機載客艙無線化網絡方案研究

陳祥 李宇 王洪全

摘要：現代民航飛機大都是封閉式環境，和外界相隔離，乘客難以接入互聯網。本文針對客艙乘客上網場景，提出機載客艙乘客電子設備接入互聯網的具體網絡架構和通信方式，并通過NS-2仿真軟件進行網絡架構承載能力測試。試驗結果表明，該方法可以基本滿足乘客的上網需求。

關鍵詞：客艙上網；客艙無線化；地空寬帶；衛星寬帶；網絡仿真

中圖分類號：V243文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.006

互聯網通信已經成為人們生活中的必備通信方式，人們越來越離不開互聯網[1]。隨著生活節奏的加快，越來越多的商務人士為了節約時間，開始選擇飛機作為主要出行工具。這就導致越來越多的人開始投入到民航業中，這無疑會增加民航業的競爭力。但是現有的飛機幾乎都是一個全封閉的空間，很少能和外部進行通信。這就降低了乘客的飛行體驗，造成了商務人士間接的經濟損失。為了提高行業的競爭力，航空公司的飛機上若能夠接入互聯網，無疑會從眾多民航企業中脫穎而出，進而形成企業和乘客雙贏的局面。

為了達到雙贏的目的，有必要在飛機上安裝能和外部通信的設備。但是在安裝設備的同時，必須考慮到很多因素[2-5]，如重量（質量）、安全性、經濟性、適航性，設備如何布置和設備之間如何進行通信等。

就設備之間的通信方式而言，有有線和無線兩種方式。有線連接安全可靠，傳輸穩定，但是需要在已經有限的飛機空間中為電線和電纜提供足夠的空間，同時電纜和電線會增加飛機的重量，增加重量對航空公司來說是非常不愿意做的一件事[6]。無線連接最大的優點是可以減少布線，非常靈活，但最大的缺點是連接不可靠，可能會存在頻段的干擾并會伴隨有瑞利衰落和萊斯衰落等顯著的衰落現象，使得傳輸質量不高[7]。同時，航空公司經常改變飛機使用的航線和飛機的機票等級配置，這就需要改變座椅位置。當客艙內實現無線化時，會使改裝非常方便[8]。

為了實現最優化的解決方案，本文提出有線和無線的混合方式。在客艙頭部頂端的合適位置放置收發天線模塊，進行乘客電子設備和天線模塊之間的無線傳輸，天線模塊和主服務器、交換機之間使用有線連接，以實現系統的穩定性和傳輸的可靠性。

1機載寬帶網絡實現原理

互聯網技術的快速發展，使得各項技術逐漸走向成熟，因此也促進了民航飛機上無線網絡技術的進步。飛機和外部通信的方式主要有兩種：一種是基于地面蜂窩基站的互聯網接入技術；另一種是基于衛星的互聯網接入技術[3-4，9-11]，每種技術各有優劣。

1.1基于LTE的地空寬帶接入技術

該技術主要是在飛機飛行的航線下建設相應的地面基站，在基站上架設大功率的對空天線來實現和飛機間的通信。該技術具有高帶寬、低時延、低資費的優點。在國內航班的飛機上，可以采用這種地空寬帶接入技術。

但是，飛機和基站之間的通信仍存在很多尚未解決的難題。為了能盡可能好地提高乘客的通信質量，本文引入電信中用于手機等可移動設備的高速無線通信標準長期演進（LTE）技術。LTE技術中引入了正交頻分復用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）等關鍵技術，可以顯著地提高通信的質量，增加頻譜效率和數據傳輸的速率。另外該技術支持多種帶寬分配，使得頻譜分配更加靈活[12-13]。采用此方法將LTE信號通過基站天線發射，由飛機腹部的天線接收，將接收信號傳送至客艙的相關服務器。由于陸地情況復雜，當天氣惡劣或飛機出現突發情況要切換航線時，這就會使飛機腹部收發天線接收到的無線信號非常差，從而影響乘客的上網體驗。

當飛機為國際航班時，使用地空寬帶接入技術顯然是不實際的。而相對國內航班而言，國際航班的乘客更需要互聯網服務，因此就有必要找到一種適合國際航班的無線接入技術。

1.2基于Ka波段的衛星寬帶接入技術

在早期，地面可以通過工作在L波段的衛星與飛機駕駛艙之間進行語音通信，這種通信對帶寬的要求較低，但由于客艙對帶寬的要求非常高，所以該波段不適合于客艙和衛星之間的通信頻段。隨著航天事業的迅速發展，具有Ku/ Ka波段的衛星相繼上天，由于Ku/Ka波段具有大帶寬，這就使得客艙通過衛星接入互聯網成為可能。將成熟的衛星通信技術、無線網絡技術和飛機相關技術結合起來，可使飛機通過衛星接入到互聯網。

與Ku波段相比，Ka波段衛星使用QPSK、8PSK、16APSK等高階調制技術，可有效提高頻帶利用率和傳輸速率；運用蜂窩狀多波束特征天線，可有效提高衛星頻道效率、系統收發性能、有效輻射功率等；Ka波段衛星上使用了功率動態分配器；采用了高效的抗雨衰技術；使用了自適應技術，可以根據天氣狀況自動設定編碼格式。這些技術使得Ka衛星的通信能力大幅提升。因此，飛機客艙通過Ka波段衛星接入互聯網必將逐漸成為主流。

基于衛星的無線網路系統主要由乘客移動設備、AP接入點、機載服務器、機載天線模塊、衛星系統、地面基站、地面服務器組成。機載天線模塊將乘客數據發送給衛星。當飛機進行長途飛行時，衛星可能覆蓋不到中國，這就需要衛星之間進行數據轉發，衛星將信號處理后發送給中國相應的陸地基站，通過陸地基站接入互聯網。

