张少伟 侯继江 王骏彪 刘蕾 芒戈
【摘 要】为满足乘客对空中上网日益强烈的需求,实现地面网络与天基网络的互联互通和优势互补,天地协同组网成为5G移动通信演进的技术方向之一。相比于时延长、成本高的卫星宽带接入,ATG地空通信系统时延短、成本低、速率快,具有良好的应用前景。为研究ATG业务需求,首先基于5G技术分析了ATG地空通信系统的组网形式,然后对飞机位于ATG基站不同位置时3 400—3 500 MHz 5G NR频段的系统容量进行了分析比较,通过分析证明,将3.5 GHz 5G NR频段用于ATG业务能够很好地满足其业务需求。
【关键词】5G网络;ATG;组网形式;容量
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.001 中图分类号:TN929.5
文獻标志码:A 文章编号:1006-1010(2020)07-0002-05
引用格式:张少伟,侯继江,王骏彪,等. 基于5G的ATG组网形式及容量研究[J]. 移动通信, 2020,44(7): 2-6.
0 引言
在5G迅速发展的形势下,用户对于终端设备及应用粘性越来越高,同时越来越多的行业用户需要可远程或者更智慧的网络。尽管移动宽带服务在陆地上变得越来越普遍,但空中连接仍然受到限制[1],航空场景是目前唯一高需求无线覆盖的盲区,这对某些需要保持网络不中断的商务及政府事宜显得非常重要。
地空通信系统,是为旅客和机组人员在航空器上提供宽带通信的服务系统。目前主流解决方案主要有三种模式:
(1)机载无线局域网:利用手提电脑或平板电脑等终端设备连接机载局域网,浏览局域网内的本地资源,但无法浏览其他外网资源。
(2)基于卫星的宽带接入技术:利用卫星、飞机和卫星地面站三者进行数据通讯,其优势是通讯范围广泛,可实现国际漫游,因此尤为适合国际航线。但其缺点也较为明显,由于数据传输的距离非常远而导致通信时延较大;在设备、维护和带宽成本方面花费高;在机身有抖动或者做一些机动的时候,会因为天线姿态问题而导致信号受到比较大的影响,网速稳定性差。
(3)基于地面基站的宽带接入技术,即AT(Gair to Ground)技术[2]。利用成熟的陆地移动通信技术,针对航空高速移动、广覆盖等特性进行定制化开发,在地面建设天线能够覆盖天空的专用基站,构建一张地空立体覆盖的专用网络,实现地空高速数据传送。
卫星宽带接入和ATG宽带接入的优劣势对比如表1所示[3]:
为了改善乘客的入网体验,需要利用5G NR无线接入技术。5G NR将在未来几年内成为一种主导的计入技术,涉及eMBB、URLLC和mMTC三种场景[4],同时在3GPP Release17中对NR NTN的研究也包含了对ATG地空通信业务的支持[5]。
我国的国土陆地面积较大,国内航线占比高,且目前国内电信运营商地面基站网络覆盖面积广,技术成熟,带宽宽,速率高,具有良好发展ATG地空通信系统研究的基础条件。相比欧美等成熟的ATG市场,我国在普及程度方面仍有较大差距,所以针对国内航班的飞行与需求现状,在我国开展ATG地空通信系统的研究是十分具有意义及现实使用前景的。
1 ATG地空通信系统组网形式
ATG地空通信系统网络组成主要包括机载网络和地面网络两部分。如图1所示,沿飞行航路或特定空域架设地面基站,利用基站信号覆盖上空不同高度层的飞机,基站与飞机建立通信后再接入宽带互联网,同时机场也接入互联网,从而形成一个大的宽带网络。
针对高速飞行带来巨大的多普勒频移,以及小区切换问题,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,如图2所示:
(1)ATG机载网络
ATG机载网络组成主要包括机载天线、机载无线AP、机载服务器和机载CPE等,地面基站和机舱内用户终端通过机载天线、机载CPE、机载服务器和机载无线AP来实现数据传输,如图3所示:
(2)ATG地面网络
ATG地面网络主要包括5G RAN、5GC和数据中心等,如图4所示。5G核心网采用分离式架构[6],一方面通过网络功能虚拟化,并通过软件化、模块化和服务化方式构建网络,在服务化架构下,各个网络功能独立自治,无论新增、升级还是改造都不会影响其他网络功能;另一方面,控制面和用户面的彻底分离,用户面功能摆脱集约化部署的约束,可以灵活部署于核心网和接入网等不同层面[7]。
2 ATG地空通信系统容量
3.5 GHz(3 400 MHz—3 600 MHz)具有200 MHz连续频谱资源,是目前sub-6GHz以下有限的使用频率之一,也是5G产业界公认的热门频谱之一。目前中国电信和中国联通分别获得3.5 GHz频段中的各100 MHz频谱,中国移动获得2.6 GHz与4.9 GHz频段用于各自的5G网络建设。本文采用3.5 GHz频段进行分析。
