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机上Wi-Fi信号如何实现?一文揭开机载卫星通信神秘面纱

近日,中国民用航空局网站发布了《机上便携式电子设备(PED)使用评估指南》。指南提出,近年来根据中国国情,经过技术测试、规章修订等一系列工作,认为开放机上便携式电子设备使用的条件已基本成熟。截至1月22日,国内已有13家航空公司公布了“空中开机”时间。

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飞机上有了Wi-Fi可以High 客舱娱乐设备眼泪掉下来

一、航班上Wi-Fi信号是如何实现的呢?

早在2005年,欧洲空中客车就宣布推出全球首个客舱“无线(Wi-Fi)网络系统”,其借助于“全球星”卫星通信系统,实现了高空上网。而到了2007年,全球首个基于CDMA技术的地空宽带系统也随之问世,其是借助地面基站信号覆盖高空航线,从而给飞行中的飞机提供CDMA EVDO无线接入数据带宽,以实现高空上网。

时至今日,基于卫星和基于地面基站仍是目前实现高空上网的主要方式。具体来说,一种是通过卫星方式实现地空通讯,另一种则是基于ATG(air to ground地面基站方式)实现地空宽带通讯。

其中,卫星模式上网主要利用赤道上空的Ku或Ka频段静止轨道卫星,通过卫星地面主站,连接机上Wi-Fi网络与地面公众通信和互联网。而地对空模式上网主要采用在航线沿途部署基站,向空中覆盖方式,能够实现地空高速数据链路建立,部署速率保障是这一模式的特点。

1. 基于卫星

基于卫星通讯的方式非常好理解,就是利用卫星(空间段)、飞机(机载段)、卫星地面站(地面段)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(当然,考虑到各国频率不同,跨国飞行的国际航线并不能实现全航程的同频率覆盖,而切换信号时容易出现信号延迟或中断),因此尤为适合国际航线;但其缺点也较为明显——仅能提供窄带服务,通讯带宽仅有864Kbps,通常在飞机上仅能提供收发邮件,网页浏览等简单上网应用服务。不过最近也传来了一些好消息,美国的航公公司正在与卫星巨擘Inmarsat展开进一步的合作,计划推出全球高速(GX)航空网络,将有望实现网速达50Mbps的宽带通讯。


1.1 机载卫星通信系统构成
 
机载卫星通信系统由三部分组成,分别是空间段、地面段、以及机载段。

卫星方式实现地空通讯

图:通过卫星方式实现地空通讯

空间段,顾名思义,指的是通信卫星,主要指卫星转发器。目前覆盖我国传统Ku卫星的只有中星6A、10、11、12,亚洲5、6、7,亚太5、6、7、9等几颗可用卫星,由于Ku转发器资源利用率高(高于70%)可用于机载业务Ku转发器的资源十分有限。覆盖亚太地区IPSTAR(泰星)是Ku HTS卫星,IPSTAR覆盖我国容量有12G带宽容量,航空移动业务尚未开展。我国在2017年4月发射了第一颗高通量通信卫星(通信总容量超过20G)Ka商用卫星(中星16号),而自主的Ku HTS卫星有希望于2018年发射。

地面段,主要指地面上负责发送和接收卫星信号以及对卫星网络进行管理的地面设施,通常称为地面站,包括天线、射频、主站Hub以及网管系统和网络运营中心(NOC)等设备/设施。

机载段,指的是位于飞机上的通信设备,包括机外天线、天线控制单元、高功放、调制解调器以及舱内无线接入设备。

 

以汉莎技术客机改装为例。图为客舱顶部的KANDU(Ka波段网络和数据单元),用来驱动控制装在飞机顶部的卫星天线。

这就是位于飞机顶部的卫星天线,用来接收卫星信号。

 

这位工作人员正在演示这个装置工作时的状态。

最后,整个装置会被这个卫星天线罩罩住,形成我们平时看到的飞机机背上的“鼓包”。可别小看这个罩子。专业人士表示,它可以抵抗零下60℃的低温以及雷击。

飞机起飞后达到标准并连结海事卫星后,通过机载无线AP热点就能实现上网了。汉莎航空一架A321客机一共布置4个AP。其实,就在你的头上。

1.2 机载卫星通信介绍

随着航空互联网帷幕拉开,机载卫星通信近年来热度越来越高,除Ka、Ku之外,还有SBB、2Ku、Ka、HTS等专业术语不断出现。移动互联网服务的最后一个信息孤岛——飞机客舱,逐步被机载卫星通信系统解决。

那么,机载卫星通信技术到底是一种什么样的技术,具备哪些技术特点,其系统的构成是什么样的,未来发展趋势是什么?

