低空中高速移動通信的需求與應用

文/陶曦明

1 概述

隨著現代通信技術的高速發展，LTE網絡已經逐漸成為現在主流的通信網絡。它的發展也給鐵路通信帶來了挑戰，特別是給高速鐵路通信帶來了巨大的挑戰。現有的鐵路通信網絡雖然能夠滿足人們日常語音業務的需求，但在追求高數據率、多媒體綜合業務數字化的今天卻是望而止步。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output多輸入多輸出）作為LTE（Long Term Evolution）的關鍵技術，極大地提高了通信系統的信道容量，為鐵路通信技術的“數字化”、“無線移動化”、“寬帶綜合業務”奠定了堅實的基礎。相對于高速鐵路的大力發展，自2000年以來，隨著我國低空領域的逐步開放，民用飛機在低空空域的限制也將放開，民用低空飛行器將會越來越得到普及。同樣是在接近地面的高速運動物體，如何實現大流量的數據通信和低空空地通信，本文針對于這個領域進行了粗淺的研究和進一步發展的探討。

圖1：數據鏈系統終端設備的組成

2 低空高速移動通信的概況

2.1 LTE理論基礎

正交頻分復用（OFDM）技術，是由多載波調制（MCM）技術發展而來。該技術 20 世紀六十年代就已經提出，但在較長一段時間內，由于技術條件的限制，OFDM 技術并未廣泛使用。90 年代，隨著 DSP 和大規模集成電路發展日趨成熟，OFDM 技術開始迅速發展。現在，該技術廣泛運用于如 DAB、DVB 等無線通信系統中。LTE 也將 OFDM 作為其下行鏈路傳輸方案。OFDM 技術主要是將高速的寬帶數據信號的傳輸由多路并行相對低速的窄帶數據信號傳輸代替。并行傳輸法使信號周期增長，時延擴展變短，頻率選擇性衰落信道被分解為不同平坦衰落信道，能有效對抗多徑衰落。不同于傳統多載波調制技術，OFDM各個子載波的頻譜相互重疊，但保持相互正交。相鄰子載波頻率間隔較小，頻譜利用率高。LTE系統之所以運用OFDM技術，是因為該技術有著明顯的優勢：

抗衰落能力強，OFDM 技術把用戶信息劃分給多個子載波傳輸，延長了信號周期，信道抵抗快衰落的能力變強，且抗衰落技術簡單又有效。頻譜利用率高，OFDM 采用正交子載波，載波間頻譜有重疊，提高了頻譜利用率。系統實現簡單，OFDM 系統子載波生成和接收均采用數字信號處理算法完成，極大的簡化了系統結構。由于系統抗衰落性能好，一般情況下，沒有必要添加均衡器。自適應機制，傳輸效率高。OFDM 調制方式靈活。允許各子載波根據信道環境的差異采用相應的調制方式。OFDM 采用加載算法，選擇傳輸環境較好的信道，更集中地傳輸數據。易于與智能天線、編碼、分集等技術相結合，最大限度的提高信號傳輸的可靠性。

正是由于OFDM技術的諸多優點，LTE采用該傳輸技術代替了3G中CDMA技術。但OFDM本身也有一些缺點，如：抗頻偏能力較弱，功率峰值與均值比（PAPR）大等。

多輸入多輸出(MIMO)技術，是指發射機和接收機均采用多天線配置，信號傳輸過程中因為發射機和接收機都使用多根天線，可以有效改善每個用戶的通信質量。該技術能極大地提高系統容量和頻譜利用率，卻不需要增加信道帶寬，是LTE系統中關鍵技術。MIMO技術思想起源，來自于Marconi。他在1908年提出該技術，主要目的在于對抗多徑衰落。由于種種原因，直到20世紀90年代，MIMO技術又才回到學者們的視線中。1995年，Bell實驗室的Foschini和Telatar分別提出了多天線信道容量理論。理論表明，若天線鏈路的衰落滿足互相獨立的條件，MIMO系統的信道容量會隨著收發天線數目的增長而線性增長。從研究中可知，MIMO系統在理論上具有超越香農極限的信道容量。

