劉蕾 侯繼江 蔡云斌 張少偉 芒戈

（1.中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中國(guó)電信股份有限公司，北京 100033；3.中國(guó)電信上海應(yīng)急通信局，上海 200080）

引 言

飛機(jī)曾經(jīng)一度被稱為網(wǎng)絡(luò)信息的最后孤島. 近些年，隨著移動(dòng)通信以及衛(wèi)星通信等技術(shù)的不斷發(fā)展，使民用客機(jī)為乘客提供空中互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)成為可能，機(jī)載Wi-Fi 的逐漸普及使在空中上網(wǎng)不再遙不可及.

放眼全球，早在2005年，歐洲空客就宣布推出了客艙“Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，借助“全球星”衛(wèi)星通信系統(tǒng)，首先實(shí)現(xiàn)了高空飛機(jī)客艙上網(wǎng). 到2007年，全球首個(gè)借助地面基站(base station, BS)信號(hào)覆蓋空中航線，給飛行中的飛機(jī)提供CDMA無線接入服務(wù)的地空寬帶系統(tǒng)(air-to-ground, ATG)問世[1]. 在國(guó)內(nèi)，2015年6月，東航、南航、國(guó)航、廈航和海航獲得工信部批復(fù)，部分飛機(jī)獲得空中提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的資格[2].此后，國(guó)內(nèi)掀起一陣機(jī)上Wi-Fi研究熱潮.

到目前為止，實(shí)現(xiàn)高空上網(wǎng)主要有兩種方式：

第一種是通過衛(wèi)星通信的方式實(shí)現(xiàn)地空通信，即利用衛(wèi)星、飛機(jī)和衛(wèi)星地面站三者進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.優(yōu)勢(shì)是通信范圍非常廣泛，尤其適合國(guó)際航線. 但其缺點(diǎn)也較為明顯：由于數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致通信時(shí)延較大；在設(shè)備、維護(hù)和帶寬成本等方面開銷較高[3].

第二種是基于ATG的地空通信方式[4]，即地面BS覆蓋高空航線方式實(shí)現(xiàn)地空寬帶通信. ATG系統(tǒng)利用成熟的陸地移動(dòng)通信技術(shù)(如3G/4G/5G技術(shù))[5]，沿飛行航線布設(shè)地面基站對(duì)空發(fā)射無線電信號(hào)，利用地空通信鏈路向空中飛機(jī)提供高帶寬的通信服務(wù)[6].地面站部署天線對(duì)空覆蓋，飛機(jī)則通過安裝在飛機(jī)上的機(jī)載接收設(shè)備[7]，接收到地面信號(hào)后轉(zhuǎn)換成機(jī)艙內(nèi)的Wi-Fi信號(hào)覆蓋，在滿足前艙行業(yè)需求的同時(shí)，可滿足后艙旅客互聯(lián)網(wǎng)接入的需求，有效實(shí)現(xiàn)地空高速數(shù)據(jù)傳送. 相比衛(wèi)星通信，ATG有著不可比擬的高數(shù)據(jù)帶寬、低延遲、低成本和不受天氣影響的高可靠性的優(yōu)勢(shì)[8]. 我國(guó)陸地面積占比較大且連續(xù)性高，國(guó)內(nèi)航線占比高，國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商的地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、技術(shù)成熟，故在國(guó)內(nèi)開展ATG系統(tǒng)的研究具有良好的基礎(chǔ)條件[3].

歐洲郵電管理委員會(huì)(European Commission of Posts and Telecommunications, CEPT)在WRC-19大會(huì)周期提出，針對(duì)非安全應(yīng)用，去掉某些國(guó)際移動(dòng)通信(international mobile telecommunications，IMT)頻段“航空移動(dòng)除外”的限制，考慮新的用例(如ATG)以增強(qiáng)飛機(jī)或無人機(jī)上的BS或終端(user equipment,UE)的連接.

