對大型客機的Internet接入的研究資料

1、對大型客機的Internet接入的研究摘要：在國際經(jīng)濟全球化發(fā)展的大背景下，國際互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為商務人上不可缺少的信 息交流平臺。 飛機機艙內(nèi)本是一個既不能上網(wǎng)也沒有手機信號的地方。 但現(xiàn)在公務飛行的旅 客， 有69%的人希望能在飛機上保持通訊設備的開機狀態(tài)，93%的人希望飛機上能收發(fā)郵件。 大部分旅客希望能通過上網(wǎng)來緩解漫長旅途的無聊。所以能在飛機上上網(wǎng)成為了很有前景且 要求的迫切的需求，空中寬帶技術的發(fā)展使飛機上連入網(wǎng)絡的問題成為了可能?？罩袑拵o 線通信技術是國內(nèi)外近年來開展研究的地空通信技術，地空寬帶無線通信可以為航空運輸創(chuàng) 造一個安全、高效的網(wǎng)絡運行環(huán)境，為乘客提供互聯(lián)網(wǎng)接入等服務。本

2、文對大型客機接入互 聯(lián)網(wǎng)問題進行了學習和探討，并提出了相應的方案以及鏈路計算等問題。關鍵詞：無線接入、射頻系統(tǒng)、星地通信，DVB-S2. TDMA0、研究背景隨著空中上網(wǎng)的要求越來越迫切，各方而的研發(fā)也在積極進行中。國際民航組織已經(jīng)為 地空寬帶無線通信技術的應用和發(fā)展相繼推出了推存技術標準和建設措施。國際航空界近年 來也一直積極推進該技術的研究和推廣應用，目前比較具有代表性和影響力的研究和應用項 目主要有美國的Connexion、Row44和Aircell以及歐洲的OnAir計劃。其簡介如下叫1、Connexion波音公司于2001年開發(fā)名為Connexion by Boeing（CBB）的空

3、中在線互聯(lián)網(wǎng)連接服務，使 其飛機在飛行中通過有線以太網(wǎng)或無線802. 11 Wi-Fi連接國際互聯(lián)網(wǎng)。地而基站使用的是 相控陣天線Ku波段天線。在飛機上，租用衛(wèi)星轉發(fā)器與地而基站互聯(lián)，提供上網(wǎng)服務，英 下行速率可達20Mbit/s和上行速度可達2 Mbit/so2、Row44Row44總部位于美國加州， 該公司主要為世界各地的商用飛機提供空中寬帶連接和無 線機上娛樂功能。截至2012年10月，Row44公司已為7家航空公司的飛機安裝苴上網(wǎng)設 備。該公司使用全球衛(wèi)星與地而基站設施提供空中寬帶服務衛(wèi)星連接服務，即先為飛機加裝Ku波段天線系統(tǒng)，讓Ku波段天線與地球同步軌道衛(wèi)星的通信，通過天線控制單元

4、（ACU）、 調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)單元（MDU）、服務器管理單元（SML-）、高功率收發(fā)器（HPT）等相應設備 及協(xié)議接受衛(wèi)星信號，并調(diào)整為網(wǎng)絡信號。3、Aircell2008年8月5日，達美航空公司宣布，在其航空公司飛機上安裝Aircell的Gogo空中互 聯(lián)網(wǎng)服務系統(tǒng)。用戶只要事先在自己上網(wǎng)設備（個人電腦、支持Wi-Fi的手機、平板電腦） 上安裝其Gogo軟件客戶端，購買Gogo上網(wǎng)點卡，在飛機上聯(lián)接Wi-Fi信號，打開Gogo軟 件客戶端中輸入自己的用戶名和密碼，就可以在空中上網(wǎng)了。Gogo的空中上網(wǎng)原理與波音 的Connexion和Row44不同。Gogo沒有使用衛(wèi)星，僅僅使用了地而基站，讓

