基于TD-LTE的低空通航通信专网设计*

马晓明 赵大胜 池海祥

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

基于TD-LTE的低空通航通信专网设计*

马晓明1赵大胜1池海祥2

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

构建安全稳定的宽带低空通航通信网络对于保障通航飞机管控和提高通信保障能力尤为重要,论文分析了现有民航现有地空通信手段存在的问题,论证了建设TD-LTE地空通信网络的必要性,论述了TD-LTE专网技术方案,并分析了其可行性。

TD-LTE; 低空覆盖

Class Number TP393

1 引言

随着国家对三千米以下低空空域管制的开放,民用通航产业将引来大发展。低空通信业务量也将随之大幅增加,对通信网的速率和安全性提出了更高的要求,要求不仅能传输飞机位置、状态等管控信息,还需要能承载机组及乘客对地话音/数据通信业务[1]。

未来低空通航通信系统应具备以下主要功能：保障地空间空管格式化消息通信、保障地空间话音通信和宽带数据通信、支持保密通信和非密通信。其中,格式化数据业务包括空中交通业务(放行许可、管制移交、飞行动态、航行通告、天气预报、飞行员位置报告等)和航务管制通信业务(包括气象情况、飞行计划数据、飞行情报、空中态势等)；话音通信业务包括机组人员、机上旅客的话音通信业务；宽带数据业务可以IP方式承载。

目前用于空中管制的甚高频话音通信系统,通信频道拥挤、人为干扰等缺陷日益突出,直接影响到飞行安全和地面对空中目标的管控[2]。民航飞机目前使用的ACARS(飞机通信寻址与报告系统)和ADS-B(广播式自动相关监视系统)仅支持格式化消息传输,未加密且通信速率较低,安全性较差且不满足话音通信、宽带数据传输等保障要求,因此亟待构建高速、大容量、可支持话音通信、宽带数据通信的低空通信系统,以满足未来通航产业通信保障需求[3～5]。

TD-LTE系统具备自主知识产权、高容量、大带宽、广覆盖等特点,已在我国移动通信领域得到了广泛应用,技术成熟稳定。但商用TD-LTE因覆盖范围、天线方向图等原因无法直接用于提供地空通信保障,需要建设基于TD-LTE的低空通信专网,对其基站覆盖范围、天线等进行针对性优化设计[6]。

2 地空通信现状

民航通信最早是通过高频(High Frequency,HF)和甚高频(Very High Frequency,VHF)进行话音通信保障,但随着民航运输业的迅猛发展,民航通信业务量大大增加,话音通信 VHF 频道拥挤和阻塞、HF系统通信质量不高、人为因素干扰容易使人产生误解和错误等缺陷日益突出,直接影响飞行安全和航班准点。

为了提高通信链路的可靠性和完整性,航空公司引入了 VHF 地空数据通信系统。当前世界很多地区均采用面向字符的 VHF飞机通信寻址与报告系统(Aircraft Communication Addressing and Reporting System,ACARS)。ACARS是一种在航空器和地面站之间通过无线电或卫星传输短消息(报文)的数字数据链系统。ACARS 系统地空通信的工作频段为VHF频段(117.975MHz～137MHz),单信道带宽25KHz,采用半双工通信,采用载波侦听方式信道接入方式,通信速率为2.4Kbps。ACARS基于字符传输,支持格式化消息传输,包含空中交通管制(ATC)、航空运行控制(AOC)和航线管理控制(AAC)三类消息,消息格式符合ARINC 750规范和ARINC618协议。ACARS初步解决了地空间数字通信,但其通信速率较低,仅2.4Kbps,且只支持格式化消息,无法满足未来地空间话音和宽带数据通信保障要求。

欧美国家进一步设计了广播式自动相关监视系统(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B),无需人工操作或者询问,可以自动地从相关机载设备获取参数向其他飞机或地面站广播飞机的位置、高度、速度、航向、识别号等信息,以供管制员对飞机状态进行监控。目前,ADS-B技术可选的数据链技术有Mode S 1090ES、UAT和VDL Mode4三种,我国民航采用Mode S 1090ES。Mode S 1090ES是基于S模式应答机的一种技术,采用简单的PPM脉冲位置编码。1090ES消息格式包含24比特码、高度、呼号、位置等。由于信息格式简单,承载信息能力有限,所以在一个编码中只能传输一个特定的信息,而这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,航路点信息每1.6s～1.8s更新一次。1090ES消息接收单元收到来自空中接口的位置、速度、标识等信息,通过报告汇总生成单元形成标准的ADS-B报告(包括状态报告、模式报告和OC报告),并以Category 021的数据格式发送至ADS-B数据用户。

