中国民航4G-LTE地空宽带通信系统建设方案

何 跃，苏尚停，余 涛

（中兴通讯，广东深圳 518000）

中国民航4G-LTE地空宽带通信系统建设方案

何 跃，苏尚停，余 涛

（中兴通讯，广东深圳 518000）

通过空中上网三种模式的分析，剖析了地空宽带通信系统的现状，诠释了中兴通讯掌握地空通信的核心技术能力。综合分析民航地空宽带通信覆盖因素，给出了4G-LTE航空专网网络架构图，分析PRACH设计、自适应频移校正算法、超级小区等关键技术。

地空宽带通信；ATG；4G-LTE

在国内乘坐多数航班时，空乘人员总是反复提示乘客关闭如手机、平板电脑、笔记本电脑等电子设备的电源，并在飞行过程中严禁打开，这算是起飞前的常规性安全说明。而在国内部分2小时以上的航线或国际航线中，旅客通常可以在飞机进入高空平飞状态后，使用电脑等进行脱网办公或娱乐。故在飞机上的几个小时似乎与世隔绝、杳无音讯。

而随着通信技术的快速发展，适用于航班乘客的移动互联网技术，已开始逐步进入民用航班上。目前，空中上网有三种模式：

1）机上无线局域网：即利用平板电脑或手提电脑登录飞机上的局域网，浏览飞机机载局域网内的资源内容。

2）应用卫星通讯技术为旅客提供定制化的互联网服务。如：发文字微博、收发邮件、查看股票等。但由于其带宽较窄、费用较高，故被用于地面基站无法覆盖的国际航班。如图1所示。

3）在大陆航线上，飞机能与地面基站进行信息传输，故利用地空宽带通信技术实现上网服务。因其较卫星通信具有网速快，费用低的特点，被美国及其他欧洲国家广泛采用，但飞机不能偏离基站覆盖范围。如图2所示。

图1 通过卫星通讯系统上网示意图

图2 通过地空宽带系统上网示意图

1 中兴通讯的两次创新

2014年4月16 日，当北京飞往成都的CA4116进入高空平飞状态后，旅客们纷纷打开笔记本电脑和iPad忙碌起来：刷微博、聊QQ、看电视直播、打网络电话、举行地空视频会议……这一连串的旅客体验终将开启中国民航飞机上的互联网时代。

本次国航地空宽带是世界首个基于4G技术的地空宽带应用，中兴通讯作为地面基站通信设备惟一供应商，为国航提供了定制化的4G LTE地空宽带技术ATG（air to ground）解决方案，并全程提供技术和业务保障，给乘客带来了快速、便捷的地空宽带业务体验。这也必将成为中兴通讯发展的重要节点。

图3分别为CA4116航班上的国航方面的工作人员通过机上互联网与成都飞往北京的CA4109航班、以及北京、成都两地的国航运行控制中心召开四方实时地空视频会议，普通旅客与家人的视频聊天以及分别搭乘CA4116和CA4109航班的筷子兄弟组合歌手的隔空献艺（合唱）等画面。

而实际上，航空互联网服务早就出现了。早在2007年，中兴通讯就联手美国Aircell及高通，推出世界首个基于CDMA技术的地空宽带系统，随后空中上网服务开始在美国快速展开。截止目前，美国9家航空公司的超过1500架班机已经实现全面的空中互联网体验。由于帮助Aircell实现了高空EV-DO（Evolution-Data Optimized或者Evolution-Data only的缩写）网络的成功运营，中兴通讯获得由CDG（CDMA发展联盟）颁发的年度CDMA网络技术创新大奖。

中国的LTE地空宽带系统相比于CDMA EV-DO而言，可以提供更宽的带宽（CDMA EV-DO提供3.6M的带宽，而LTE提供30-60Mbps的带宽）和更高的下载速率。同时LTE对切换时间要求更低，更加适应在高速移动下的切换。

2 民航地空宽带通信覆盖分析

由于地空宽带通信的覆盖范围为万米高空，即没有遮挡物，所以覆盖较地面更加容易。但是在高速场景下，容易出现脱网、小区选择失败等网络问题。故高速航线网络对LTE系统设计带来了巨大的挑战。民航地空宽带通信覆盖分析如图4所示。