5、地而基站向萬 米高空發(fā)射信號，飛機底部加裝的設備接收地而基站發(fā)出的信號，信號接入機載無線設備, 從而達到上網(wǎng)的目的。該技術因為沒有使用衛(wèi)星，不但提髙了空中上網(wǎng)速度，而且還降低使 用成本。4、OnAir公司OnAir公司是SITA （Societelnternational De Telecommunications,國際航空電信協(xié)會）和 空中客車公司的合資企業(yè)，是第一家提供集成的GSH和機上Wi-Fi服務的公司。該公司使用 基于IP的衛(wèi)星連接技術實現(xiàn)空中互聯(lián)網(wǎng)服務，機載系統(tǒng)為基礎的Wi-Fi接入點通過GSM蜂 窩衛(wèi)星鏈路連接到地而。機上安裝的服務器管理著衛(wèi)星連接和路由的數(shù)據(jù)流量，同時也壓縮 和

6、解壓縮傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)，通過本地GSM編解碼器重新編碼，再通過Wi-Fi接入點，接入客 戶的上網(wǎng)設備。相比較而言，我國對大型客機的互聯(lián)網(wǎng)接入的發(fā)展起步的比較晚，但由于民航運輸壓力 逐年增大（2015年我國民航年旅客運輸量達到4. 5億次，相當于全國總人口的1/3）,為保 障飛行器與地而控制中心的通信聯(lián)系，才指左民航飛機加裝衛(wèi)星通信系統(tǒng)的方案。2015年 內(nèi)3月10 B,國航CA1303航班上的旅客通過機上網(wǎng)絡實時收看了直播電視節(jié)目， 在祖國萬 米高空流暢觀看了全國兩會電視畫而，這標志著我國飛機接入互聯(lián)網(wǎng)工作的巨大進步。本文 對飛機接入互聯(lián)網(wǎng)工作做了調(diào)研，提出了系統(tǒng)方案、鏈路預算等工作，并對未來的

7、飛機上接 入互聯(lián)網(wǎng)工作做了展望。1、系統(tǒng)構成1、1系統(tǒng)綜述本文提岀一種方案，該方案要求飛機、通信衛(wèi)星、地而基站協(xié)作工作，衛(wèi)星和飛機之間、 衛(wèi)星和地而之間完成通信，使飛機接入互聯(lián)網(wǎng)。該方案整體的結構如圖1所示，使用地球靜 止軌道衛(wèi)星的Ku頻段傳輸通道，通過安裝在飛機上的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和艙內(nèi)通信設備，鏈接 地面關口站及地而通信網(wǎng)絡設施，實現(xiàn)航班直接與地而通信網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，為飛機上的乘 客提供互聯(lián)網(wǎng)接入以及其他電信增值業(yè)務。圖1、航空機載衛(wèi)星通信示意圖飛機機載和機艙內(nèi)系統(tǒng)主要由機載衛(wèi)星天線、射頻系統(tǒng)、基帶系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。在機艙外部安裝有小口徑的低輪廓機載衛(wèi)星天線和射頻系統(tǒng)，在機艙內(nèi)安裝一個用

8、于接收衛(wèi) 星信號的調(diào)制解調(diào)器和綜合服務器。艙內(nèi)無線通信系統(tǒng)是由無線接入系統(tǒng)和移動通信基站BTS組成的混合系統(tǒng)，將IP信號接入機艙內(nèi)，通過艙內(nèi)加裝的無線接入系統(tǒng)，支持乘客使用 個人訃算機等設備接入互聯(lián)網(wǎng)。飛機到地而的通信信道為：在中國上空，使用中國的Ku頻段 衛(wèi)星和地而關口站連接乘客終端和地而網(wǎng)絡，衛(wèi)星通信使用FSS業(yè)務標準Ku頻段，即10.7GHz/14.5GHz：當客機在境外飛行、中國衛(wèi)通衛(wèi)星覆蓋不到時，使用外國航空公司簽約 的衛(wèi)星運營商提供衛(wèi)星覆蓋，完成衛(wèi)星和地而網(wǎng)絡漫游通信。地而關口站通過中國衛(wèi)通衛(wèi)星 地面站與中國地而關口站實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接。機載衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡可以用于公眾服務，同時 還可

