基于5G的ATG組網(wǎng)形式及容量研究

張少偉 侯繼江 王駿彪 劉蕾 芒戈

【摘? 要】為滿足乘客對空中上網(wǎng)日益強烈的需求，實現(xiàn)地面網(wǎng)絡與天基網(wǎng)絡的互聯(lián)互通和優(yōu)勢互補，天地協(xié)同組網(wǎng)成為5G移動通信演進的技術(shù)方向之一。相比于時延長、成本高的衛(wèi)星寬帶接入，ATG地空通信系統(tǒng)時延短、成本低、速率快，具有良好的應用前景。為研究ATG業(yè)務需求，首先基于5G技術(shù)分析了ATG地空通信系統(tǒng)的組網(wǎng)形式，然后對飛機位于ATG基站不同位置時3 400—3 500 MHz 5G NR頻段的系統(tǒng)容量進行了分析比較，通過分析證明，將3.5 GHz 5G NR頻段用于ATG業(yè)務能夠很好地滿足其業(yè)務需求。

【關(guān)鍵詞】5G網(wǎng)絡;ATG;組網(wǎng)形式;容量

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.001? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0002-05

引用格式：張少偉，侯繼江，王駿彪，等. 基于5G的ATG組網(wǎng)形式及容量研究[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 2-6.

0? ?引言

在5G迅速發(fā)展的形勢下，用戶對于終端設備及應用粘性越來越高，同時越來越多的行業(yè)用戶需要可遠程或者更智慧的網(wǎng)絡。盡管移動寬帶服務在陸地上變得越來越普遍，但空中連接仍然受到限制[1]，航空場景是目前唯一高需求無線覆蓋的盲區(qū)，這對某些需要保持網(wǎng)絡不中斷的商務及政府事宜顯得非常重要。

地空通信系統(tǒng)，是為旅客和機組人員在航空器上提供寬帶通信的服務系統(tǒng)。目前主流解決方案主要有三種模式：

（1）機載無線局域網(wǎng)：利用手提電腦或平板電腦等終端設備連接機載局域網(wǎng)，瀏覽局域網(wǎng)內(nèi)的本地資源，但無法瀏覽其他外網(wǎng)資源。

（2）基于衛(wèi)星的寬帶接入技術(shù)：利用衛(wèi)星、飛機和衛(wèi)星地面站三者進行數(shù)據(jù)通訊，其優(yōu)勢是通訊范圍廣泛，可實現(xiàn)國際漫游，因此尤為適合國際航線。但其缺點也較為明顯，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x非常遠而導致通信時延較大;在設備、維護和帶寬成本方面花費高;在機身有抖動或者做一些機動的時候，會因為天線姿態(tài)問題而導致信號受到比較大的影響，網(wǎng)速穩(wěn)定性差。

（3）基于地面基站的寬帶接入技術(shù)，即AT（Gair to Ground）技術(shù)[2]。利用成熟的陸地移動通信技術(shù)，針對航空高速移動、廣覆蓋等特性進行定制化開發(fā)，在地面建設天線能夠覆蓋天空的專用基站，構(gòu)建一張地空立體覆蓋的專用網(wǎng)絡，實現(xiàn)地空高速數(shù)據(jù)傳送。

衛(wèi)星寬帶接入和ATG寬帶接入的優(yōu)劣勢對比如表1所示[3]：

為了改善乘客的入網(wǎng)體驗，需要利用5G NR無線接入技術(shù)。5G NR將在未來幾年內(nèi)成為一種主導的計入技術(shù)，涉及eMBB、URLLC和mMTC三種場景[4]，同時在3GPP Release17中對NR NTN的研究也包含了對ATG地空通信業(yè)務的支持[5]。

我國的國土陸地面積較大，國內(nèi)航線占比高，且目前國內(nèi)電信運營商地面基站網(wǎng)絡覆蓋面積廣，技術(shù)成熟，帶寬寬，速率高，具有良好發(fā)展ATG地空通信系統(tǒng)研究的基礎條件。相比歐美等成熟的ATG市場，我國在普及程度方面仍有較大差距，所以針對國內(nèi)航班的飛行與需求現(xiàn)狀，在我國開展ATG地空通信系統(tǒng)的研究是十分具有意義及現(xiàn)實使用前景的。

1? ?ATG地空通信系統(tǒng)組網(wǎng)形式

ATG地空通信系統(tǒng)網(wǎng)絡組成主要包括機載網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡兩部分。如圖1所示，沿飛行航路或特定空域架設地面基站，利用基站信號覆蓋上空不同高度層的飛機，基站與飛機建立通信后再接入寬帶互聯(lián)網(wǎng)，同時機場也接入互聯(lián)網(wǎng)，從而形成一個大的寬帶網(wǎng)絡。

針對高速飛行帶來巨大的多普勒頻移，以及小區(qū)切換問題，需要針對航線場景新建專網(wǎng)或?qū)⒑骄€區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有基站進行改造，形成專門針對航線覆蓋的小區(qū)結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

（1）ATG機載網(wǎng)絡

ATG機載網(wǎng)絡組成主要包括機載天線、機載無線AP、機載服務器和機載CPE等，地面基站和機艙內(nèi)用戶終端通過機載天線、機載CPE、機載服務器和機載無線AP來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，如圖3所示：

