民航空地宽带无线通信接入及快速切换技术研究

民航空地宽带无线通信接入及快速切换技术研究

邹会斌 文敏 刘立志 于艳红

民航吉林空管分局，吉林 长春 130039

摘要：现阶段，随着无线互联网的迅速发展，乘客无论何时何地乘坐飞机都不可避免地接入宽带互联网。空地宽带无线通信系统利用专用地面站复盖空气空间，从而提供因特网接入。然而，由于LTE目前支持的飞行速度和100公里的最大复盖范围，开放宽带无线通信系统需要200公里的复盖范围，以避免频繁变化，因此有必要研究获得非常广泛复盖范围的问题。同时，为了在转换过程中确保良好的服务质量和业务连续性，有必要提出适合民用航空场景的快速转换算法。

关键词：随机接入；超远覆盖；重叠区域；快速切换

引言

目前，人们越来越多地选择民用航空进行长途运输，以寻找速度和便利性在民用航空领域，安全要求很高，空中交通管制应予加强。在民用航空管理领域，需要保持稳定可靠的通信，以满足传输距离和复盖范围的要求，同时无线信号接入技术的应用和发展在这方面发挥了重要作用，使空中通信网络结构更加成熟和全面，促进了民航管理领域的进展，并为民航活动的安全提供了重要支助。

1 航空通信网络的特点

在民用航空管理领域，空中通信网络在支持两地一空的信息传播方面发挥着关键作用。该股由多个联络点和网络组成，具有空中业务控制和空中交通管理职能，并可提供卫星电话和乘客通信等服务。它在空中通信网络架构中具有良好的稳定性和可靠性，无线信号传输不受干扰，能够很好地适应高空环境。无线信号接入技术在空中通信网络中的应用不断得到创新和升级，从而确立了既定的无线接入标准。无线通信技术的进步也促进了空中通信网络的发展，从而加强了对民用航空交通的控制，并为乘客提供了更安全和更可靠的运输服务。

2 LTE随机接入过程

2.1 随机接入分类

在LTE系统中，随机访问可以分为同步随机访问和异步随机访问。同步随机访问过程意味着用户设备已经与系统上行链路同步，因此主要目的是请求上行链路带宽资源。异步随机访问过程是指当用户设备和系统不同步或失去上行同步时，必须请求向基站分配资源的随机访问过程。因此，在异步随机访问期间，用户设备和系统的上行链路不会同步。它们之间的主要区别在于，当用户设备执行异步随机访问过程时，它必须估计和调整用户设备的上行链路发送时间，以将同步错误限制在循环前缀长度内。通常，在用户设备启动后，用户设备将通过下游同步获取无线映像号、接收子映像的位置以及通过同步通道(SCH)识别社区。然后，它测试广播信道(BCH)以获取系统信息，包括随机访问信道的配置信息；最后，系统访问过程由RACH(系统通道和上行链路同步)完成，rach是异步随机访问。通常，我们会遇到本文中提到的异步随机访问过程，因为3GPPLTE对同步随机访问过程没有单独的解释。异步随机访问可分为两类:基于竞争模型的随机访问过程和基于非竞争模型的随机访问过程。

2.2 民航场景下随机接入

由于高速飞行，该系统可以产生多普勒效应、单词交流等，这无疑是对无线网络服务质量(QoS)的一个重大挑战。用户设备成功接入网络是良好服务质量的基础。切换时，用户设备在尝试连接到新单元时必须启动随机访问。LTE系统当前支持的最大复盖范围半径为100Km(起始代码格式3)。但是，在高速场景中，NZC的最大值为237，这意味着计算出的小区半径为33.1公里，而民用航空则需要200公里的小区半径，这远远大于LTE系统目前支持的最大复盖半径。PRACH的访问非常成问题，需要对LTE物理层的帧结构进行专门研究。因此，本文研究了民航现场的高速随机接入算法，拓宽了小区半径，实现了远距离复盖，优化了200公里小区半径的接入和复盖问题。