为有效降低小区间的导频干扰,采用NR ATG。ATG蜂窝小区半径为100~200 km[8],小区交叠带为20%左右,站间距为150~180 km。由于终端移动速度介于800 km/h与1 200 km/h之间,故终端切换时间约为180 km/1000 km/h=0.18 h,ATG覆盖区域如图5所示:
典型的网络规划通常会使用如图6所示的传统三扇区组网,即基站信号覆盖三个扇区,每个扇区的覆盖角度为水平120°。本文中采用了容量更大、天线增益更高的单站六扇区模式进行组网,为了减少小区间的对打,六扇区组网示意图如图7所示:
在单站六扇区天线组网中,采用劈裂天线,在水平方向上将一个120°的扇区劈裂为两个60°的扇区,即由两个33°的3 dB波束共同覆盖120°扇区,每个波束为一个独立逻辑小区,如图8所示,其120°扇区水平面天线方向图如图9所示:
地面基站3.5 GHz天线覆盖示意图如图10所示,其中NR天线的3 dB瓣宽为10°。
ATG参数信息如表2所示,eNode-B参数信息如表3所示。
表4基于现有地面高铁沿线小区业务比例统计,预测机上业务模型,其中1 s内上网并发乘客数量比例为100%。表5中对飞机处ATG基站不同位置时的频谱效率和系统容量等参数进行了计算分析,其中,当小区范围的SINR值高于5 dB时,数据流采用双流模式,反之采用单流模式,比较结果如图11所示。
由表4可得机上能满足乘客并发业务的下行总速率需求为37.5 Mbps,根据表5和图11可得当飞机位于基站天线方向图法线方向进行飞行时,在小区边缘处容量为41.96 Mbps,完全满足业务需求。此外,虽然飞机在基站天线方向图3 dB瓣宽且距离ATG基站90 km和在交叠带且距离ATG基站15 km两种情况下容量无法满足业务需求,若进一步缩小站间距至150 km以下,可使整个小区范围内容量超过总速率需求。因此,将3.5G Hz 5G NR频段用于ATG业务能够很好地满足其业务需求。
3 结束语
自2018年机上便携式电子設备全面开放以来,在国家政策指引下,监管机构、航空公司、电信运营商、公众和媒体均投入了极高的关注度。对ATG地空宽带通信系统组网形式、频谱效率和容量的分析讨论能够加快ATG业务的发展。为增强ATG地空通信系统的性能,充分发挥5G技术特性,未来ATG可同步采用5G最新技术制式,以达到与地面网络同性能的业务速率,同时考虑研究同站邻区干扰消除技术,进一步提高系统容量。此外,开展ATG业务将与其他卫星系统和地面系统间存在潜在干扰,因此需要继续研究系统间的频率兼容性问题。
参考文献:
[1] R J P , N J , F E B, et al. Mile High WiFi: A First Look At In-Flight Internet Connectivity[C]//The 2018 World Wide Web Conference. 2018.
[2] 徐珉,胡南,李男. 天地协同组网移动性管理技术研究[C]//5G网络创新研讨会(2019). 北京: 移动通信杂志社, 2019.
[3] 王靖,黄曜明,谢宁,等. ATG地空通信业务分析与策略
研究[J]. 电信工程技术与标准化, 2019,32(2): 75-79.
[4] L X. Debunking Seven Myths about 5G New Radio[Z]. 2019.
[5] 3GPP. 3GPP TSG RAN meeting #86: Solutions for NR
to support non-terrestrial networks (NTN)[S]. 2019.
[6] 3GPP. 3GPP TS 23.501 V16.4.0: System architecture for the 5G System; Stage 2 (Release 16)[S]. 2020.
[7] 3GPP. 3GPP TS 29.244 V16.3.1: Interface between the Control Plane and the User Plane Nodes; Stage 3 (Release 16)[S]. 2020.
[8] 杜晓实,宗显政. ATG系统中MIMO天线技术的研究[J]. 通信技术, 2017,50(2): 370-376.
作者简介
张少伟(orcid.org/0000-0002-2312-6111):工程师,毕业于北方工业大学,现任职于中国电信股份有限公司研究院,研究方向为5G频谱技术和组网技术。
侯继江:高级工程师,现任职于中国电信股份有限公司,研究方向为5G频谱技术、组网技术、天地一体化和应急通信。
王骏彪:高级工程师,毕业于南京邮电学院,现任职于中国电信股份有限公司云南分公司网络建设发展部,研究方向为5G频谱技术和组网技术。