对大型客机的Internet接入的研究.docx
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对大型客机的Internet接入的研究
对大型客机的Internet接入的研究
摘要:
在国际经济全球化发展的大背景下,国际互联网已经成为商务人士不可缺少的信息交流平台。
飞机机舱内本是一个既不能上网也没有手机信号的地方。
但现在公务飞行的旅客,有69%的人希望能在飞机上保持通讯设备的开机状态,93%的人希望飞机上能收发邮件。
大部分旅客希望能通过上网来缓解漫长旅途的无聊。
所以能在飞机上上网成为了很有前景且要求的迫切的需求,空中宽带技术的发展使飞机上连入网络的问题成为了可能。
空中宽带无线通信技术是国内外近年来开展研究的地空通信技术,地空宽带无线通信可以为航空运输创造一个安全、高效的网络运行环境,为乘客提供互联网接入等服务。
本文对大型客机接入互联网问题进行了学习和探讨,并提出了相应的方案以及链路计算等问题。
关键词:
无线接入、射频系统、星地通信,DVB-S2、TDMA
0、研究背景
随着空中上网的要求越来越迫切,各方面的研发也在积极进行中。
国际民航组织已经为地空宽带无线通信技术的应用和发展相继推出了推存技术标准和建设措施。
国际航空界近年来也一直积极推进该技术的研究和推广应用,目前比较具有代表性和影响力的研究和应用项目主要有美国的Connexion、Row44和Aircell以及欧洲的OnAir计划。
其简介如下[1]:
1、Connexion
波音公司于2001年开发名为ConnexionbyBoeing(CBB)的空中在线互联网连接服务,使其飞机在飞行中通过有线以太网或无线802.11Wi-Fi连接国际互联网。
地面基站使用的是相控阵天线Ku波段天线。
在飞机上,租用卫星转发器与地面基站互联,提供上网服务,其下行速率可达20Mbit/s和上行速度可达2Mbit/s。
2、Row44
Row44总部位于美国加州,该公司主要为世界各地的商用飞机提供空中宽带连接和无线机上娱乐功能。
截至2012年10月,Row44公司已为7家航空公司的飞机安装其上网设备。
该公司使用全球卫星与地面基站设施提供空中宽带服务卫星连接服务,即先为飞机加装Ku波段天线系统,让Ku波段天线与地球同步轨道卫星的通信,通过天线控制单元(ACU)、调制解调器数据单元(MDU)、服务器管理单元(SMU)、高功率收发器(HPT)等相应设备及协议接受卫星信号,并调整为网络信号。
3、Aircell
2008年8月5日,达美航空公司宣布,在其航空公司飞机上安装Aircell的Gogo空中互联网服务系统。
用户只要事先在自己上网设备(个人电脑、支持Wi-Fi的手机、平板电脑)上安装其Gogo软件客户端,购买Gogo上网点卡,在飞机上联接Wi-Fi信号,打开Gogo软件客户端中输入自己的用户名和密码,就可以在空中上网了。
Gogo的空中上网原理与波音的Connexion和Row44不同。
Gogo没有使用卫星,仅仅使用了地面基站,让地面基站向万米高空发射信号,飞机底部加装的设备接收地面基站发出的信号,信号接入机载无线设备,从而达到上网的目的。
该技术因为没有使用卫星,不但提高了空中上网速度,而且还降低使用成本。
4.OnAir公司
OnAir公司是SITA(SocieteInternationalDeTelecommunications,国际航空电信协会)和空中客车公司的合资企业,是第一家提供集成的GSM和机上Wi-Fi服务的公司。
该公司使用基于IP的卫星连接技术实现空中互联网服务,机载系统为基础的Wi-Fi接入点通过GSM蜂窝卫星链路连接到地面。
机上安装的服务器管理着卫星连接和路由的数据流量,同时也压缩和解压缩传输的所有数据,通过本地GSM编解码器重新编码,再通过Wi-Fi接入点,接入客户的上网设备。
相比较而言,我国对大型客机的互联网接入的发展起步的比较晚,但由于民航运输压力逐年增大(2015年我国民航年旅客运输量达到4.5亿次,相当于全国总人口的1/3),为保障飞行器与地面控制中心的通信联系,才指定民航飞机加装卫星通信系统的方案。