MIMO技術原理是首先將串行的數據流經過一系列傳輸手段變換為多路并行數據子流。將數據子流分多個天線發送，接收端由多天線接收。最后通過一定方式手段將接收到的子流還原為發送信號。LTE中MIMO技術可以分為空間分集和空分復用兩部分。空間分集技術分為發射分集和接收分集。發射分集是指發送端采用多天線，且天線發送信號包含同樣信息。接收分集是采用多天線接收相同的發射信號。空間分集技術要求各鏈路信號衰落上的相關性較低，該技術可以降低信號傳輸的誤碼率，提升信道傳輸可靠性。空分復用技術可以有效提高MIMO信道的信道容量，具體指將串行數據流分成多個并行數據子流，通過不同天線傳輸不同子流。該技術能大大提高數據傳輸的速率，并且不需要增加傳輸的功率和帶寬。

MIMO技術與OFDM技術相結合，可以更好地發揮各自的優勢。MIMO技術需要各鏈路信號衰落上的相關性較低，因此要減少天線之間的干擾。在平坦衰落信道中，MIMO實現更加簡單。頻率選擇性信道中，天線間干擾和符號間干擾混合，MIMO實現比較復雜。OFDM技術將信號劃分給多個子載波傳輸，信號傳輸周期增長，子載波信道平坦衰落，MIMO系統在OFDM系統中傳輸，實現復雜度得以較好控制。

2.2 無線電空地數據鏈傳輸理論

2.2.1 地空數據鏈概念

地空數據鏈是一種在飛機和地面系統間進行數據傳輸的技術，通過該技術在飛機和地面系統間自動的傳輸信息（如飛機當前位置、發動機數據、氣象信息、管制指令等），一般將VHF、SATCOM、HF、二次監視雷達（SSR）的S模式數據鏈作為傳輸媒介，飛機會根據所處的位置自主選擇最有效、最經濟的數據傳輸媒介。數據鏈技術將飛機與地面的人員和空管自動化系統有效聯系在一起，可有效降低航班運行費用、提高航班運行效率。

當前航線密集、運輸任務較多，空地數據鏈系統更加復雜。它涉及范圍廣，如地面通訊網絡、航空電子技術、飛機硬件系統、數字通訊技術等。從現狀來看，空地數據鏈中的地面計算機軟件系統比較薄弱，需加大相關研究力度。站在工程應用的角度，空地數據鏈的構成部分包括機載硬件設備、ATN網絡環境、報文生成體系、地面AOC應用系統。

2.2.2 數據鏈系統的組成

我們這里以航空數據鏈系統為例來進行說明，數據鏈系統終端設備通常由數據系統、加/解密設備、數據終端(或調制解調器)、通信電臺等構成，其連接關系如圖1所示。

航空數據鏈系統的基本結構主要分為機載部分和地面部分，依據整個指揮系統的功能和要求，空中飛機可能是多架次、多種類，地面部分可能是一個指揮中心，也可能是多個指揮中心。不論整個作戰網絡結構如何，數據鏈系統本身的功能則主要是實現地面和空中飛機的信息交互。所交互的信息內容種類多樣，主要依據空中飛機的飛行任務而確定。空中飛機的飛行任務決定了需交互信息的內容、交互速率、更新頻率等，這些因素又對采取的通信體制、信道編碼格式、抗干擾要求程度、保密級別等具體技術方案的確定起決定作用。

數據鏈系統中的硬件系統是一個比較重要的系統。其中的機載設備系統其實是一組設備群，以通訊尋址報文系統的通訊管理組件為核心，具體包括ARINC總線系統、數據采集和輸出、信號發送和接收等。

空地數據鏈網絡環境是空地數據鏈中另一個比較重要的內容，它直接影響著空地數據鏈的通信的質量。其主要包括ATN網絡拓撲結構和路由管理。整個數據鏈是以航空電信網（即ATN網絡）為網絡載體的，包括空地通訊鏈路層和地地通訊鏈路層。在該網絡中，包括飛機在內的終端設備，只要與飛機信息進行無線交互，均被當做一個研究的節點。通信載體在傳輸數據的過程中都會有一定的覆蓋區域，超出此區域往往會影響到正常通信。而路由管理則是如何解決這一問題，確保信息數據能夠通暢的傳遞。管理過程較為復雜，有兩部分組成：

（1）組件的邏輯通道管理；

（2）DSP地面路由管理。

前者十分關鍵，當組件發送一個包含了指定子網地址的下行消息，通過確認應答的上行消息可建立一個邏輯通道，此時，全部信息中都有這個發送的子網地址。

3 低空移動通信應用

3.1 高鐵通信

高鐵作為城市之間的一種高速軌道交通工具，其運營時速往往超過300km/h，因此高鐵沿線及站臺的LTE 無線網絡覆蓋與通常的室外宏站以及室內分布覆蓋方式相比，具有其自身的區別和特點。