9、以為飛機導航系統(tǒng)提供備份通信手段。機載衛(wèi)星寬帶多媒體系統(tǒng)采用先進的衛(wèi)星通信體制和DVB-S2（即將出臺的新一代廣播衛(wèi) 星通信標準）、16-QAM調(diào)制方式、TD-TDMA編碼技術、擴頻技術。地面關口站系統(tǒng)負責衛(wèi)星 網(wǎng)絡與地而網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)連接和數(shù)據(jù)交換，地而系統(tǒng)還包括網(wǎng)絡管理控制及用戶支持服務系統(tǒng)、 全功能異地備份地而站系統(tǒng)，及數(shù)據(jù)交換管理系統(tǒng)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路由前向鏈路和回傳鏈路組成。前向鏈路為：由地而關口站射頻系統(tǒng)發(fā)射，經(jīng)由轉發(fā)器傳輸給衛(wèi)星覆蓋范弗I內(nèi)所有正在飛行的飛機?；貍麈溌窞椋河擅總€飛機的射頻系 統(tǒng)發(fā)射，經(jīng)由轉發(fā)器傳輸至地面關口站，回傳鏈路數(shù)據(jù)速率可根據(jù)使用需求進行設定，回傳 信號可部署于多個

10、轉發(fā)器。每架飛機可以同時接收和處理來自幾個轉發(fā)器的IP數(shù)據(jù)，IP數(shù)據(jù)流支持單播、多播以及 廣播方式。 機載路由器只接收與自己相關的IP數(shù)據(jù)， 并將它們轉發(fā)至飛機上的局域網(wǎng)， 供乘 客使用。同時，在局域網(wǎng)中配備緩存服務器，以提髙用戶的上網(wǎng)速度，用戶訪問的網(wǎng)頁在本 地沒有存儲的時候，才通過衛(wèi)星鏈路進行訪問。衛(wèi)星地面關口站由射頻系統(tǒng)、基帶系統(tǒng)、網(wǎng)絡運營監(jiān)控系統(tǒng)、業(yè)務數(shù)據(jù)管理中心系統(tǒng)、地面固網(wǎng)接入系統(tǒng)和基礎保障設施系統(tǒng)等組成。以下重點講述重點射頻部分前端設計。1、2射頻前端設計天線的設計。架設在飛機上的天線不僅要滿足電器特性上的要求，而且設計的結構 和架設方式要滿足動力學要求，盡量減小阻力，避免影響飛

11、機正常運行。機載衛(wèi)星通信天線的波束寬度為=7。齊70衛(wèi)星通信工作頻段選在Ku波段，以f二14.5GHz為例，機載天線尺寸D二600mm,計算出天線半功率波朿寬度約為2. 4。.發(fā)射通道和接收通道。下圖是地面基站雷達發(fā)射通道原理圖，如圖所示，經(jīng)過一 系列上變頻、濾波、功率控制等過程，將信號調(diào)制到射頻段。在發(fā)射通逍中還增加了一個衰 減器，苴作用是用于功率控制， 采用自動功率控制的方法， 當信道環(huán)境較好時， 衰減量大: 當信道環(huán)境惡劣，比如下雨是有雨衰的影響，此時減小衰減量，從而達到功率控制的作用。先一次上變頻到X波段，再上變頻到Ku波段。發(fā)射通道和接收通道通過環(huán)形器與天線相連，實現(xiàn)全雙工通信。接收

12、通道通過一系列 的下變頻、濾波、信號功率控制等工作，將信號下變頻到中頻，并保持信號功率的穩(wěn)左。以 下為接收通道電路原理圖。先一次下變頻到X波段，再下變頻到Ku波段。2.通信方式本方案采用16QAM調(diào)制方式，TDMA時分多址方式和擴頻技術等進行通信，下而對該方 案進行詳細講解。2、1調(diào)制方式與其他調(diào)制技術相比，QAM編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強等優(yōu)點，可提高頻 譜利用率。發(fā)射通道的功能是將調(diào)制在中頻上的16QAM信號經(jīng)過諧波混頻器上變頻Ku波段。圖5、16QAM解調(diào)方案圖2、2時分多址TDMA本方案采用TDMA通信方式。TDMA把時間分割成互不重疊的時段（幀），再將幀分割成互不重疊的時隙