 机载卫星通信系统并非今日才出现的新鲜玩意,目前在我国承担青藏高原地区飞行任务的飞机以及执行跨洋飞行的宽体飞机很早就要求安装了基于L波段的机载海事卫星通信系统,主要用于解决ATC空中交通控制,这些飞机由于没有陆基VHF系统支撑,无论是语音、ACARS均通过机载卫星通信系统传送。民航局为加强AOC语音指挥畅通,要求加装机载卫星通信系统也属于这个范畴。
 
以上说的机载卫星通信系统过去主要用于前舱通信需求,随着客舱宽带上网需求越来越迫切,机载海事卫星系统推出了SBB业务(N*432kbps)用于客舱Wi-Fi接入,欧洲Onair公司陆续在数百架飞机上做了改装。SBB业务基于L波段卫星资源,由于L波段频率有限,总体带宽资源非常有限,加之SBB速率有限,现有海事卫星通信在客舱应用并未大规模推广。
 
注解1:L波段,指的是频率位于1GHz~2GHz的电磁波信号。L波段海事SBB卫星通信系统是目前覆盖全球的窄带卫星通信系统,可提供N*432Kbps的数据带宽同时具有话音链路,可同时满足前舱和后舱的使用需求。
 
基于Ku频段的机载卫星通信系统在美国广泛应用,美西南航空公司等多家航空公司推出基于Ku频段机载通信航空互联网服务,由于Ku频段拥有频率资源高于L频段,峰值速率也可达30Mbps(卫星资源足够前提下),所以当前Ku频段机载卫星通信系统成为最成熟的航空互联网解决方案,当前东航、国航、南航等航空公司试验试飞飞机均采用基于Ku频段的机载卫星通信系统。
 
注解2:Ku波段,指的是频率位于10GHz~20GHz的电磁波信号。Ku波段宽带卫星通信系统是目前机载卫星通信的主流应用,其拥有丰富的卫星资源(目前转发器资源利用率较高,可用于机载业务资源有限),且地面设施完善,同时拥有成熟的机载设备。
 
由于Ku频段卫星资源使用率高,可用于机载宽带通信的卫星资源有限,美国、海事卫星组织近年来陆续发射了Ka波段卫星,采用Ka频段机载卫星通信系统解决航空互联网需求,如美国Jetblue航空、新加坡航空等,由于Ka频段卫星频率资源丰富,拥有3.5GHz频率资源,同时采用多波束覆盖,使得Ka卫星通信容量相比Ku卫星容量增大了数十倍,峰值速率也提高到了100Mbps量级(海事GX-press Ka峰值速率50Mbps)。
 
注解3:Ka波段,指的是频率位于20GHz~30GHz的电磁波信号。Ka波段卫星通信系统由于频率高、可用频率资源丰富且采用点波束技术,使得终端尺寸小,且传输速率高,加之轨位资源丰富,是未来卫星通信系统的发展重点。

目前,机载Ku/Ka卫星天线随着技术发展,有机械式、机械分段阵列天线、相控阵天线等多种天线形态。
 
机械式Ku/Ka天线,如松下航电、Aerosat、Tcom、ROW44等天线均采用机械式卫星天线,依靠水平、垂直机械伺服系统实现天线精准对星。如下图所示:

面对Ka频段机载卫星通信系统巨大优势,基于Ku频段机载卫星通信系统也进行积极应对,2Ku技术、Ku HTS技术也应运而生,面就介绍一下HTS技术。

2Ku使用的是机械分段阵列天线。这些天线使用了新一代的机载天线设计。与物理指向目标卫星不同,这些天线可以通过机械旋转一系列具有共振特性的内部板,在所需方向上创造光束。