现有通信手段中,甚高频话音通信不支持数据传输,ACARS通信速率仅在Kbps级别,ADS-B技术仅承载格式化消息传输,不支持话音通信和宽带IP数据通信,且存在丢包率较高问题。德国学者Martin Strohmeier, Matthias Schäfer等对ADS-B中欧地区实测数据进行了分析,研究表明当地面站接收范围空域内飞机较少时,误包率在10%左右,当ADS-B接收机覆盖空域内飞机达到60架时,误包率达到45%[5]。究其原因,二次雷达Mode A/C/S业务量达到ADS-B业务量的50倍之多,参与播发二次雷达信息的飞机是广播ADS-B信息飞机的1.5倍,加之1090ES采用随机接入信道方式,空中飞机数量增多时,信道碰撞加剧,丢包率上升。

3 现有TD-LTE商用网络用于低空通信覆盖的局限性

目前TD-LTE技术已应用于移动、电信、网通等三大运营商,网络基本覆盖全国,技术先进、网络稳定,其下行峰值速率达到100Mbps、上行可达到50Mbps。单基站覆盖三个小区,每小区激活用户数最大400,在线用户数1200。空口、地面传输网均有严格的安全性保证。控制时延小于100ms,业务时延小于5ms,可支持实时业务传输。

基于TD-LTE构建地空通信专网,不仅可以传输飞机位置、气象、管控等空管格式化消息,还可以支持地空话音通信和宽带数据接入服务,为构建地空移动互联网和大数据应用提供传输管道。

TD-LTE相比ADS-B、ACARS(飞机通信寻址与报告系统)具有以下技术特点和优势：

1) 对空通信速率高,带宽利用率远高于ADS-B和ACARS；

2) 可承载空管格式化数据业务、IP数据业务和话音通信业务,ADS-B和ACARS仅支持格式化数据业务；

3) 可支持单播、组播、广播类业务,ADS-B和ACARS仅支持广播业务；

4) 信令传输和数据传输实时性强,其信道接入采用时分结合OFDMA方式,时延严格可控,ADS-B、ACARS采用随机接入方式,当低空空域飞行器数量较多时,业务时延不可控。

5) 网络覆盖成本低,分散布置三台基站即可覆盖一个大中型城市低空空域,基于蜂窝状布置多台基站可以覆盖更大空域。

但现有TD-LTE基站主要用于解决地面用户覆盖,如果用于低空覆盖存在天线覆盖局限性、多基站空中干扰两个主要问题。

基站天线覆盖局限性：现有TD-LTE网络重点服务地面用户,其基站天线方向图呈伞状覆盖地面,天线主瓣俯仰面较窄且主瓣下倾8°～16°。为避免对邻近小区基站造成干扰,对上旁瓣进行抑制,第一上旁瓣抑制要求16dB以上。上旁瓣增益随仰角变化变化剧烈,且零陷较为严重,部分仰角时上旁瓣抑制度达到30dB以上。图1为一基站典型天线方向图,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,第三上旁瓣抑制度与第一上旁瓣相当。但主瓣与第一上旁瓣间、第二上旁瓣与第三上旁瓣间存在较深的零陷。其对低空覆盖能力有限,造成通信中断。

多基站空中干扰：目前TD-LTE基站为提升频率复用效率和对室内覆盖效率,市区内单基站覆盖半径在300m以内,个别区域增大覆盖半径,但亦不超过500m。两个共用频率的基站距离300m～500m左右。目前基站天线多下倾8°～16°,使用主瓣覆盖地面,对第一上旁瓣进行了抑制以压制水平方向对临近小区的干扰。但其第二三上旁瓣抑制度较低以及天线下倾后的后向辐射均朝向空中辐射,空中存在多个基站辐射的信号,且存在较强的同频干扰,会对飞行器的接收造成干扰。

距离较远的基站可能覆盖到飞行器,但这将给TD-LTE基站网络优化带来困扰。因TD-LTE基站覆盖半径城区限定在300m以内,几公里外的飞行器如果接入将给基站频率规划和跨区切换造成干扰。

低空空域不同于地面网络,其用户分布相对稀疏,宜构建TD-LTE专网进行通信保障,专网采用专用频段,既满足低空通航通信要求,也不干扰地面TD-LTE网络正常通信。

4 TD-LTE低空通信专网方案

TD-LTE地空通信专网由地面LTE基站、核心网设备EPC、低空通航信息中心和机载综合通信管控终端构成。

LTE基站根据空域进行面状布设,每个基站通信半径最大可以连续覆盖50km。基站天线采用定制对空覆盖天线。基站和机载综合通信管控终端之间通过LTE空口信号进行通信。基站和核心网之间通信通过光传输网络来完成,光传输网络可以租用运营商的传输网。