2015年内3月10日,国航CA1303航班上的旅客通过机上网络实时收看了直播电视节目,在祖国万米高空流畅观看了全国两会电视画面,这标志着我国飞机接入互联网工作的巨大进步。
本文对飞机接入互联网工作做了调研,提出了系统方案、链路预算等工作,并对未来的飞机上接入互联网工作做了展望。
1、系统构成
1、1系统综述
本文提出一种方案,该方案要求飞机、通信卫星、地面基站协作工作,卫星和飞机之间、卫星和地面之间完成通信,使飞机接入互联网。
该方案整体的结构如图1所示,使用地球静止轨道卫星的Ku频段传输通道[2],通过安装在飞机上的卫星通信系统和舱内通信设备,链接地面关口站及地面通信网络设施,实现航班直接与地面通信网络的互联互通,为飞机上的乘客提供互联网接入以及其他电信增值业务。
图1、航空机载卫星通信示意图
飞机机载和机舱内系统主要由机载卫星天线、射频系统、基带系统和数据处理系统组成。
在机舱外部安装有小口径的低轮廓机载卫星天线和射频系统,在机舱内安装一个用于接收卫星信号的调制解调器和综合服务器。
舱内无线通信系统是由无线接入系统和移动通信基站BTS组成的混合系统,将IP信号接入机舱内,通过舱内加装的无线接入系统,支持乘客使用个人计算机等设备接入互联网。
飞机到地面的通信信道为:
在中国上空,使用中国的Ku频段卫星和地面关口站连接乘客终端和地面网络,卫星通信使用FSS业务标准Ku频段,即10.7GHz/14.5GHz;当客机在境外飞行、中国卫通卫星覆盖不到时,使用外国航空公司签约的卫星运营商提供卫星覆盖,完成卫星和地面网络漫游通信。
地面关口站通过中国卫通卫星地面站与中国地面关口站实现互联网连接。
机载卫星通信系统网络可以用于公众服务,同时还可以为飞机导航系统提供备份通信手段。
机载卫星宽带多媒体系统采用先进的卫星通信体制和DVB-S2(即将出台的新一代广播卫星通信标准)、16-QAM调制方式、TD-TDMA编码技术、扩频技术。
地面关口站系统负责卫星网络与地面网络的数据连接和数据交换,地面系统还包括网络管理控制及用户支持服务系统、全功能异地备份地面站系统,及数据交换管理系统。
卫星数据链路由前向链路和回传链路组成。
前向链路为:
由地面关口站射频系统发射,经由转发器传输给卫星覆盖范围内所有正在飞行的飞机。
回传链路为:
由每个飞机的射频系统发射,经由转发器传输至地面关口站,回传链路数据速率可根据使用需求进行设定,回传信号可部署于多个转发器。
每架飞机可以同时接收和处理来自几个转发器的IP数据,IP数据流支持单播、多播以及广播方式。
机载路由器只接收与自己相关的IP数据,并将它们转发至飞机上的局域网,供乘客使用。
同时,在局域网中配备缓存服务器,以提高用户的上网速度,用户访问的网页在本地没有存储的时候,才通过卫星链路进行访问。
卫星地面关口站由射频系统、基带系统、网络运营监控系统、业务数据管理中心系统、地面固网接入系统和基础保障设施系统等组成。
以下重点讲述重点射频部分前端设计。
1、2射频前端设计
天线的设计[3]。
架设在飞机上的天线不仅要满足电器特性上的要求,而且设计的结构和架设方式要满足动力学要求,尽量减小阻力,避免影响飞机正常运行。
机载卫星通信天线的波束宽度为
卫星通信工作频段选在Ku波段,以f=14.5GHz为例,机载天线尺寸D=600mm,计算出天线半功率波束宽度约为2.4°。
发射通道和接收通道。
下图是地面基站雷达发射通道原理图,如图所示,经过一系列上变频、滤波、功率控制等过程,将信号调制到射频段。
在发射通道中还增加了一个衰减器,其作用是用于功率控制,采用自动功率控制的方法,当信道环境较好时,衰减量大;当信道环境恶劣,比如下雨是有雨衰的影响,此时减小衰减量,从而达到功率控制的作用。
先一次上变频到X波段,再上变频到Ku波段。
图2、发射通道原理图
发射通道和接收通道通过环形器与天线相连,实现全双工通信。
接收通道通过一系列的下变频、滤波、信号功率控制等工作,将信号下变频到中频,并保持信号功率的稳定。
以下为接收通道电路原理图。
先一次下变频到X波段,再下变频到Ku波段。
图3、接收通道电路原理图
2、通信方式
本方案采用16QAM调制方式,TDMA时分多址方式和扩频技术等进行通信,下面对该方案进行详细讲解。