相比机械式卫星天线,在水平面上仍存在马达,但在垂直面上,不再采用机械方式,而采用电子调整方式,降低了天线厚度,使得天线雷达罩迎风面更小,气流特性更好,相比传统机械式雷达罩更省油,同时由于电子调整,在赤道等低纬度地区,天线辐射图可以更加精准,邻星干扰可控,同时由于发射、接收天线分开,使得2Ku速率相比传统机械式更高,基本达到了翻倍的能力。
 
虽然GoGo的2Ku技术有了很大进步,但在水平面仍然使用机械调整方式,更加先进的相控阵天线技术也逐步由实验室进入商用。

1.3 HTS是一种什么样的技术

High Throughput Satellite 卫星(高吞吐量卫星), 是新一代通信宽带卫星的统称,HTS卫星具有以下特征:

多波束覆盖、对卫星划分频率的重复使用是HTS卫星提高吞吐容量的主要方法,在相同的划分频率范围内,该卫星载荷的吞吐量至少是传统大波束卫星的两倍以上(经常为许多倍),一般为20倍到50倍。
 
使用Ka频段或者Ku频段,由于Ku 频段已有传统大波束卫星,所以Ku HTS技术使用前提是传统Ku卫星退出服务,采用新Ku HTS卫星替代。
 
HTS卫星容量覆盖特定的较小地面区域,因此显著增加了下行卫星功率和容量。采用新一代的宽带卫星通信关口站和终端小站技术,支撑数十万套用户终端的高吞吐量通信需求。能有效的解决卫星链路带宽成本和容量问题。
 
HTS应用高水平的频率复用和点波束技术,实现卫星容量的倍增,初期应用于Ka卫星,Ka卫星技术直接采用了HTS技术,一方面频率资源大大增加了,另一方面HTS技术应用,才使得Ka卫星容量数十倍于传统Ku卫星。后在Ku卫星上亦开始逐渐推广HTS技术。
 
现有Ku卫星通信系统均为大波束传统卫星,升级支持Ku HTS卫星,需在后续Ku卫星更替时采用Ku HTS卫星替换原有传统卫星方能实现,同时现有机载卫星通信终端设备,同步需要进行软硬件升级方能支持,如调制解调器更换等。针对机载卫星通信终端而言,HTS技术引入更多的波束切换性能要求,Ku HTS效果究竟如何为未可知,仍需试验验证。
 

2. 基于地面基站

地面基站方式实现地空通讯

图:基于ATG(air to ground地面基站方式)实现地空宽带通讯

而基于ATG(地面基站方式)的地空宽带通讯在初期建设方面则稍显复杂,其需要沿飞行航路或特定空域架设地面基站,以向高空进行覆盖,即利用这些地面基站与飞机直接进行信息传输。由于ATG诞生之时,3G技术已经问世,因此ATG被视为地空宽带通讯——其下行带宽可达3.6Mbps,上行带宽也可达1.8Mbps,上网体验明显由于卫星通讯方式。当然,这种通讯方式本身也有局限性——就是要部署地面基站,而这些基站很难跨国部署,因此这种通讯方式不适于跨洋(国际航线)使用,较适合于国土陆地面积较大的国家。例如,目前美国9家航空公司的1500架班机已利用该通讯方式实现了全面的空中互联网体验。

二、空中流量比地面贵逾100倍

2014年4月16日,一架从成都到北京的航班上,中国移动实现了4G空中通信测试。据悉,该公司目前是国内唯一一家提供两种混合方案的运营商,已经携手国航已多次试验飞行。

据业内人士介绍,由于地对空技术离不开地面信号基站,易受到多种地理环境影响。如:飞机飞过山区、水面等无法架设基站的区域,同时无法实现航空W-iFi跨洋。卫星模式建网周期短、覆盖范围广,可同时满足航空公司国内和国际航线覆盖需求 。

 

据深圳市航电技术研究院总工程师表示,目前在运营的航空Wi-Fi系统,均采用的是卫星通信模式。不过据央视近期的测试,目前阶段航空Wi-Fi速率还仅为100K左右,并不理想。

 

