基于5G的ATG组网形式及容量研究-USB迷|专注于互联网分享

2024年2月11日发(作者：典琇云)

“5G业务与应用”专题基于5G的ATG组网形式及容量研究张少伟1，侯继江2，王骏彪3，刘蕾1，芒戈1（1.中国电信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中国电信股份有限公司，北京 100033；3.中国电信股份有限公司云南分公司，云南昆明 650200）【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OSID：扫描二维码与作者交流 oi:10.3969/.1006-1010.2020.07.001 中图分类号：TN929.5d文献标志码：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): ch on ATG Network Form and Capacity Based on 5GZHANG Shaowei1, HOU Jijiang2, WANG Junbiao3, LIU Lei1, MANG Ge1(1. China Telecom Corporation Research Institute, Beijing 102209, China;2. China Telecom Corporation, Beijing 100033, China;

3. China Telecom Corporation Yunnan Branch, Kunming 650200, China)[Abstract]

[Key words]In order to meet the increasing demand of passengers for Internet access in the air and realize the interconnection

and complementary advantages of the ground network and the space-based network, the space-ground collaboration

network has become one of the technical directions of 5G mobile communication evolution. Compared with the

satellite broadband access with the long latency and high cost, the ATG (Air to Ground) communication system

has short time delay, low cost and fast rate, and hence has a favorable application prospect. To study ATG service

requirements, this paper firstly analyzes the networking form of the ATG communication system based on 5G

technologies, and then analyzes and compares the system capacity of the 3400~3500 MHz 5G NR frequency band

when the airplane is located at different positions of the ATG base station. Through analysis, using the 3.5GHz 5G

NR band for ATG services can well meet the service requirements.5G network; ATG; network form; capacity0 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收稿日期：2020-06-04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22020年第7期Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“5G业务与应用”专题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

[2]to Ground）技术。利用成熟的陆地移动通信技术，针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。机载无线AP机载天线机载服务器机载CPE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]：机场A基站基站基站基站机场B表1 卫星接入与ATG接入优劣势对比项目覆盖范围成本设备重量设备尺寸时延安装维护技术迭代流量资费卫星方案全球高较重较大长（500 ms）复杂，周期长复杂不可迭代高ATG方案陆地、近海低轻便较小短（≤50 ms）简单，周期短简单迭代速度快低传输网机载天线5G核心网Internet机载无线AP

图1 ATG地空通信总体网络结构示意图机载CPE机载服务器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基站基站基站基站的现有基站进行改造，形成专门针对航线覆盖的小区结机场A构，如图2所示：传输网5G核心网机场BInternet

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，我国在机载服务器5G RANRU机载服务器机载无线AP用户终端机载CPE地面到机舱机舱到地面5G

NR空口

机载无线AP图2 航路基站分布示意图用户终端N12020年第7期3机载CPE5GCNSSF5G

基站基站基站基站机场A机场B“5G业务与应用”专题传输网5G核心网机载天线Internet

机载无线AP机载服务器机载CPE（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机场B终端通过机载天线、机载CPE、机载服务器和机载无线机场A基站基站基站基站能；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]。AP来实现数据传输，如图3所示：传输网5G核心网机载服务器机载无线AP用户终端Internet

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网络机载CPE机载天线建设。本文采用3.5 GHz频段进行分析。5G

NR空口基站为有效降低小区间的导频干扰，采用NR ATG。地面到机舱机舱到地面

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：小区半径100 km100km小区半径机载无线AP机载N1服（2）ATG地面网络5G务 RAN器RU图3 ATG机载网络结构示意图用户终端ATG地面网络主要包括5G RAN、5GC和数据中心[6]等，如图4所示。机载CPE5G核心网采用分离式架构，一方面5GCNSSFAUSF通过网络功能虚拟化，并通过软件化、模块化和服务化DUNGausfUE2飞行高度1~12km1~12 kmCell 1UE1UE3Cell 25G

方式构建网络，在服务化架构下，各个网络功能独立自NRNEF空口NGnef地面到机舱治，无论新增、升级还是改造都不会影响其他网络功N2CUAMF机舱到地面NGamfN3UPFSMFN1NGsmfNGnrfNRF

BS1BS2BS1BS2

NGpcfPCF小区半径100km图5 ATG系统覆盖示意图239101716N45G RANNGudmN6RU5GCUDM714典型的网络规划通常会使用如图6所示的传统三扇DNDUNGafNnssfAFNSSFUE3UE1UE21518区组网，即基站信号覆盖三个扇区，每个扇区的覆盖角216514811NGausfAUSF