3 民航场景下的快速切换算法

3.1 LTE切换过程

第一步是测量。根据用户设备发送的测量配置消息执行一系列测量。用户设备完成测量后，如果测量符合报告条件，将收集相关结果并报告给基站。第二阶段是审判阶段。ENodeB根据切换算法评估收到的测量报告，以便做出切换决策。选取目标储存格是指先依优先顺序排列候选储存格，然后产生目标储存格清单并切换至最适当的目标储存格。第三个步骤是执行阶段。基站根据判断结果控制用户设备执行切换操作，用户设备从源基站切换到目标基站。

LTE中的全切换过程由欧盟辅助网络发起和控制:基站发出测量控制；用户设备测量报告；基站作出切换决定，目标单元完成资源准备，用户设备执行切换操作，源基站完成资源释放。换句话说，当用户设备处于连接状态时，基站将确定用户设备报告的测量报告是否触发切换。如果需要切换，基站将切换顺序发送给用户设备，用户设备将当前服务单元的切换动作更改为相应的目标单元。

3.2 基于RSRP和RSRQ的联合切换判决算法

基于RSRP和RSRQ的联合决策算法是一种基于RSRP和RSRQ级别质量值确定是否可以切换的经典切换算法。RSRP和RSRQ测量低于特定阈值时触发开关。在开关测量阶段，用户设备定期获取最新的物理层测量，并更新第3层测量模块。用户设备定期向基站报告测量报告，当当前服务单元的RSRP或RSRQ值低于一定的开关触发阈值时启动开关。LTE参考信号接收功率(RSRP)主要用于测量下行链路参考信号的功率信息，该信息反映了单元特有的无线信号强度。如果只有RSRP不能正确保证传输性能，则可能导致频繁传输。由于RSRP没有考虑干扰强度，即使RSRP很大，如果信道受到严重干扰，信道质量可能会很差，这可能导致欧盟从一个单元切换到另一个单元。

长期演变基准信号的接收质量是信号/噪声比率，即无线电信号强度(RSRP)与干扰强度(RSSI)之间的比率。与RSRP相比，RSRQ考虑干扰强度，主要测量特定单元下行链路参考信号的接收质量，可以反映信号和干扰的综合效果，并在一定程度上反映信道质量的变化。RSRQ在很大程度上取决于当前的系统负载。如果只考虑RSRQ，可以降低切换频率，但这可能导致单词互换。因此，为了避免过早或过晚的切换，提高切换成功率，确保良好的网络性能，在切换时需要同时考虑RSRP和RSRQ。太早可能导致乒乓球效果，太晚可能导致跳行当目标基站和源基站之间的基准信号接收功率差达到一定的基准阈值时，只需比较RSRP即可作出切换决定，否则必须将RSRP和RSRQ结合起来。

3.3 基于地理位置信息的切换判决算法

该算法的前提是，移动用户必须安装能够定位用户当前位置的GPS系统。该算法不同于传统的切换判断算法，因为切换测量报告的内容包含地理位置信息，所以切换决定不取决于接收到的信号功率和质量信息，而是取决于是否根据地理位置信息触发切换。就民航而言，飞行速度很高，但与此同时，由于飞机飞行路线或已知的飞行计划，社区的复盖范围半径为200公里。您可以沿飞行路线或飞行计划设置多个基准点。GPS可以知道飞机的当前地理位置，该位置包含在测量报告中并发送给eNodeB。如果当前飞机位置信息与预设故障切换参考点之间的差值小于某个阈值，则启用故障切换。

4 结束语

综上所述可以知道，在高速飞行中，如何确保快速高效的交换是确保良好通信质量的关键因素。本文研究了切换决策算法，基于飞行轨迹预测的优化决策算法以及民航场景中RSRP与RSRQ的联合决策算法可以在一定程度上减少切换次数，提高网络性能从而提供封装。

参考文献：

[1]马哲锐,孙宜军,何婷,等.基于LTEFDD的地空通信组网研究[J].数据通信,2014(4):5-8.

[2]吴昊,谷勇浩,钟章队.一种应用于高速铁路的GSM-R快速切换算法研究[J].铁道工程学报,2009(01):92-96.