LTE基站设备(eNodeB)采用分布式基站设备,由基带单元设备(BBU)、射频远端设备(RRU)构成,是一种可以灵活分布式安装的基站组合。

核心网设备包括MME(移动管理设备)、X-GW(服务网关)和HSS(服务数据管理网元),主要完成接入、控制和管理等功能。

低空通航信息中心放置业务支撑和存储平台,主要完成地空宽带系统设备的后台管理、放号、信令跟踪、飞行测试数据的存储等。使用加密卡保证保证数据的机密性、完整性和合法性。低空通航信息中心通过IP专线连接到核心网。

飞机上安装综合通信管控终端,与LTE基站间通信,接受低空通航信息中心的管控,完成位置、状态等信息上报。低空通航信息中心负责与机载综合通信管控终端间交互认证信息、位置信息、状态信息、管控信息和气象服务等信息。机载综合通信管控终端与低空通航信息中心内嵌密码模块,该模块提供加解密、杂凑以及随机数生成等密码服务,保障两者之间信息交互的安全性(机密性、完整性以及合法性)。

机载综合通信管控终端通过认证后,可通过核心网和电信业务承载网,与地面PSTN电话网、蜂窝电话网和互联网连接,其计费由核心网完成,其间信息不加密,为明文传输。

5 TD-LTE低空通信专网技术可行性分析

对TD-LTE基站天线进行低空覆盖优化,增强上旁瓣。其主瓣3dB水平宽度120°,俯仰面仰角30°以内增益大于4dB,大仰角时增益大于负1dB,大仰角时飞机距离基站较近,链路衰减较小。

主要技术指标：

1) 工作频段：暂定2145MHz～2170MHz；

2) 驻波比：≤2；

3) 方向图：水平120″、俯仰面波束宽度≥30°；

4) 增益：最大方向≥7dBi、顶部区域≥-1dBi；

5) 极化方式：圆极化。

参照以下参数计算：

1) 工作频率：2.1GHz频段；

2) 终端辐射功率：30dBm(1W)；

3) TD-LTE机载天线：最大方向3dB,仰角0°～30°时天线增益≥0dB,其他仰角时≥-5dB;

4) 基站天线：最大方向7dB,仰角0°～30°时天线增益≥3dB,其他仰角时≥-1dB;

5) 基站接收灵敏度：-104dB；

6) 飞机高度：3000m。

表1为飞行器距离基站不同距离时的链路余量。

表1 不同距离时链路余量

可见在飞行器距基站1km～50km内均有较大的通信余量,可以正常通信。在飞行器距离基站较近时,因仰角大,旁瓣衰减较大,但此时链路衰减较小,通信余量充足。在飞行器距离基站超过10km时,进入第一上旁瓣区域,链路衰减增加,但天线增益亦增加。当飞行器距离基站超过40km时,链路衰减增加,但天线主瓣增益增大,依然有超过9dB的余量。

由上节可知,基站对移动台可有效覆盖50km以上,基站参考民用TD-LTE基站采用蜂窝状六边形布置,基站间距离70km,二者覆盖边缘保证一定重叠,以便于移动台跨区切换。

6 结语

本文首先论述了未来低空通航通信网需满足的通信业务需求,分析了现有甚高频话音通信、ACARS和ADS-B等地空通信手段的局限性。分析了现有商用TD-LTE网络保障低空通信存在的问题,提出了TD-LTE低空通信专网技术方案,并分析了该方案的可行性。

[1] 罗帅.低空开放对空管的影响及应对策略[J].军民两用技术与产品,2016(10),29-30.

[2] 罗翔.民航甚高频地空通信远距离同频话音干扰分析[J].中国信通信,2016,15,124-126.

[3] 张力支.实现飞机状态监视的ACARS数据链新应用[J].电讯技术,2014, 54(11),1565-1568.

[4] 程擎,张海荣,张武.民航ADS—B地面站部署优化仿真研究[J].计算机仿真,2015,32(5),19-23.

[5] M.Strohmeier, M.Schäfer, 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无线网络覆盖特性浅析[J].电信科学,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

马晓明,男,高级工程师,研究方向：地空通信系统设计。赵大胜,男,博士,高级工程师,研究方向：无线通信网络基带及协议设计。池海祥,男,硕士,研究方向：LTE通信专网设计。

TP393

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.013