基于TD-LTE的低空通航通信專網設計*

馬曉明 趙大勝 池海祥

(1.中船重工第七二二研究所 武漢 430079)(2.深圳中興通信股份有限公司 深圳 518057)

基于TD-LTE的低空通航通信專網設計*

馬曉明1趙大勝1池海祥2

(1.中船重工第七二二研究所 武漢 430079)(2.深圳中興通信股份有限公司 深圳 518057)

構建安全穩定的寬帶低空通航通信網絡對于保障通航飛機管控和提高通信保障能力尤為重要,論文分析了現有民航現有地空通信手段存在的問題,論證了建設TD-LTE地空通信網絡的必要性,論述了TD-LTE專網技術方案,并分析了其可行性。

TD-LTE; 低空覆蓋

Class Number TP393

1 引言

隨著國家對三千米以下低空空域管制的開放,民用通航產業將引來大發展。低空通信業務量也將隨之大幅增加,對通信網的速率和安全性提出了更高的要求,要求不僅能傳輸飛機位置、狀態等管控信息,還需要能承載機組及乘客對地話音/數據通信業務[1]。

未來低空通航通信系統應具備以下主要功能：保障地空間空管格式化消息通信、保障地空間話音通信和寬帶數據通信、支持保密通信和非密通信。其中,格式化數據業務包括空中交通業務(放行許可、管制移交、飛行動態、航行通告、天氣預報、飛行員位置報告等)和航務管制通信業務(包括氣象情況、飛行計劃數據、飛行情報、空中態勢等)；話音通信業務包括機組人員、機上旅客的話音通信業務；寬帶數據業務可以IP方式承載。

目前用于空中管制的甚高頻話音通信系統,通信頻道擁擠、人為干擾等缺陷日益突出,直接影響到飛行安全和地面對空中目標的管控[2]。民航飛機目前使用的ACARS(飛機通信尋址與報告系統)和ADS-B(廣播式自動相關監視系統)僅支持格式化消息傳輸,未加密且通信速率較低,安全性較差且不滿足話音通信、寬帶數據傳輸等保障要求,因此亟待構建高速、大容量、可支持話音通信、寬帶數據通信的低空通信系統,以滿足未來通航產業通信保障需求[3～5]。

TD-LTE系統具備自主知識產權、高容量、大帶寬、廣覆蓋等特點,已在我國移動通信領域得到了廣泛應用,技術成熟穩定。但商用TD-LTE因覆蓋范圍、天線方向圖等原因無法直接用于提供地空通信保障,需要建設基于TD-LTE的低空通信專網,對其基站覆蓋范圍、天線等進行針對性優化設計[6]。

2 地空通信現狀

民航通信最早是通過高頻(High Frequency,HF)和甚高頻(Very High Frequency,VHF)進行話音通信保障,但隨著民航運輸業的迅猛發展,民航通信業務量大大增加,話音通信 VHF 頻道擁擠和阻塞、HF系統通信質量不高、人為因素干擾容易使人產生誤解和錯誤等缺陷日益突出,直接影響飛行安全和航班準點。

為了提高通信鏈路的可靠性和完整性,航空公司引入了 VHF 地空數據通信系統。當前世界很多地區均采用面向字符的 VHF飛機通信尋址與報告系統(Aircraft Communication Addressing and Reporting System,ACARS)。ACARS是一種在航空器和地面站之間通過無線電或衛星傳輸短消息(報文)的數字數據鏈系統。ACARS 系統地空通信的工作頻段為VHF頻段(117.975MHz～137MHz),單信道帶寬25KHz,采用半雙工通信,采用載波偵聽方式信道接入方式,通信速率為2.4Kbps。ACARS基于字符傳輸,支持格式化消息傳輸,包含空中交通管制(ATC)、航空運行控制(AOC)和航線管理控制(AAC)三類消息,消息格式符合ARINC 750規范和ARINC618協議。ACARS初步解決了地空間數字通信,但其通信速率較低,僅2.4Kbps,且只支持格式化消息,無法滿足未來地空間話音和寬帶數據通信保障要求。

