基于5G的ATG组网形式及容量研究

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。