基于高鐵無線網絡覆蓋的自身特點，參考武廣高鐵進行數據測試，武廣高鐵的LTE網絡覆蓋站點將伴隨鐵路軌道延伸呈線狀分布。考慮到現網絡覆蓋為專網形式，因此4G也同樣采用專網形式覆蓋，站址除共站部分現網3G 站點建設外，在站距相對較遠的地方適當增加新站址。在無線網絡頻段和帶寬的選擇上，根據當前4G 無線網絡頻段的實際擁有情況，武廣高鐵LTE 網絡采用與公網相同的頻段（1.8GHz 頻段），帶寬同樣采用20M。由于LTE 網絡僅有PS 域業務，且目前沒有開通VoLTE，因此移動用戶的CS 業務采用CSFB（Circuit Switched Fallback，電路域回落）方式統一回落到3G網絡第一頻點F1 承載語音業務。

高鐵LTE 網絡實際測試情況以武廣高鐵測試為例，武廣高鐵在廣州境內全長約70km，按以上原則建設LTE 專網物理點46 個，平均站間距為1.5km，站點與軌道垂直距離平均為200m 左右。

經過測試，主覆蓋小區RSRP 平均在-95～-76dBm，大部分區域覆蓋良好且連續，沒有明顯的覆蓋空洞，SINR 值受車速影響較大，且受周邊公網基站的影響，有個別點狀存在負值情況，整體情況普遍在0～10，在近基站范圍處可到15，總體情況符合預期。

3.2 低空直升機通信

根據對直升機機載超短波鏈路從信源到信宿的完整通信過程及與其他機載設備的干擾分析，可得通用直升機通信鏈路簡化模型，如圖2所示。

暫不考慮直升機內部電磁環境及其周圍復雜的電磁環境對超短波鏈路靈敏度的影響，UHF 天線裝機后由反射面的大小、機身遮擋而引起的天線增益和方向性圖的變化，直升機飛行姿態對通信的影響等的情況下，影響通信距離的關鍵因素有：發射機功率、收/發多路耦合器插損、收/發防干擾濾波器插損、發射天線增益、自由空間損耗、接收天線增益、接收靈敏度等。

3.3 測試結果的分析

高鐵軌道呈線狀延伸，并且列車移動速度快，這些特點決定了高鐵的LTE網絡覆蓋與通常的室外網絡覆蓋存在較大的差別。根據上述小節中測試的結果，基于上述的通信鏈路模型，有以下幾種方法可提高超短波電臺通信距離：

圖2：超短波通信鏈路簡化模型

3.3.1 提高天線增益

由于天線對通信距離的影響非常關鍵，因此提高天線的增益是最有效的方式，包括：整體改善天線增益指標；根據傳播距離公式與頻率的關系，只針對不符合要求的部分頻段或頻點進行增益提高；同時，通過提高天線增益來提高通信距離的方式對直升機整體設計改動極小，包括電磁兼容設計方面。

3.3.2 提高接收機靈敏度

接收機敏感度提高后能到達提高通信距離的目的，但是另一方面也更容易受周圍電磁環境的干擾，易造成電磁兼容問題（易受敏感），同時對鏈路中濾波器的要求提高。

3.3.3 加大發射機功率

增加發射極功率是改善通信距離非常有效的方式，不過隨著發射機功率的增大，可能引起對機上其他設備的電磁兼容問題（增加電磁輻射強度）；另外，功率加大還可能引起散熱問題或耗能的增加等; 并在安裝空間及重量上有所增加。

3.3.4 減少整個傳播鏈路上連接部位的插入損耗

此方式為有效的改進方式，對于通信距離的改善有一定的作用，主要是減少饋線損耗，各部件間連接頭插入損耗，濾波器損耗等。直升機如配置多部電臺應根據各電臺執行任務的差別，在滿足通信距離指標的前提下，充分考慮到設備重量、耗能、散熱、安裝空間、電磁兼容和備份能力等各方面的問題。

低空空地信道，因為飛行器的速度、飛行狀態和環境等特點不同于普通信道，隨著低空空域逐步開放，低空空域通信技術將長足發展。本文研究的初衷，就是希望根據已有通信知識，分析低空空地環境的特殊性，以此建立低空空地信道模型，并在此基礎上分析TD-LTE 技術在低空空地環境中的適用性。