2、1调制方式
与其他调制技术相比,QAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点,可提高频谱利用率。
发射通道的功能是将调制在中频上的16QAM信号经过谐波混频器上变频Ku波段。
16QAM的调制原理图如下图。
图4、16QAM调制方案图
解调原理图如下图。
图5、16QAM解调方案图
2、2时分多址TDMA
本方案采用TDMA通信方式。
TDMA把时间分割成互不重叠的时段(帧),再将帧分割成互不重叠的时隙(信道)与用户具有一一对应关系,依据时隙区分来自不同地址的用户信号,从而完成的多址连接。
这是一种数字传输技术,将无线电频率分成不同的时间间隙来分配给若干个通话。
在2G(为GSM)移动通信系统中多被采用,也广泛应用于卫星通信和光纤通信。
TDMA较之其他方式具有通信口号质量高,保密较好,系统容量较大等优点,但它必须有精确定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信,技术上比较复杂。
图6、TDMA通信方式
在实际应用中,多址技术常与多路复用技术混合使用,例如目前国际卫星通信和一些国家国内商用卫星通信采用的:
单边带调制-频分复用-调频-频分多址方式(SSB-FDM-FM-FDMA),可传送多路模拟信号;脉码调制-时分复用-相移键控-频分多址方式(PCM-TDM-PSK-FDMA)和脉码调制-时分复用-相移键控-时分多址调制方式(PCM-TDM-PSK-TDMA),可传送多路数字信号。
也可以考虑TDMA与其他技术如FDMA混用(GSM),以达到更好的传输效果。
2、3扩频技术
扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制,在收端以相关解调技术收信息,这一过程使其具有诸多优良特性。
扩频通信技术是一种信息传输方式,其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽;频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成,用编码及调制的方法来实现的,与所传信息数据无关;在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。
本方案拟采用直序扩频技术(DS-SS)。
直序扩频(DS-SS)是通过将伪噪声序列(PN序列)直接与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据,伪噪声序列由伪噪声生成器产生。
下图描述了经常使用的二进制相移调制的DS-SS系统发射机的框图。
图7、DS-SS系统发射框图
在接收方,假设接收机已经达到同步,接收到的信号通过宽带滤波器,然后与本地产生的PN序列p(t)相乘。
从而解调出数据序列。
如下图所示。
图8、DS-SS系统接收框图
3、链路预算
上行链路的信号质量决定了始发地球站发出的信号功率大小与卫星收到的信号大小,下行链路信号的质量决定了卫星重发信号功率的大小与飞机接收到的信号功率大小。
3、1雨衰的影响
对于Ku频段的卫星通信,将于将严重影响链路性能[4]。
为此进行系统链路设计时应真实地确定链路的有效性,建立链路余量并采取减少降雨影响的方法并可靠地预测降雨引起的衰减。
假设地面雷达位于北纬30度,海拨500米处,天线仰角为50度,该处一年中有0.01%的时间降雨率超过20毫米/小时,假设天线为水平计划,则计算其雨衰如下:
根据CCIR报告知,H取4Km,
特征长度
电路等效长度
当f=14.5GHz时,有
可得单位距离衰减
使用水平极化波情况下,实际0.01%概率降雨衰减A为
3、2链路计算
上行链路是地面雷达像空中卫星的信号发射链路,传播方程用自由空间损耗计算方法:
对于Ku波段,自由空间损耗205dB。
采用64kbps的比特率[4],比特持续时间带宽积0.625。
一星上接收系统,f=14.5GHz(频带中心),接收天线口径尺寸D=1.5m,天线效率=0.6,馈线损耗因子