13、（信道）與用戶具有一一對應關系，依據(jù)時隙區(qū)分來自不同地址的用戶信號, 從而完成的多址連接。 這是一種數(shù)字傳輸技術， 將無線電頻率分成不同的時間間隙來分配給 若干個通話。在2G(為GSM)移動通信系統(tǒng)中多被采用，也廣泛應用于衛(wèi)星通信和光纖通信。TDMA較之其他方式具有通信口號質(zhì)星髙，保密較好，系統(tǒng)容量較大等優(yōu)點，但它必須有精確 左時和同步以保證移動終端和基站間正常通信，技術上比較復雜。圖6、TDMA通信方式在實際應用中，多址技術常與多路復用技術混合使用，例如目前國際衛(wèi)星通信和一些 國家國內(nèi)商用衛(wèi)星通信采用的：單邊帶調(diào)制一頻分復用一調(diào)頻一頻分多址方式(SSB-FDM -FMFDMA),可傳送多路模

14、擬信號：脈碼調(diào)制一時分復用一相移鍵控一頻分多址方式(PCM一TDM-PSKFDMA)和脈碼調(diào)制一時分復用一相移鍵控一時分多址調(diào)制方式(PCM-TDM-PSK一TDMA),可傳送多路數(shù)字信號。也可以考慮TDMA與其他技術如FDMA混用(GSM),以達到更 好的傳輸效果。2、3擴頻技術擴頻通信技術在發(fā)端以擴頻編碼進行擴頻調(diào)制，在收端以相關解調(diào)技術收信息，這一過 程使貝具有諸多優(yōu)良特性。擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，苴信號所占有的頻帶寬度遠 大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制 的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關：在接收端則用同樣的碼進行相關同步接收、解

15、擴及 恢復所傳信息數(shù)據(jù)。本方案擬采用直序擴頻技術(DS-SS)o直序擴頻(DS-SS)是通過將偽噪聲序列(PN序列) 直接與基帶脈沖數(shù)拯相乘來擴展基帶數(shù)拯，偽噪聲序列由偽噪聲生成器產(chǎn)生。下圖描述了經(jīng) 常使用的二進制相移調(diào)制的DS-SS系統(tǒng)發(fā)射機的框圖。碼片時鐘圖7、DS-SS系統(tǒng)發(fā)射框圖在接收方，假設接收機已經(jīng)達到同步，接收到的信號通過寬帶濾波器，然后與本地產(chǎn)生 的PN序列相乘。從而解調(diào)出數(shù)據(jù)序列。如下圖所示。圖8、DS-SS系統(tǒng)接收框圖3.鏈路預算上行鏈路的信號質(zhì)量決立了始發(fā)地球站發(fā)出的信號功率大小與衛(wèi)星收到的信號大小， 下 行鏈路信號的質(zhì)疑決泄了衛(wèi)星重發(fā)信號功率的大小與飛機接收到的信號功率

16、大小。3、1雨衰的影響對于Ku頻段的衛(wèi)星通信，將于將嚴重影響鏈路性能為此進行系統(tǒng)鏈路設計時應真實 地確左鏈路的有效性，建立鏈路余量并采取減少降雨影響的方法并可靠地預測降雨引起的衰 減。假設地而雷達位于北緯30度，海撥500米處，天線仰角為50度，該處一年中有0.01%的時 間降雨率超過20亳米/小時，假設天線為水平計劃，則計算其雨衰如下：8 = 50Hc=O.5Km /衛(wèi)星接收天線增益G= 警=“; ；=33309.6 = 45.2dBIF窄帝信號接收機的等效噪聲溫度TR=（NF-嘰=（10,/10-1）7； = 344.5KTA=7；/F+(l-l/LF)7i=29O/lO,5|,lo+(l