2020年1月6日，2020年全國(guó)民航工作會(huì)議工作重點(diǎn)中明確要求“加強(qiáng)智慧民航研究，加快新技術(shù)推廣應(yīng)用”[9]. ATG業(yè)務(wù)的開展需要無線頻譜、基站站址、傳輸網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)資源的配合. 為了有效節(jié)約頻譜資源，充分利用運(yùn)營(yíng)商的無線網(wǎng)絡(luò)資源，與地面移動(dòng)通信業(yè)務(wù)復(fù)用已有的頻率是開展ATG地空通信業(yè)務(wù)的最優(yōu)選擇[10]. 在《中華人民共和國(guó)無線電頻率劃分規(guī)定》[11]中，目前國(guó)內(nèi)3 500～3 600 MHz頻段劃分的移動(dòng)業(yè)務(wù)中含有“航空移動(dòng)除外”限制，而3 400～3 500 MHz頻段內(nèi)則沒有該限制，故可首先考慮在3 400～3 500 MHz頻段開展ATG業(yè)務(wù).

同頻復(fù)用將產(chǎn)生一定程度的系統(tǒng)間干擾，本文基于3 400～3 500 MHz頻段(即3.5 GHz頻段)，采用5G系統(tǒng)參數(shù)和ATG基本參數(shù)，仿真計(jì)算地面5G系統(tǒng)BS對(duì)機(jī)上ATG系統(tǒng)的干擾及地面5G系統(tǒng)用戶對(duì)ATG BS的干擾，并對(duì)兩系統(tǒng)間的同頻共存問題進(jìn)行詳細(xì)分析研究，以確定在該頻段內(nèi)使用ATG系統(tǒng)的可行性.

1 干擾場(chǎng)景及分析方法

1.1 干擾場(chǎng)景

地面5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)干擾場(chǎng)景如圖1所示，地面5G系統(tǒng)BS部署分為城區(qū)、城郊連續(xù)和郊區(qū)三種場(chǎng)景. 考慮到飛機(jī)在起飛和降落階段不開啟ATG系統(tǒng)，不存在干擾情況，因此，干擾場(chǎng)景不考慮飛機(jī)起飛和降落這兩個(gè)階段.

圖1 地面5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)干擾場(chǎng)景Fig. 1 Interference scenario of terrestrial 5G BS to airborne ATG system

5G系統(tǒng)有兩種類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由單一BS類型構(gòu)成，可以是宏BS、微BS或室內(nèi)BS；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)由多種BS類型組合而成，比如宏BS使用較低頻段進(jìn)行全覆蓋，微BS使用高頻段進(jìn)行小范圍覆蓋. 本文所分析的頻段為3.5 GHz，因此只考慮宏BS的部署，不考慮微BS.

由于3.5 GHz頻段的雙工方式為時(shí)分雙工(time division duplex, TDD)，因此地面5G終端用戶會(huì)對(duì)ATG地面BS產(chǎn)生干擾，干擾場(chǎng)景如圖2所示.

圖2 地面5G用戶對(duì)ATG BS干擾場(chǎng)景Fig. 2 Schematic diagram of 5G UE to ATG BS scenarios

單個(gè)5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)的干擾如圖3所示，θ為波束傳播方向和5G BS到飛機(jī)干擾信號(hào)方向的夾角. 單個(gè)5G系統(tǒng)用戶對(duì)ATG BS的干擾如圖4所示，θ為5G系統(tǒng)用戶天線波束傳播方向與5G系統(tǒng)用 戶到ATG BS天線干擾信號(hào)方向的夾角.

圖3 單個(gè)5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)的干擾Fig. 3 Single 5G BS interferes to the airborne ATG system

圖4 單個(gè)5G系統(tǒng)用戶對(duì)ATG BS的干擾Fig. 4 Single 5G UE interferes to the ATG BS

1.2 干擾分析方法

單個(gè)5G宏BS在飛機(jī)ATG系統(tǒng)處產(chǎn)生的干擾為

式中：In是第n個(gè)5G宏BS在飛機(jī)ATG系統(tǒng)處產(chǎn)生的干擾；Pn是 第n個(gè)5G宏BS的發(fā)射功率；Gn是 第n個(gè)5G宏BS朝飛機(jī)方向的天線增益；LFS為5G宏BS到飛機(jī)的自由空間損耗；GATG為飛機(jī)ATG系統(tǒng)天線朝5G BS方向的增益；LArray為5G宏BS天線陣列損耗；Lces為地物損耗；LCP為天線交叉極化損耗.