歐美國家進一步設計了廣播式自動相關監視系統(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B),無需人工操作或者詢問,可以自動地從相關機載設備獲取參數向其他飛機或地面站廣播飛機的位置、高度、速度、航向、識別號等信息,以供管制員對飛機狀態進行監控。目前,ADS-B技術可選的數據鏈技術有Mode S 1090ES、UAT和VDL Mode4三種,我國民航采用Mode S 1090ES。Mode S 1090ES是基于S模式應答機的一種技術,采用簡單的PPM脈沖位置編碼。1090ES消息格式包含24比特碼、高度、呼號、位置等。由于信息格式簡單,承載信息能力有限,所以在一個編碼中只能傳輸一個特定的信息,而這些信息的更新率也有所不同,位置信息和速度信息每0.4s～0.6s更新一次,航路點信息每1.6s～1.8s更新一次。1090ES消息接收單元收到來自空中接口的位置、速度、標識等信息,通過報告匯總生成單元形成標準的ADS-B報告(包括狀態報告、模式報告和OC報告),并以Category 021的數據格式發送至ADS-B數據用戶。

現有通信手段中,甚高頻話音通信不支持數據傳輸,ACARS通信速率僅在Kbps級別,ADS-B技術僅承載格式化消息傳輸,不支持話音通信和寬帶IP數據通信,且存在丟包率較高問題。德國學者Martin Strohmeier, Matthias Sch?fer等對ADS-B中歐地區實測數據進行了分析,研究表明當地面站接收范圍空域內飛機較少時,誤包率在10%左右,當ADS-B接收機覆蓋空域內飛機達到60架時,誤包率達到45%[5]。究其原因,二次雷達Mode A/C/S業務量達到ADS-B業務量的50倍之多,參與播發二次雷達信息的飛機是廣播ADS-B信息飛機的1.5倍,加之1090ES采用隨機接入信道方式,空中飛機數量增多時,信道碰撞加劇,丟包率上升。

3 現有TD-LTE商用網絡用于低空通信覆蓋的局限性

目前TD-LTE技術已應用于移動、電信、網通等三大運營商,網絡基本覆蓋全國,技術先進、網絡穩定,其下行峰值速率達到100Mbps、上行可達到50Mbps。單基站覆蓋三個小區,每小區激活用戶數最大400,在線用戶數1200。空口、地面傳輸網均有嚴格的安全性保證。控制時延小于100ms,業務時延小于5ms,可支持實時業務傳輸。

基于TD-LTE構建地空通信專網,不僅可以傳輸飛機位置、氣象、管控等空管格式化消息,還可以支持地空話音通信和寬帶數據接入服務,為構建地空移動互聯網和大數據應用提供傳輸管道。

TD-LTE相比ADS-B、ACARS(飛機通信尋址與報告系統)具有以下技術特點和優勢：

1) 對空通信速率高,帶寬利用率遠高于ADS-B和ACARS；

2) 可承載空管格式化數據業務、IP數據業務和話音通信業務,ADS-B和ACARS僅支持格式化數據業務；

3) 可支持單播、組播、廣播類業務,ADS-B和ACARS僅支持廣播業務；

4) 信令傳輸和數據傳輸實時性強,其信道接入采用時分結合OFDMA方式,時延嚴格可控,ADS-B、ACARS采用隨機接入方式,當低空空域飛行器數量較多時,業務時延不可控。