17、-l/lO|IJMIO)x29O = 29O7； = 7；+八=634.5K =2&0dBK系統(tǒng)的G/T值為：G/門=G-7； = 19 7dB/K地球站最大發(fā)射功率馬=2OW = 13dBW, EIRP二G+引=66dBW ,所以比bw=【弓“y+GG +IG丄B-201g(14500)-32.44W= 66+47.7-91.6-83.2-32.4 =一93 5B W由于地球站位于衛(wèi)星接收天線3dB覆蓋邊緣，所以，實際接收功率為 = -93.5dBW- 3 = -96.5価V = 2.2x1010噪聲帶寬B = 64x0.625 =40MHz(4(MB)上行鏈路TWTA輸入回退童BQ

18、=10dB,下行鏈路BO =5dB,指向損耗L=1.2dB03. 3多普勒頻移對系統(tǒng)的影響當飛機相對衛(wèi)星作高速運動或相對衛(wèi)星運動的方向改變均會使機載衛(wèi)通站發(fā)射的載波 頻率發(fā)生多普勒頻率偏移考慮到因衛(wèi)星自身的漂移引起的多普勒頻移相對較小,可以忽 略,故飛機運動引起的多普勒頻移表達式為：fd=-Acosc其中九發(fā)送載波頻率；V飛機飛行速度；0一一飛機飛行偏離衛(wèi)星方向的 角度：c光速。由于測控飛機衛(wèi)星務動通信系統(tǒng)采用頻率較髙的Ku頻段，飛機飛行的速度又很高，因此 多普勒頻率偏移值較大。在上式計算中取人二14. 5GHz,C=3xIOsm/s, V= 900km /h,當0二0時，即飛機沿衛(wèi)星方向飛行

19、時，多普勒頻率偏移最大，九叭二12kHz。12kHz的多普勒頻移將 對系統(tǒng)的通信質(zhì)疑造成嚴重的影響。通常采用的消除多普勒頻移影響的方法有以下幾種：第一種方法是在基站和列車終端接收機采用自動頻率跟蹤(AFC)技術，如下圖，可以在 射頻處實現(xiàn)，也可以在中頻處實現(xiàn)，用閉環(huán)的方法使本振的頻率跟蹤多普勒頻移而變化，進 行頻率糾偏。第二種種方法是在接收端估計出頻偏值，再用均衡或同步的方法進行補償，但 這中方法需要準確的信逍估計，在接收機移動速率很大、信道處于快衰落的情況下，要實現(xiàn) 準確快速的信道估計不太容易。第三種方法是把多普勒擴展作為頻域分集資源，不但能克服 多普勒頻移對系統(tǒng)的不利影響，還可以提髙系統(tǒng)性

20、能，特別是在快衰落信道，采用多普勒分 集是行之有效的解決方案。VVCO環(huán)豁泄裁器圖9、相乘微分型AFC結構圖在本系統(tǒng)中，采用第二種方法，即先估計出多普勒頻移，再用均衡的方法進行補償。因為本系統(tǒng)中飛機相對衛(wèi)星的運動速度是可以從飛機系統(tǒng)實時得到的，從而可以很精確的估 計出多普勒頻移，然后在基帶部分用數(shù)字的方法補償頻偏即可。4、艙內(nèi)無線通信系統(tǒng)和協(xié)議4.1艙內(nèi)移動基站艙內(nèi)無線通信系統(tǒng)是由無線接入系統(tǒng)和移動通信基站BTS組成的混合系統(tǒng)， 通過天線接 收信號。BTS (Base Transceiver Station)為基站收發(fā)臺亠。一個完整的BTS包括無線發(fā)射 /接收設備，天線和所有無線接口特有的信號

21、處理部分。BTS可看做一個無線調(diào)制解調(diào)器，負 責移動信號的接收和發(fā)送處理?；咀酉到y(tǒng)(BSS)分為兩部分，一部分為基站收發(fā)信機(BTS),另一部分為基站控制 器(BSC)。在下行方向，BTS接收來自BSC的數(shù)拯，包括語音和信令數(shù)據(jù)，其中信令數(shù)據(jù)送 到控制維護單元進行處理，語音數(shù)據(jù)送到基帶處理單元進行速率變換、加密、交織等處理之 后，送到射頻單元調(diào)制成髙頻信號，再經(jīng)過天饋處理單元發(fā)送出去。在上行方向，天饋處理 單元接收來自MS的射頻信號，送到射頻單元變換成數(shù)字信號，送到基帶處理單元進行速率變 換、解密、解交織等處理后，變換成適合長距離傳輸?shù)拇a型通過ABIS接口傳送給BSC。圖10、BSS工作原理