（2）ATG地面網(wǎng)絡

ATG地面網(wǎng)絡主要包括5G RAN、5GC和數(shù)據(jù)中心等，如圖4所示。5G核心網(wǎng)采用分離式架構(gòu)[6]，一方面通過網(wǎng)絡功能虛擬化，并通過軟件化、模塊化和服務化方式構(gòu)建網(wǎng)絡，在服務化架構(gòu)下，各個網(wǎng)絡功能獨立自治，無論新增、升級還是改造都不會影響其他網(wǎng)絡功能;另一方面，控制面和用戶面的徹底分離，用戶面功能擺脫集約化部署的約束，可以靈活部署于核心網(wǎng)和接入網(wǎng)等不同層面[7]。

2? ?ATG地空通信系統(tǒng)容量

3.5 GHz（3 400 MHz—3 600 MHz）具有200 MHz連續(xù)頻譜資源，是目前sub-6GHz以下有限的使用頻率之一，也是5G產(chǎn)業(yè)界公認的熱門頻譜之一。目前中國電信和中國聯(lián)通分別獲得3.5 GHz頻段中的各100 MHz頻譜，中國移動獲得2.6 GHz與4.9 GHz頻段用于各自的5G網(wǎng)絡建設。本文采用3.5 GHz頻段進行分析。

為有效降低小區(qū)間的導頻干擾，采用NR ATG。ATG蜂窩小區(qū)半徑為100～200 km[8]，小區(qū)交疊帶為20%左右，站間距為150～180 km。由于終端移動速度介于800 km/h與1 200 km/h之間，故終端切換時間約為180 km/1000 km/h=0.18 h，ATG覆蓋區(qū)域如圖5所示：

典型的網(wǎng)絡規(guī)劃通常會使用如圖6所示的傳統(tǒng)三扇區(qū)組網(wǎng)，即基站信號覆蓋三個扇區(qū)，每個扇區(qū)的覆蓋角度為水平120°。本文中采用了容量更大、天線增益更高的單站六扇區(qū)模式進行組網(wǎng)，為了減少小區(qū)間的對打，六扇區(qū)組網(wǎng)示意圖如圖7所示：

在單站六扇區(qū)天線組網(wǎng)中，采用劈裂天線，在水平方向上將一個120°的扇區(qū)劈裂為兩個60°的扇區(qū)，即由兩個33°的3 dB波束共同覆蓋120°扇區(qū)，每個波束為一個獨立邏輯小區(qū)，如圖8所示，其120°扇區(qū)水平面天線方向圖如圖9所示：

地面基站3.5 GHz天線覆蓋示意圖如圖10所示，其中NR天線的3 dB瓣寬為10°。

ATG參數(shù)信息如表2所示，eNode-B參數(shù)信息如表3所示。

表4基于現(xiàn)有地面高鐵沿線小區(qū)業(yè)務比例統(tǒng)計，預測機上業(yè)務模型，其中1 s內(nèi)上網(wǎng)并發(fā)乘客數(shù)量比例為100%。表5中對飛機處ATG基站不同位置時的頻譜效率和系統(tǒng)容量等參數(shù)進行了計算分析，其中，當小區(qū)范圍的SINR值高于5 dB時，數(shù)據(jù)流采用雙流模式，反之采用單流模式，比較結(jié)果如圖11所示。

由表4可得機上能滿足乘客并發(fā)業(yè)務的下行總速率需求為37.5 Mbps，根據(jù)表5和圖11可得當飛機位于基站天線方向圖法線方向進行飛行時，在小區(qū)邊緣處容量為41.96 Mbps，完全滿足業(yè)務需求。此外，雖然飛機在基站天線方向圖3 dB瓣寬且距離ATG基站90 km和在交疊帶且距離ATG基站15 km兩種情況下容量無法滿足業(yè)務需求，若進一步縮小站間距至150 km以下，可使整個小區(qū)范圍內(nèi)容量超過總速率需求。因此，將3.5G Hz 5G NR頻段用于ATG業(yè)務能夠很好地滿足其業(yè)務需求。

3? ?結(jié)束語

自2018年機上便攜式電子設備全面開放以來，在國家政策指引下，監(jiān)管機構(gòu)、航空公司、電信運營商、公眾和媒體均投入了極高的關(guān)注度。對ATG地空寬帶通信系統(tǒng)組網(wǎng)形式、頻譜效率和容量的分析討論能夠加快ATG業(yè)務的發(fā)展。為增強ATG地空通信系統(tǒng)的性能，充分發(fā)揮5G技術(shù)特性，未來ATG可同步采用5G最新技術(shù)制式，以達到與地面網(wǎng)絡同性能的業(yè)務速率，同時考慮研究同站鄰區(qū)干擾消除技術(shù)，進一步提高系統(tǒng)容量。此外，開展ATG業(yè)務將與其他衛(wèi)星系統(tǒng)和地面系統(tǒng)間存在潛在干擾，因此需要繼續(xù)研究系統(tǒng)間的頻率兼容性問題。

參考文獻：

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作者簡介

張少偉（orcid.org/0000-0002-2312-6111）：工程師，畢業(yè)于北方工業(yè)大學，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司研究院，研究方向為5G頻譜技術(shù)和組網(wǎng)技術(shù)。

侯繼江：高級工程師，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司，研究方向為5G頻譜技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、天地一體化和應急通信。

王駿彪：高級工程師，畢業(yè)于南京郵電學院，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司云南分公司網(wǎng)絡建設發(fā)展部，研究方向為5G頻譜技術(shù)和組網(wǎng)技術(shù)。