5) 網絡覆蓋成本低,分散布置三臺基站即可覆蓋一個大中型城市低空空域,基于蜂窩狀布置多臺基站可以覆蓋更大空域。

但現有TD-LTE基站主要用于解決地面用戶覆蓋,如果用于低空覆蓋存在天線覆蓋局限性、多基站空中干擾兩個主要問題。

基站天線覆蓋局限性：現有TD-LTE網絡重點服務地面用戶,其基站天線方向圖呈傘狀覆蓋地面,天線主瓣俯仰面較窄且主瓣下傾8°～16°。為避免對鄰近小區基站造成干擾,對上旁瓣進行抑制,第一上旁瓣抑制要求16dB以上。上旁瓣增益隨仰角變化變化劇烈,且零陷較為嚴重,部分仰角時上旁瓣抑制度達到30dB以上。圖1為一基站典型天線方向圖,其第一上旁瓣相比主瓣抑制16dB左右,其第二上旁瓣抑制12dB左右,第三上旁瓣抑制度與第一上旁瓣相當。但主瓣與第一上旁瓣間、第二上旁瓣與第三上旁瓣間存在較深的零陷。其對低空覆蓋能力有限,造成通信中斷。

多基站空中干擾：目前TD-LTE基站為提升頻率復用效率和對室內覆蓋效率,市區內單基站覆蓋半徑在300m以內,個別區域增大覆蓋半徑,但亦不超過500m。兩個共用頻率的基站距離300m～500m左右。目前基站天線多下傾8°～16°,使用主瓣覆蓋地面,對第一上旁瓣進行了抑制以壓制水平方向對臨近小區的干擾。但其第二三上旁瓣抑制度較低以及天線下傾后的后向輻射均朝向空中輻射,空中存在多個基站輻射的信號,且存在較強的同頻干擾,會對飛行器的接收造成干擾。

距離較遠的基站可能覆蓋到飛行器,但這將給TD-LTE基站網絡優化帶來困擾。因TD-LTE基站覆蓋半徑城區限定在300m以內,幾公里外的飛行器如果接入將給基站頻率規劃和跨區切換造成干擾。

低空空域不同于地面網絡,其用戶分布相對稀疏,宜構建TD-LTE專網進行通信保障,專網采用專用頻段,既滿足低空通航通信要求,也不干擾地面TD-LTE網絡正常通信。

4 TD-LTE低空通信專網方案

TD-LTE地空通信專網由地面LTE基站、核心網設備EPC、低空通航信息中心和機載綜合通信管控終端構成。

LTE基站根據空域進行面狀布設,每個基站通信半徑最大可以連續覆蓋50km。基站天線采用定制對空覆蓋天線。基站和機載綜合通信管控終端之間通過LTE空口信號進行通信。基站和核心網之間通信通過光傳輸網絡來完成,光傳輸網絡可以租用運營商的傳輸網。

LTE基站設備(eNodeB)采用分布式基站設備,由基帶單元設備(BBU)、射頻遠端設備(RRU)構成,是一種可以靈活分布式安裝的基站組合。

核心網設備包括MME(移動管理設備)、X-GW(服務網關)和HSS(服務數據管理網元),主要完成接入、控制和管理等功能。

低空通航信息中心放置業務支撐和存儲平臺,主要完成地空寬帶系統設備的后臺管理、放號、信令跟蹤、飛行測試數據的存儲等。使用加密卡保證保證數據的機密性、完整性和合法性。低空通航信息中心通過IP專線連接到核心網。

飛機上安裝綜合通信管控終端,與LTE基站間通信,接受低空通航信息中心的管控,完成位置、狀態等信息上報。低空通航信息中心負責與機載綜合通信管控終端間交互認證信息、位置信息、狀態信息、管控信息和氣象服務等信息。機載綜合通信管控終端與低空通航信息中心內嵌密碼模塊,該模塊提供加解密、雜湊以及隨機數生成等密碼服務,保障兩者之間信息交互的安全性(機密性、完整性以及合法性)。