=1.5dB,接收机噪声系数NF=3.4dB,天线噪声温度Ta=290K,环境温度To=290K,转发器输入回退量10dB,转发器输出回退量5dB,每个转发器载波数为400,指向损耗为1.2dB,;地面天线直径7.5m,天线效率0.55,地球站位于卫星接收天线3dB覆盖边缘,其最大发射功率为
=20W,EIRP=66dBW,星-地典型斜路径长度=39500km,则有
波长
=0.02m,卫星接收天线增益
接收机的等效噪声温度
系统的G/T值为:
地球站最大发射功率
,EIRP=
,所以
由于地球站位于卫星接收天线3dB覆盖边缘,所以,实际接收功率为
噪声带宽
上行链路TWTA输入回退量
=10dB,下行链路
=5dB,指向损耗L=1.2dB。
3.3多普勒频移对系统的影响
当飞机相对卫星作高速运动或相对卫星运动的方向改变均会使机载卫通站发射的载波频率发生多普勒频率偏移[5]。
考虑到因卫星自身的漂移引起的多普勒频移相对较小,可以忽略,故飞机运动引起的多普勒频移表达式为:
其中
——发送载波频率;v——飞机飞行速度;θ——飞机飞行偏离卫星方向的角度;c——光速。
由于测控飞机卫星移动通信系统采用频率较高的Ku频段,飞机飞行的速度又很高,因此多普勒频率偏移值较大。
在上式计算中取
=14.5GHz,C=
m/s,V=900km/h,当θ=0°时,即飞机沿卫星方向飞行时,多普勒频率偏移最大,
=±12kHz。
12kHz的多普勒频移将对系统的通信质量造成严重的影响。
通常采用的消除多普勒频移影响的方法有以下几种:
第一种方法是在基站和列车终端接收机采用自动频率跟踪(AFC)技术,如下图,可以在射频处实现,也可以在中频处实现,用闭环的方法使本振的频率跟踪多普勒频移而变化,进行频率纠偏。
第二种种方法是在接收端估计出频偏值,再用均衡或同步的方法进行补偿,但这中方法需要准确的信道估计,在接收机移动速率很大、信道处于快衰落的情况下,要实现准确快速的信道估计不太容易。
第三种方法是把多普勒扩展作为频域分集资源,不但能克服多普勒频移对系统的不利影响,还可以提高系统性能,特别是在快衰落信道,采用多普勒分集是行之有效的解决方案。
图9、相乘微分型AFC结构图
在本系统中,采用第二种方法,即先估计出多普勒频移,再用均衡的方法进行补偿。
因为本系统中飞机相对卫星的运动速度是可以从飞机系统实时得到的,从而可以很精确的估计出多普勒频移,然后在基带部分用数字的方法补偿频偏即可。
4、舱内无线通信系统和协议
4.1舱内移动基站
舱内无线通信系统是由无线接入系统和移动通信基站BTS组成的混合系统,通过天线接收信号。
BTS(BaseTransceiverStation)为基站收发台[8]。
一个完整的BTS包括无线发射/接收设备,天线和所有无线接口特有的信号处理部分。
BTS可看做一个无线调制解调器,负责移动信号的接收和发送处理。
基站子系统(BSS)分为两部分,一部分为基站收发信机(BTS),另一部分为基站控制器(BSC)。
在下行方向,BTS接收来自BSC的数据,包括语音和信令数据,其中信令数据送到控制维护单元进行处理,语音数据送到基带处理单元进行速率变换、加密、交织等处理之后,送到射频单元调制成高频信号,再经过天馈处理单元发送出去。
在上行方向,天馈处理单元接收来自MS的射频信号,送到射频单元变换成数字信号,送到基带处理单元进行速率变换、解密、解交织等处理后,变换成适合长距离传输的码型通过ABIS接口传送给BSC。
图10、BSS工作原理图
4.2WAP协议
由于WiFi的频点是2.4GHz和5GHz,所以舱内网络使用的是WAP协议。
WAP(WirelessApplicationProtocol)是无线应用协议的简称[6],是由WAP论坛置顶的一套全球化无线应用协议标准,也就是在数字移动电话、Internet网或其他个人数字助理机(PDA)、计算机应用之间进行通讯的开放性的全球标准。
它结合目前世界上最为活跃的两项技术:
移动通信技术和Internet技术。
通过这种无线应用协议,无论在何时、何地,只要想查找所需要的信息,就可以使用WAP手机,享受无穷无尽的网上信息和网上资源。
4.2.1、WAP网站的结构
