對民用航線覆蓋的鏈狀小區架構，通過優化切換和鄰區設計來減化鄰區關系，減小切換次數，提高網絡服務質量。

LTE民用航線覆蓋解決方案

LTE民用航線覆蓋解決方案分為3個層級：航機接入層、LTE空地傳輸層、地面接入交換層，如圖所示。

一、航機接入層

由飛機機體內2G/3G Femto Cell基站、Wi-Fi AP接入設備、機載LTE CPE、增強型天線等組成。

對于語音和2G/3G數據業務，乘客的終端通過2G/3G Femto Cell基站接入到機載LTE CPE上；對于Wi-Fi數據業務，乘客的各種終端通過Wi-Fi AP接入設備連接，Wi-Fi AP接入設備通過以太網接入到機載LTE CPE上。

需要注意的是，電信運營商和航企需充分合作，根據不同飛機機型的內艙結構，設計2G/3G Femto Cell基站、Wi-Fi AP接入設備的位置和調整收發功率，并實際進行多次模擬和調整，才能獲得最佳效果。由于人體主要成分為碳水化合物，國外曾有報道，研究人員購買了大量同為碳水化合物成分的土豆，裝于袋中，放置在內艙座位上模擬人體對艙內電磁波的吸收和反射。可以考慮采取同樣的方式，初步進行艙內2G/3G Femto Cell基站、Wi-Fi AP接入設備的粗調，后期再安排人員坐滿機艙進行精調。

二、LTE空地傳輸層

主要由機載LTE CPE、航線沿線專用LTE基站eNodeB鏈群、LTE核心網EPC（包括移動管理實體MME、服務和接入網關SAE GW、策略和計費控制實體PCRF等），以及IP承載網、接入路由器Router等組成。

通過為2G、3G、Wi-Fi等不同業務，設置不同的路由封裝隧道（GRE Tunnel）作為專用承載，滿足終端用戶對2G/3G語音、數據業務的不同接入要求，以及使用Wi-Fi接入互聯網的需求。

通過LTE無線網絡，終端用戶的各種業務能夠傳輸到接入路由器。接入路由器終結通用路由封裝隧道，并根據隧道內封裝的二層報文轉發到外網接入部分相應的實體中。

三、地面接入交換層

這部分主要包括Wi-Fi接入網關、2G基站控制器BSC、3G基站控制器RNC以及相應的核心網交換機。根據2G、3G、Wi-Fi等不同業務類型，把相應的報文轉接到不同的網絡中。

總體而言，LTE民用航線覆蓋解決的重點在于覆蓋而不是容量，網絡的容量負荷與城市熱點區域的通信網絡相比并不高。因此在設計和部署中，LTE空地傳輸層、地面交換接入層中的一些網元，并不需要獨立部署，而是可以與電信運營商現有的網絡設備合設，節省初期投資。

圖 LTE民用航線覆蓋解決方案

LTE民用航線覆蓋關鍵技術

電信運營商在設計LTE民用航線覆蓋中，需要考慮幾個關鍵因素。

一、LTE民用航線覆蓋應用多普勒頻偏補償算法，保障航線覆蓋性能。

在航線覆蓋設計中，多普勒頻偏是電信運營商需要解決的重要問題。通過在信號處理中運用自適應頻偏校正算法，能在基帶層面實時地檢測出當前子幀頻率偏移的相關信息，然后對頻偏造成的基帶信號相位偏移予以校正，提升基帶解調性能。

LTE基站eNodeB根據接收到的上行信號的頻偏，調整收信機接收頻率，抵消多普勒效應導致的上行頻率偏移；同時相應對下行發信頻率設置相同的偏移量，保證同手機、終端的正常通信。

二、合理設計小區，制訂高速切換策略。

飛機在高空穩定飛行時，航速一般超過1000公里/小時，因此在設計之初，電信運營商對于小區交界處的切換區域的大小，就需要特別設計和分析，使得飛機飛過切換區域的時間小于LTE切換所需時間。