由于5G宏BS和UE位置的隨機(jī)性和天線的方向性等因素，5G BS和UE對(duì)ATG系統(tǒng)造成的干擾也具有隨機(jī)性，因此，本文采用蒙特卡洛仿真方法，每一次仿真快照中隨機(jī)部署5G宏BS和UE. 計(jì)算5G BS服務(wù)用戶時(shí)，發(fā)射功率會(huì)通過天線旁瓣對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)造成干擾；計(jì)算5G UE對(duì)BS通信時(shí)，發(fā)射功率會(huì)通過天線旁瓣對(duì)ATG BS造成干擾. 經(jīng)過多次仿真，統(tǒng)計(jì)干擾及其累積分布函數(shù)(cumulative distribution function, CDF)曲線，以分析5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)造成的干擾情況和5G用戶對(duì)ATG BS造 成的干擾情況.

2 仿真參數(shù)

2.1 地面5G系統(tǒng)參數(shù)

仿真中涉及的5G系統(tǒng)參數(shù)，包括BS部署、天線類型和用戶分布等，均參考ITU-R的相關(guān)建議書[14]，主要地面5G系統(tǒng)參數(shù)情況如表1所示. 5G BS所使用的水平和垂直天線方向圖如圖5和圖6所示，可以看出，最大增益為23.1 dBi. 根據(jù)ITU-R M.2101建議書[15]，宏BS范圍內(nèi)分布的用戶與BS間距離服從σ=32的瑞利分布，用戶的方位角服從N(0°，30°)的正態(tài)分布，且角度范圍限制在±60°.

圖5 水平方向天線增益(φ=0°)Fig. 5 Horizontal antenna gain diagram(φ=0°)

圖6 垂直方向天線增益(θ=0°)Fig. 6 Vertical antenna gain diagram(θ=0°)

表1 地面5G系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 Parameters of 5G terrestrial system

由于城區(qū)、郊區(qū)和城效連續(xù)的BS密度、小區(qū)半徑均不相同，所以地面5G系統(tǒng)對(duì)空產(chǎn)生的集總干擾以及地面5G用戶對(duì)ATG BS產(chǎn)生的干擾也不同，因此后續(xù)會(huì)分析多種場(chǎng)景下地面5G BS對(duì)飛機(jī)ATG系統(tǒng)的干擾情況以及5G IMT系統(tǒng)用戶對(duì)ATG BS的干擾情況. 三種場(chǎng)景下的5G系統(tǒng)BS部署相關(guān)參數(shù)如表2所示.

表2 三種場(chǎng)景下5G系統(tǒng)BS部署參數(shù)Tab. 2 5G BS deployment parameters in 3 scenarios

2.2 飛機(jī)ATG系統(tǒng)參數(shù)

由于ATG系統(tǒng)僅在高空飛行時(shí)啟用，不考慮起飛和降落時(shí)間段的高度，相關(guān)參數(shù)見表3.

表3 ATG系統(tǒng)參數(shù)Tab. 3 ATG system parameters

3 仿真結(jié)果

3.1 5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)的干擾仿真結(jié)果

分別對(duì)飛機(jī)ATG系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下接收到的來自地面5G BS的干擾進(jìn)行仿真，統(tǒng)計(jì)最大干擾功率密度和平均干擾功率密度，來分析5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)的干擾.

三種場(chǎng)景下5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)干擾功率密度CDF曲線見圖7，具體的干擾功率密度見表4. 可以看出：機(jī)上ATG系統(tǒng)受到城區(qū)地面5G BS的集總干擾為主要干擾，飛機(jī)處于城區(qū)地面5G系統(tǒng)上空10 km處受到的最大干擾功率密度為-76.58 dBm/MHz；在城郊連續(xù)區(qū)域，飛機(jī)處于10 km高空時(shí)地面5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)的最大干擾功率密度為-75.64 dBm/MHz；郊區(qū)地面5G BS對(duì)機(jī)上ATG系統(tǒng)的干擾影響較小，飛機(jī)處于10 km高空處受到的最大干擾功率密度為-81.78 dBm/MHz. 由機(jī)載ATG系統(tǒng)接收到的地面ATG BS的信號(hào)功率可以得出，機(jī)載ATG系統(tǒng)在城區(qū)、城郊連續(xù)區(qū)和郊區(qū)的信干噪比(signal to interference noise ratio, SINR)分別為4.64 dB、3.71 dB和9.95 dB.并根據(jù)SINR值由香農(nóng)公式計(jì)算得到城區(qū)、城郊連續(xù)和郊區(qū)場(chǎng)景中的理論吞吐量分別為187.68 Mbps、166.32 Mbps和328.45 Mbps. 根據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在城區(qū)、城郊連續(xù)和郊區(qū)三種場(chǎng)景下，在受到地面5G BS干擾的情況時(shí)，ATG可提供的吞吐量足夠滿足機(jī)上用戶的需求.