WAP网站结构采用的是一种浏览器/服务器方式(Browse/Sever)。
这种方式的前端是一个标准的Web浏览器,后端则是数据库服务器,利用中间的Web服务器,加上一些动态的程序设计语言,如ASP、PHP、JSP、ASP.NET的结合构成三层式Web结构的中间一层。
这种方式的最大好处是把所有的应用程序都存储在WWW服务器上,需要时才下载,客户端无需安装其它任何软件,也无需进行任何的配置,与传统的C/S方式相比较,开发和管理的工作向服务器方转移,这样对整个系统进行修改仅需对存储在Web服务器上的应用程序进行一次改动即可,而不必在每个客户端进行改动,这样在很大程序上减少了系统管理和维护的工作量。
图11、WAP网站的结构
4.2.2、WAP网站的架构
WAP的架构有着不同于普通Web网站的地方。
WAP技术是基于目前的Web架构之上的,并且延伸到无线网络环境。
它使得业界所开发的产品能够具有无线网络独立性、设备平台无关性、以及相互操作性。
WAP沿用了目前的Web架构,不同之处在于多出了一个WAP网关。
WAP网关起着协议的“翻译”作用,即充当转换HTTP协议和WAP协议的角色。
如下图所示。
图12、WAP网关的模块结构
Web服务器和数据库服务器存储着大量的信息,以提供WAP手机用户来访问、查询、浏览等。
WAP工作模型类似Web的工作模型。
无线设备终端发出请求并且携带有各种参数(URL等),网关通过解析,发出相应的请求到Web服务器上,服务器通过检索参数生成相应的结果,返回给代理网关。
网关进行解码、编码,把结果送回给移动终端,一个会话过程就结束了。
WAP定义了一整套标准部件来实现客户端和服务器之间的通信,包括有标准的URL,标准的内容格式,标准的传输方式。
WAP和WWW使用一样SDP来标志服务器上面的内容。
和WWW不一样的是内容表达格式和文件传输方式的标准,针对移动终端的特点进行了优化。
WAP使用到了网关的技术来连结无线网络和Internet数据网络。
网关要能够实现WAP协议堆栈到WWW协议堆栈的转化,还能实现内容格式的转化,例如WML语言到HTML语言。
这种结构保证移动用户可以使用广泛的Internet资源,而网络应用程序的开发者不需要考虑网络和终端的类型,具有最大的灵活性和伸缩性。
5、总结
巨大的市场蕴藏着巨大的机遇。
我国的飞机接入互联网工作起步较晚,应该迎头赶上,抓住机遇,发展自身。
在国际航班方面,当前国外航空公司的飞机进入中国领空飞行时,已开始提出利用中国卫星及地面网络为其飞机提供移动多媒体通信服务的要求。
从技术上讲,当前飞机上打电话、上网的条件基本成熟,只要理顺政策监管,并形成兼顾各方利益的合理的运营模式。
我认为应该形成合理运营模式,需要整合国内相关方面各自的优势,搞好顶层设计,从简单实施开始,逐步完善。
随着卫星通信技术的发展进步,及未来Ka卫星和相关应用设备的广泛使用,航空机载卫星通信业务将会有更大的卫星频率带宽资源可以使用,更好的系统设备可以选用。
所以我国应该早作研究和准备。
也可综合考虑其他技术,如卫星和飞机之间采用激光通信的方式。
因激光通信不是本门课程的研究内容,故在此不进行讨论。
(后附参考文献)
参考文献:
[1]闫峰,空中宽带无线通信技术的应用和发展,中国民用航空,2013.11(Vol.165)
[2]蓝云,中国卫通机载卫星宽带多媒体通信系统方案,卫星与网络,2013.8.25
[3]陈洪,航天测控飞机卫星移动通信天线跟踪技术的分析,军事通信技术,2001.3(Vol.22)
[4]付卫东,卫星通信链路预算和干扰分析
[5]陈洪,关于航天测控飞机卫星移动通信调制解调技术的分析研究,军事通信技术,第21卷4期,2000年12月
[6]刘兵,WAP协议及其应用,电脑学习,1002-2422(2006)01-0047-03
[7]毫米波通信技术与系统甘仲民张更新2003版
[8]王栋,第三代移动通信系统通用BTS平台设计与实现,电信科学,2001年第2期
[9].夏勤、赵阿群、顾冠群,WAP协议的研究及WAP网关系统的实现,计算机工程,Vol27.2
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