22、圖4. 2 WAP協(xié)議由于WiFi的頻點是2. 4GHz和5GHz,所以艙內(nèi)網(wǎng)絡使用的是WAP協(xié)議WAP (WirelessApplication Protocol)是無線應用協(xié)議的簡稱，是由WAP論壇置頂?shù)囊惶兹蚧療o線應 用協(xié)議標準，也就是在數(shù)字移動電話、Internet網(wǎng)或英他個人數(shù)字助理機(PDA)、計算機 應用之間進行通訊的開放性的全球標準。它結合目前世界上最為活躍的兩項技術：移動通信 技術和Internet技術。通過這種無線應用協(xié)議，無論在何時、何地，只要想查找所需要的 信息，就可以使用WAP手機，享受無窮無盡的網(wǎng)上信息和網(wǎng)上資源。4. 2. K WAP網(wǎng)站的結構WAP網(wǎng)站結構采用

23、的是一種瀏覽器/服務器方式(Browse/Sever)。 這種方式的前端是一 個標準的Web瀏覽器，后端則是數(shù)據(jù)庫服務器，利用中間的險b服務器，加上一些動態(tài)的程 序設計語言，如ASP、PHP、JSP、ASP. NET的結合構成三層式險b結構的中間一層。這種方式 的最大好處是把所有的應用程序都存儲在WWW服務器上，需要時才下載，客戶端無需安裝貝 它任何軟件，也無需進行任何的配苣，與傳統(tǒng)的C/S方式相比較，開發(fā)和管理的工作向服務 器方轉移，這樣對整個系統(tǒng)進行修改僅需對存儲在Web服務器上的應用程序進行一次改動即 可，而不必在每個客戶端進行改動，這樣在很大程序上減少了系統(tǒng)管理和維護的工作捲。病滋 s

24、wk鐸條圖口、WAP網(wǎng)站的結構4.2.2、WAP網(wǎng)站的架構WAP的架構有著不同于普通Web網(wǎng)站的地方。WAP技術是基于目前的險b架構之上的， 并 且延伸到無線網(wǎng)絡環(huán)境。它使得業(yè)界所開發(fā)的產(chǎn)品能夠具有無線網(wǎng)絡獨立性、設備平臺無關 性、以及相互操作性。WAP沿用了目前的Web架構，不同之處在于多出了一個WAP網(wǎng)關。WAP網(wǎng)關起著協(xié)議的“翻譯”作用，即充當轉換HTTP協(xié)議和WAP協(xié)議的角色。如下圖所示。圖12、WAP網(wǎng)關的模塊結構W亡b服務器和數(shù)據(jù)庫服務器存儲著大量的信息， 以提供WAP手機用戶來訪問、 査詢、 瀏 覽等。WAP工作模型類似Web的工作模型。無線設備終端發(fā)出請求并且攜帶有各種參數(shù)（URL等），網(wǎng)關通過解析，發(fā)岀相應的請求到Web服務器上，服務器通過檢索參數(shù)生成相應的結 果，返回給代理網(wǎng)關。網(wǎng)關進行解碼、編碼，把結果送回給移動終端，一個會話過程就結束了。WAP定義了一整套標準部件來實現(xiàn)客戶端和服務器之間的通信，包括有標準的URL,標準 的內(nèi)容格式，標準的傳輸方式。WAP和WWW使用一樣SDP來標志服務器上而的內(nèi)容。和WWW不 一樣的是內(nèi)容表達格式和文件傳輸方式的標準，針對移動終端的特點進行了優(yōu)化。WAP使用 到了網(wǎng)關的技術來連結無線網(wǎng)絡和Internet數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。網(wǎng)關要能夠?qū)崿F(xiàn)弔AP協(xié)議堆棧到WWW協(xié)議堆棧的轉化，還能實現(xiàn)內(nèi)容格式的轉化，例如WML語言到HTM