1）高速飞行带来巨大的多普勒频移。飞机移动速度为800 km/h ~1200km/h，需要优良的自适应频率跟踪及补偿算法消除多普勒频移。

2）小区切换问题。飞机航线高度6000 m-12000m，宽度25km，地面站高增益天线对空覆盖，每个地面站的覆盖高度>10km，宽度≥25km，半径≥100km，两地面站覆盖交叉区域为切换区域。与高铁场景不同，飞机移动速度虽然更快，但由于航线覆盖的小区半径相对更大（100KM以上），故移动终端的切换间隔约20分钟，飞机从地面站A的覆盖区域飞向地面站B的覆盖区域时，向地面站B发起切换请求，管理系统配合地面站将原来地面站A的业务链路切换到地面站B，飞机与地面站B建立链路，从地面站A断开连接，机舱内固定频率转发，用户不会感知切换过程。故为了完善切换性能，航线覆盖需要仔细设计小区间重叠区域和切换相邻小区的顺序。

因此，需要针对航线场景新建专网或将航线区域内的现有基站进行改造，形成专门针对航线覆盖的小区结构，通过优化切换和邻区设计来减化邻区关系，减小切换次数，提高网络KPI。

LTE地空航线宽带覆盖通信方案设计应考虑以下几个关键方面：

1）方案应为端到端的解决方案，在保证不影响航线正常工作的前提下，能够满足终端使用WiFi接入互联网的要求，甚至用户能直接使用手机终端接入语音、数据业务；

2）需要使用多普勒频偏补偿算法，保障航线覆盖范围内的通信性能；

3）解决超大小区覆盖时，随机接入的难题；

4）扩大单小区覆盖能力，减少切换，提升网络性能。

3 中兴通讯4G LTE地空宽带ATG通信系统解决方案

中兴通讯4G LTE地空宽带ATG解决方案，主要如上图所示使用地面LTE基站eNB（Evolved Node B）与飞机机载终端设备LTE CPE（Customer Premises Equipment）进行信息传输。在4G LTE技术的支持下，每架飞机可以获取的总带宽为30Mbps至60Mbps。

3.1 LTE地空航线宽带解决方案整体思路

LTE地空航线宽带解决方案如图5所示，整个系统分为3个部分：机内综合接入系统、LTE Backhaul、外网处理系统。

1）机内综合接入系统：由飞机机体内第三方Wi-Fi AP或泄露电缆、2/3G Femto及机载LTE CPE三部分组成。现行方案借助于Wi-Fi AP，机内用户使用电脑等终端接入机内局域网，Wi-Fi AP通过以太网接入到机载LTE CPE上，再通过机载特殊的外置天线向地面基站发送信息。

2）LTE Backhaul：主要由机载LTE CPE、航线沿途的专用LTE地空基站、LTE核心网以及接入路由器组成，机载各种业务能够通过LTE无线网络传输到各种制式的接入路由器。

3）外网处理系统：方案实施的第一阶段主要包括Wi-Fi的接入网关。接入路由器终结通用路由封装（GRE）隧道，并根据隧道内封装的2层报文转发到Wi-Fi接入网关。

3.2 LTE航线覆盖的关键技术

LTE航线覆盖的关键技术包括PRACH设计、自适应频偏校正算法、超级小区等。

3.2.1 PRACH（Physical Random Access Channel物理随机接入信道）设计

飞机覆盖小区半径为75km~100km，存在非常大的路径传输时延，因此，PRACH格式的选取和配置需要满足小区半径为100km的需求。影响PRACH支持小区最大半径的因素除了PRACH的前导配置格式，还有Ncs的取值。如图6所示，PRACH的前导配置格式有5种，此时最大覆盖距离MaxD2=c*GT/2，其中GT为PRACH中的空余时隙长度。对于不同的PRACH配置格式，其覆盖距离如表1所示，只有Format3格式才能支持小区半径为100km的网络覆盖。