機載綜合通信管控終端通過認證后,可通過核心網和電信業務承載網,與地面PSTN電話網、蜂窩電話網和互聯網連接,其計費由核心網完成,其間信息不加密,為明文傳輸。

5 TD-LTE低空通信專網技術可行性分析

對TD-LTE基站天線進行低空覆蓋優化,增強上旁瓣。其主瓣3dB水平寬度120°,俯仰面仰角30°以內增益大于4dB,大仰角時增益大于負1dB,大仰角時飛機距離基站較近,鏈路衰減較小。

主要技術指標：

1) 工作頻段：暫定2145MHz～2170MHz；

2) 駐波比：≤2；

3) 方向圖：水平120″、俯仰面波束寬度≥30°；

4) 增益：最大方向≥7dBi、頂部區域≥-1dBi；

5) 極化方式：圓極化。

參照以下參數計算：

1) 工作頻率：2.1GHz頻段；

2) 終端輻射功率：30dBm(1W)；

3) TD-LTE機載天線：最大方向3dB,仰角0°～30°時天線增益≥0dB,其他仰角時≥-5dB;

4) 基站天線：最大方向7dB,仰角0°～30°時天線增益≥3dB,其他仰角時≥-1dB;

5) 基站接收靈敏度：-104dB；

6) 飛機高度：3000m。

表1為飛行器距離基站不同距離時的鏈路余量。

表1 不同距離時鏈路余量

可見在飛行器距基站1km～50km內均有較大的通信余量,可以正常通信。在飛行器距離基站較近時,因仰角大,旁瓣衰減較大,但此時鏈路衰減較小,通信余量充足。在飛行器距離基站超過10km時,進入第一上旁瓣區域,鏈路衰減增加,但天線增益亦增加。當飛行器距離基站超過40km時,鏈路衰減增加,但天線主瓣增益增大,依然有超過9dB的余量。

由上節可知,基站對移動臺可有效覆蓋50km以上,基站參考民用TD-LTE基站采用蜂窩狀六邊形布置,基站間距離70km,二者覆蓋邊緣保證一定重疊,以便于移動臺跨區切換。

6 結語

本文首先論述了未來低空通航通信網需滿足的通信業務需求,分析了現有甚高頻話音通信、ACARS和ADS-B等地空通信手段的局限性。分析了現有商用TD-LTE網絡保障低空通信存在的問題,提出了TD-LTE低空通信專網技術方案,并分析了該方案的可行性。

[1] 羅帥.低空開放對空管的影響及應對策略[J].軍民兩用技術與產品,2016(10),29-30.

[2] 羅翔.民航甚高頻地空通信遠距離同頻話音干擾分析[J].中國信通信,2016,15,124-126.

[3] 張力支.實現飛機狀態監視的ACARS數據鏈新應用[J].電訊技術,2014, 54(11),1565-1568.

[4] 程擎,張海榮,張武.民航ADS—B地面站部署優化仿真研究[J].計算機仿真,2015,32(5),19-23.

[5] M.Strohmeier, M.Sch?fer, etc. Realities and Challenges of NextGen Air Traffic Management: The Case of ADS-B[J]. IEEE Communications Magazine,2014,5,111-118.

[6] 李新.TD-LTE無線網絡覆蓋特性淺析[J].電信科學,2009,25(1),43-47.

Private Network Design for Low Altitude General Aviation Based on TD-LTE

MA Xiaoming1ZHAO Dasheng1CHI Haixiang2

(1. 722 Research Institute, CSIC, Wuhan 430079)(2. Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation, Shenzhen 518057)

It is important to build a broadband secure and stable private wireless network for the low altitude general aviation to support the air-management and improve the communication capability. In this paper, the problems of nowadays ground-to-air communication system are analyzed. Then the necessary to build the private TD-LTE ground-to-air network is explained and its feasibility is analyzed.

TD-LTE, low altitude coverage

2016年10月13日,

2016年11月21日

馬曉明,男,高級工程師,研究方向：地空通信系統設計。趙大勝,男,博士,高級工程師,研究方向：無線通信網絡基帶及協議設計。池海祥,男,碩士,研究方向：LTE通信專網設計。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.013