廉价和更好体验的接入服务,需要高通量Ka波段卫星来解决卫星带宽局限,降低乘客使用成本。中国电信集团公司网络运行维护事业部副总经理谌刚对记者表示,中国电信卫星通信目前用的还是Ku波段,高通量Ka波段卫星的使用已同航天公司在协调。联通方面表示,已经具备同时运营Ku和Ka频段卫星通信链路能力。


1. 卫星通信成本为什么高
 

为什么卫星通信成本这么高呢?我们剖析卫星通信成本如下:

传统Ku卫星,容量2Gbps,造价如下:发射0.6-1亿美金,卫星1-2亿美金,地面网关0.3-0.6亿美金,一般卫星寿命15年,可以核算2.5-4.5万美金/年/M,这个价格是地面成本的数百倍以上。

随着高通量卫星技术出现,通过点波束技术,使得卫星容量成倍增加,如下图所示:

Ku HTS卫星容量可以做到传统Ku卫星的10倍或者数十倍,当然由于当前Ku卫星频率使用已经接近饱和,Ku HTS卫星使用前提是传统的Ku卫星需要退出服务,为Ku HTS卫星腾出频率。

比如亚太6D卫星就是利用亚太6卫星替换的机会,腾出部分频率用Ku HTS卫星替代传统Ku卫星,容量高达15-30Gbps,这样卫星带宽成本下降到0.3-0.5万美金/年/M,成本大幅下降,但仍数十倍于地面网络。

Ka高通量卫星四大优势

随着高通量卫星技术发展,同时Ka卫星频率广泛使用(Ka卫星频率资源是Ku卫星频率资源的5倍以上),美国Viasat-1将Ka HTS卫星容量做到140Gbps,卫星容量相当于传统Ku卫星的近百倍,卫星带宽成本大幅下降,带宽成本仅仅数倍于地面网络,同时考虑到美国地广人稀特点,Viasat在美国大量发展卫星宽带用户,以每户每月80-100美金价格陆续发展了数百万宽带卫星用户。

Viasat随即宣布未来将Ka卫星容量进一步拓展到1Tbps,届时宽带卫星成本将和地面网络成本可比拟,必将大大促进宽带卫星应用发展。得益于Ka HTS高容量卫星,Viasat在美国航空互联网也迅速崛起,以数倍于传统Ku卫星和ATG(3G)速率,在美国航空互联网也攻城略地,使得美国航空差点诉讼GOGO威胁解约,最后GOGO通过2Ku承诺限期提高航空互联网接入速率而达成和解

2. 电信运营商不直接向乘客收费


Inmarsat与伦敦政经(LSE)联合进行的一项研究预测表示,到2035年,互联飞机将催生约1300亿美元的新市场,惠及航空公司、硬件设备供应商、内容提供商、通信服务商等方面企业。

目前,三大运营商航空机载通信业务均获得工信部批准,但都尚未实现正式的商业化。不过,三大运营商已经争相布局抢占商机,中国电信、中国移动从2013年开始就已经联合航空公司开展了多种测试。


中国联通方面表示,联通航美已与东航、南航签署了航空互联网测试服务协议,不久就能提供试商用服务。中国移动方面介绍,对于航空Wi-Fi卫星方案,中国移动已签约东航、南航、厦航,目前阶段正在改造飞机,即将出炉首飞时间表。

中国电信提供的数据显示,截至目前,中国电信所服务的在网国内航空公司飞机总量突破112架,为31家境外航空公司的700多架飞机提供中国境内的通信落地服务。

值得注意的是,虽然都具备提供航空机载通信业务的能力,但中国联通和中国移动尚未提供商用,中国电信则已初具规模。据悉,国内航空Wi-Fi解决方案通信服务这块,中国电信是主流,这和中国电信有专用卫星主站和业务运营平台有关。


对于未来航空Wi-Fi的收费模式,中国电信方面回复称,“正在和航空公司探讨合作模式,目前由航空公司免费向乘客提供服务。”知情人士toul,电信运营商并不直接面向乘客收费,而是以流量的方式向航空公司出售,而价格上面比地面贵百倍以上。

另外,电信运营商似乎并不仅仅依靠提供通信服务来赚钱这么简单。中国电信表示,未来将开放业务运营平台,同时,在机载直播、航空大数据等增值服务领域航空公司发力。

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