表1 PRACH最大接入距离

另一因素NCS（循环移位值）的取值大小与前导配置格式有关，该值与小区半径的关系参考如下公式：

其中，对于前导格式0-3，N=24576，对于前导格式4，N=4096；

对于前导格式0-3，NZC=839，对于前导格式4，NZC=139；

TDS为最大多径时延扩展，是小区边缘UE对抗多径干扰的保护；

c为光速。TS=1/2048*15K

由关系式可得出：NCS越大，所支持的小区半径越大，但将占用更多的硬件资源。通过计算在Format3格式下，采用高速模式时仅可以支持半径为33km小区覆盖，不能满足航线覆盖要求。如果采用低速模式，小区覆盖半径可达100km，但此时会出现大时偏的情况。通过遍历母码表筛选合适的母码，保证对应的时偏较小即可满足高速大覆盖要求。

3.2.2 自适应频偏校正算法

中兴通讯自主知识产权的自适应频偏校正算法，能在基带层面实时地检测出当前子帧频率偏移的相关信息，然后对频偏造成的基带信号相位偏移予以校正，提升基带解调性能。

具体实现方法是基站根据接收到的上行信号的频偏，调整收信机接收频率，抵消多普勒效应导致的上行频率偏移；同时相应对下行发信频率置相同的偏移量，保证同机载LTE CPE的正常通信。

3.2.3 超级小区

针对单一航线覆盖场景，可以采用超级小区的链状组网如图7所示。eNB采用1个基带板支持1个超级小区（1个超级小区拥有1个cell id），该超级小区由两个Cell Portion（CP）组成，分属于同一个超级小区的2个RRU采用背靠背的方式分别支持两个CP。上行在基带数据处理时，合并各Cell Portion接收到的数据；下行对不同的CP加不同的时延值来进行发射，以解决在抱杆附近时（2个RRU的交叠区）下行解调性能剧烈波动的问题。

3.2.4 超级小区下ICIC

中兴通讯采用动态ICIC（小区间干扰协调）方法，借助基站间的X2口交互相邻基站的负载信息，根据邻小区和本小区的负载情况来自适应地调整边缘可用子频带，从而可以自适应地适配负载的变化，获得更好的频谱效率。

3.2.5 高速切换策略

飞机航速极快，高空稳定飞行时，航速一般超过800km/h，因此对于小区交界处的切换区域大小需要特别设计和分析，使得飞机飞过切换区域的时间小于LTE切换所需时间。

4 结束语

目前，中国移动除了在成都至北京的航线上部署了4G LTE地空宽带通信系统。还有京渝、京广、京沪航线的地空宽带通信服务也已经完成覆盖。随着中兴通讯4G LTE地空宽带ATG解决方案的广泛应用和试运行，可以预见，近几年内“中国民航地空宽带通信系统”将覆盖中国各大航空公司国内航班的所有航线，届时将真正实现飞机上的互联网时代。

[1] 陈继勋. 采用 LTE-FDD 实现地空覆盖[J]. 中兴通讯技术,2012, 16(5).

[2] 程鸿雁, 朱晨鸣, 王太峰，等. LTE FDD网络规划与设计[M].北京:人民邮电出版社, 2013.

[3] 中国民用航空飞行学院. 民航地空宽带通信系统[R/OL].2014-05-06.

Construction solution of CAAC 4G-LTE air-ground broadband communication system

HE Yue, SU Shang-ting, YU Tao
（ZTE Corp., Shenzhen, Guangdong, China 518000）

Through the analysis of three air online models, the paper introduces the current development of the air-ground broadband communication system and describes the core technologies of the air-ground communication owned by ZTE.Considering the wireless coverage factors of civil aviation air-ground broadband communications, this paper has given the 4G-LTE aviation private network architecture design and discussed some key technical points such as PRACH design, adaptive frequency shift correction algorithm and super cell.

air-ground broadband communication; ATG; 4G-LTE

10.3969/j.issn.2095-7661.2014.02.003】

TN929.5

A

2095-7661(2014)02-0012-05

2014-04-30

何跃（1986-），男，重庆人，中兴通讯教育合作中心产品部产品经理，研究方向：光传输、无线通信。