圖7 5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)的干擾功率密度CDF曲線Fig. 7 Interference power density CDF curve of 5G BS to airborne ATG system

表4 不同場(chǎng)景下5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)的干擾功率密度Tab. 4 Interference power density in different scenarios of 5G BS to the airborne ATG system

3.2 5G用戶對(duì)ATG BS的干擾仿真結(jié)果

分別對(duì)ATG BS在不同場(chǎng)景下接收到的來自5G用戶的干擾進(jìn)行仿真，統(tǒng)計(jì)平均干擾功率密度，來分析5G用戶對(duì)ATG BS的干擾.

由于在城郊連續(xù)場(chǎng)景下，5G系統(tǒng)用戶對(duì)ATG BS的干擾主要來源于城區(qū)，因此只分析城區(qū)和郊區(qū)兩種場(chǎng)景. 5G系統(tǒng)用戶對(duì)ATG BS干擾功率密度CDF曲線見圖8，具體的干擾功率密度見表5. 可以看出：在城區(qū)場(chǎng)景中，當(dāng)ATG BS與5G系統(tǒng)用戶間隔距離分別為1 km、3 km和5.4 km時(shí)，平均干擾功率密度分別為-115.04 dBm/MHz、-117.33 dBm/MHz和-119.3 dBm/MHz；郊區(qū)場(chǎng)景中，當(dāng)ATG BS與IMT系統(tǒng)用戶間隔距離分別為5 km、10 km和15 km時(shí)，平均干擾功率密度分別為-134.54 dBm/MHz、-138.93 dBm/MHz和-141.65 dBm/MHz. 仿真結(jié)果分別給出了城區(qū)場(chǎng)景和郊區(qū)場(chǎng)景中5G系統(tǒng)用戶對(duì)ATG BS干擾功率密度的參考值，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)5G系統(tǒng)用戶對(duì)ATG BS的干擾比5G BS對(duì)機(jī)載ATG系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾要低得多.

圖8 5G用戶對(duì)ATG BS干擾功率密度CDF曲線Fig. 8 Interference power density CDF curve of 5G UE to ATG BS

表5 不同場(chǎng)景下5G系統(tǒng)用戶對(duì)ATG BS干擾功率密度Tab. 5 Interference power density in different scenarios of 5G UE to ATG BS

4 結(jié) 論

文中通過仿真計(jì)算城區(qū)、城郊連續(xù)和郊區(qū)等不同場(chǎng)景下3.5 GHz頻段地面5G系統(tǒng)基站對(duì)機(jī)上ATG系統(tǒng)的平均干擾功率密度，確定了機(jī)上ATG系統(tǒng)受到的地面5G系統(tǒng)干擾為可接受干擾. 由ATG系統(tǒng)收到的地面ATG基站的信號(hào)功率，確定了三種場(chǎng)景下的SINR值以及理論吞吐量. 由ATG可提供的吞吐量可得，機(jī)上ATG系統(tǒng)在上述三種場(chǎng)景地面5G系統(tǒng)的干擾下，能夠滿足機(jī)上用戶需求. 此外，還給出了城區(qū)和郊區(qū)在不同隔離距離下5G系統(tǒng)用戶對(duì)ATG基站的集總干擾參考值，以用于參考.后續(xù)將考慮在更多IMT頻段下進(jìn)行地面5G系統(tǒng)對(duì)ATG系統(tǒng)的干擾分析.