12度为水平120°Cell 1。本文中采用了容量更大、天线增益更高Cell 2132019飞行高度的单站六扇区模式进行组网，为了减少小区间的对打，1~12kmCUN2NGnefAMFNGamfNGnrfNEF六扇区组网示意图如图7所示：BS1BS231017130°BS1BS2NRF2120°

N3UPFSMFNGpcfNGsmfPCF1679N44NGudmN6DNNGafUDM2°111851219AF

图4 ATG地面网络组成结构示意图20

图6

传统三扇区组网示意图图7

飞行高度飞行高度1~12km1~12kmCell 1Cell 2BS1BS1BS2BS22299716BS1BS1BS2BS2小区半径100km“5G业务与应用”专题UE1UE3Cell 2331141117UE2在单站六扇区天线组网中，采用劈裂天线，在水平1飞行高度1~12kmCell 1表3 eNode B参数信息参数方向上将一个120°的扇区劈裂为两个60°的扇区，即由2两个33°的3 dB2019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：120°7基站天线高度2BS1BS2单位mMHzMHz#11BS1BS2数值30203 500PDSCH10010018 00045010信道带宽39工作频点1016信道类型1174单载波可用RB数14821单载波PDSCH RB1518数个个KHz#W100%dB#dBPDSCH使用带宽120°13651230°30°20发射天线数19下行每路信号发射功率下行CS RB协同比例Pa功率偏移30°30°

图8

六扇区天线示意图图9

水平面天线方向图

传播模型线缆和连接损耗120°双射线模型030°表4基于现有地面高铁沿线小区业务比例统计，预上3 dB瓣宽宽度上旁瓣覆盖36 km天线覆盖示意图如图下3 dB瓣宽宽度地面基站3.5 GHz10所示，其测机上业务模型，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。上旁瓣覆盖36 km36%路程30°36%路程17 km47 km中NR天线的3 dB瓣宽为10°。上旁瓣覆盖36 km36%路程5°5°5.7°基站15.7°距基站10.7°37 km距基站54 km5.7°距基站101 km上3 dB瓣宽宽度17 km10 km下3 dB瓣宽宽度47 km10 km15.7°距基站10.7°

37 km距基站54 km5.7°距基站101 km表4 机上业务模型微信视频

5°5°5.7°10 km业务类型上3 dB瓣宽宽度下3 dB瓣宽宽度17 km47 km淘宝购短高清网页10 km业务典型下行速率/kbps并发用户数/（个/秒）10 km各类业务下行并发速率5°5°之和/kbps15.7°距基站10.7°2037 km50视频距基站54 km100类物类5.7°520距基站101 km20股票类520100501 00037.5301530600-10 km基站

图10 地面基站NR天线覆盖示意图1 5001 500100---下行总速率/Mbps基站5.7°

-ATG参数信息如表2所示，eNode-B参数信息如表3所示。表2 ATG参数信息参数飞机在基站天线方向图中水平位置飞机相对基站方位角飞行中电缆损耗ATG CPE噪声CPE天线增益天线高度接收天线数单位#度dBdBdBim数值法线随机041010 0002

图11 飞机与ATG基站处不同位置时系统容量对比图

“5G业务与应用”专题表5 飞机与ATG基站处不同位置时参数对比飞机在基站天线方向图中水平位置飞机距ATG基站距离/km飞机与基站连线俯仰角/(°)eNode-B天线增益/dBi信号功率/dBm小区范围的SINR /dB单双流选择MCSTBS/bit下行吞吐量/Mbps频谱效率/(bit/s/Hz)容量/Mbps154201.42单1014.260.7975.343716155.72双1028.511.58法线5411185.45双1235.731.9890714-3单58 7607.880.4441.961542-3-1.52单710.990.6158.173 dB瓣宽3716122.73单1217.860.9994.415411152.45单1014.260.7975.3490711-6.01单02.510.1413.351542-8-74.84-6.89单02 7922.510.1413.35交叠带37167-70.69-2.34单69.270.5148.64541112-68.97-0.58单710.990.6158.1790710-75.41-7.02单47 2246.50.3634.3-66.84-62.69-62.97-71.41-69.84-65.69-65.97-74.4115 84015 84019 84812 21619 84815 8402 79210 29612 216150.68188.83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] 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. ★3 结束语自2018年机上便携式电子设备全面开放以来，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。作者简介张少伟（/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。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.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。62020年第7期Copyright©博看网 . All Rights Reserved.