三、設置超級小區，自適應適配，提升網絡性能。

在設計中，電信運營商需要考慮擴大單小區覆蓋能力，減少切換，提升網絡性能。針對單一航線覆蓋的情況，可以采用超級小區的鏈狀組網。同時可利用動態ICIC（小區間干擾協調）策略，借助基站間的X2接口對相鄰基站的負載信息進行傳遞，根據本小區和相鄰小區的負載情況來自適應地調整邊緣可用子頻帶，從而可以自適應地適配負載的變化，獲得更好的頻譜效率。

四、綜合氣象和地貌特征因素，部署增強型天線。

電信運營商除在地面要設置專用的LTE基站群eNodeB對空覆蓋外，還需要在飛機上加裝增強型天線。這兩種天線設計為圓極化天線，效果強于普通的垂直極化、水平極化天線。電磁波穿透雨雪霧時會發生一定的功率衰減，在天線增益設計和調整中，應充分考慮到航線中可能常遇的大氣狀況和地物地貌特征。

五、合理選擇可建設LTE覆蓋的民用航線。

我國航線所經過區域地形地貌總體較為復雜多變，如在需要經過海洋和較大湖泊的區域無法設置地面基站，而在可能布設地面基站的陸地，也有相當多的地方很難找到低成本的布站方案，如西部山區、青藏高原、高寒地帶等，因此這些航線不適于建設民用航線覆蓋專網。

而LTE民用航線覆蓋主要以中高端商務人士為服務對象，考慮到LTE民用航線覆蓋的投入產出比，部署初期可以在基站部署條件相對較為成熟、覆蓋商務旅客較多的熱門航線試點使用，如京滬、深滬航線，后續再逐步擴大覆蓋的航線范圍。

六、端到端服務質量（E2E QoS）的保障。

飛機高速運動中遇到氣流會產生顛簸，高空中電磁環境也比較復雜，這些影響飛機上乘客通信服務質量的因素非常多，因此需要對用戶的端到端服務質量（E2E QoS）給予充分的控制，對頭等艙、商務艙的用戶通信服務質量給予優先保證。

根據3GPP TS 23.401協議對用戶使用策略和計費控制的規范，電信運營商可以通過策略和計費控制實體PCRF（Policy and Charging Rules Function）設備，確保不同用戶的端到端服務質量。PCRF對LTE基站eNodeB下發基于應用APP級別的差分服務代碼DSCP（Differentiated Services Code Point）標簽，進而可實現為頭等艙、商務艙、經濟艙的用戶設置不同的金/銀/銅牌服務等級，優先保障頭等艙、重要客戶的服務質量，提升端到端業務質量。

七、靈活套餐控制。

對于航企以及電信運營商來說，開展民用航線覆蓋的語音和數據通信業務，一方面可以大大增加對中高端商務人士的吸引力進而增強航線的綜合競爭力，另一方面也可以從這項業務中尋求到合適的利潤空間。

在業務培育期，可以通過免費試用的方式調動乘客的體驗，每個乘客持有的登機牌標有自己的賬戶和密鑰，給予該乘客一定流量比如5M的免費體驗。

業務正常開展后，可對于乘客給予不同賬戶，這項賬戶對應于不同的初始免費流量包，比如頭等艙（金牌用戶）給予500M流量包，商務艙（銀牌用戶）給予300M流量包，普通經濟艙（銅牌用戶）給予10M流量包。該流量用完后可以再付費購買，通過策略和計費控制實體PCRF設備對流量比進行開關控制和Recharging再充值。

總結和展望

我國無線通信技術的發展日新月異，隨著通信技術的發展和世界的不斷互聯，空中語音和數據服務必將成為飛行體驗中不可或缺的一部分。LTE民用航線覆蓋將會有越來越廣泛的應用。通過有針對性地進行航線網絡規劃，能夠幫助運營商和航空公司聯合打造出優質的高速覆蓋網絡。

可以預見，幾年后LTE地空寬帶通信系統將覆蓋中國各大航空公司國內航班甚至部分國際航班的航線，為乘客提供“隨時隨地”的通信服務。