2機載無線網絡融合方案

本文提出一種用戶友好、集成視頻、音頻和數據的傳輸系統。該系統由客艙娛樂系統單元、客艙服務控制單元、其他控制單元、主交換機、輔助交換機和天線模塊組成。具體連接框圖如圖1所示。

客艙娛樂系統單元包括用來存儲視頻/音頻數據的存儲器，以及用于實時讀取和輸出數據信號的服務器。在該服務器內嵌入了一個操作軟件來接收和處理來自乘客的命令和數據的發送。客艙娛樂系統單元作為一個高吞吐量的服務器，能夠滿足數百人對視頻/音頻服務的需求。客艙服務控制單元連接到輔助交換單元上，可以讓每一個乘客打開/關閉閱讀燈，或可以呼叫乘務員等的操作。其他控制單元用來控制乘務員面板之間的通信，并且也可以控制乘務員之間的互通電話等。

主交換單元是一個千兆以太網交換機，具有足夠的端口和吞吐量，用來將用戶的控制命令傳輸給客艙娛樂系統單元，并將客艙娛樂系統單元輸出的數據傳輸到相應的位置上。輔助交換單元也是一個以太網交換機，用于控制和客艙娛樂系統無關的信號流。天線模塊用來對數據進行相關的編碼，并輸出到相應的乘客座位上或接受乘客的命令。

考慮到冗余性，本文提出客艙無線化具體布置的兩種方案。

（1）每一個圈代表一個天線射頻可以到達的范圍，每個藍圈之間相切，每個紅圈之間相切。這樣做的好處是可以節約頻譜資源，每一個藍圈內的天線可以共用一個頻率而互相之間不會干擾；同樣，為了避免干擾，紅圈和藍圈內的天線頻率不能相同。這樣，當某一個天線故障時，用戶可以臨時切換到另一個網絡，從而盡可能小地影響用戶的通信體驗，如圖2所示。

為了獲得最佳的通信效果，在接入AP之前，乘客可自行選擇接入哪一個AP，或由用戶電子設備軟件自動選擇最佳AP接入點（現在很多電子設備已經可以做到這一點）。

（2）每一個區域放置兩個天線模塊，但是使用時每次只使用一個天線模塊。當一個區域的天線模塊故障時，馬上啟用另一個天線模塊，這時乘客會暫時斷開網絡，備用天線模塊重啟后乘客才能重新接入互聯網。此方案的優點是：由于每個區域相切，各個區域的頻率不會相互干擾，因此只需要一個頻率就可以實現全艙的WIFI覆蓋。同時，和第一個方案相比，每次工作的天線模塊數量減少將近一半，可以達到省電的目的。缺點是：由圖3可以看出各個艙之間有天線模塊死角，當乘客處在天線模塊的死角時，網絡質量大大降低甚至沒有信號，并且和第一個方案相比，增加了天線模塊的數量，從而增加了飛機的重量。飛機重量增加的同時還可能使得每一個AP節點的負載增大，這就出現丟包率較高等現象，影響用戶的上網體驗，如圖3所示。

每一位乘客可以使用自己的電子設備（如筆記本電腦、手機、平板電腦等），也可以使用客艙自帶的電子設備。首先，將乘客自己的電子設備或客艙自帶的電子設備與AP進行無線連接，并完成初始化，AP為每一個設備分配唯一的IP地址，然后自動彈出預先設計好的操作界面；只有在該操作界面上，乘客才可以進行視頻/音頻點播或進行Internet/ Email的操作，以確保數據安全。

每一個座位上都配有一個無線耳機，可用來接收廣播、音頻，也可以是正在被客艙娛樂系統單元傳輸的視頻信號中的音頻信號。該無線耳機包括音量控制鍵、通道選擇鍵。音頻播放必須有優先級，當乘客正在聽音樂時，乘務員突然要廣播信息，此時將立即打斷相關工作，并接收乘務員廣播信號。例如，乘客發送觀看視頻的命令后，該命令由主交換單元傳送到客艙娛樂系統單元，客艙娛樂系統單元首先解析出相應的地址，然后將視頻封裝上地址信息，發送到主交換單元，由主交換單元傳送到相應的區域，并進行無線傳輸。

客艙娛樂系統單元可以對要輸出的數據進行MIMOOFDM編碼，MIMO-OFDM編碼的無線數據信號可以有效地從包含不同延遲、振幅和基于時間的變化的眾多間接波中復制出原始信號。

在傳輸時，采用UDP協議，UDP在發送和接收系統之間不需要“握手”，并且UDP通常可以通過消除連接狀態需求為特定應用程序提供更活躍的客戶端服務。使用UDP傳輸數據的速度通常更快，此外，UDP的每個數據段的頭開銷較小。

耳機內嵌有數據同步器，以使選定的音頻通道與想用的視頻數據包同步；數模轉換器將數字信號轉換為模擬信號放大后送入耳機。

在進行無線傳輸時，有顯著的瑞利衰落等的信號衰落，降低用戶接收到的視頻/音頻信號的質量；此外，來自座位、乘客、機組人員等的信號阻塞也會降低信號質量。為了最小化信號衰落和阻塞的影響，客艙娛樂系統單元可以包括射頻衰落映射子系統。每個座椅或座椅組可以包含一個子系統，用于測量和傳輸位于子系統附近的射頻信號特征，進而選擇最優的正向誤差修正，從而提高視頻/音頻信號的質量。

3客艙網絡架構承載能力測試

由于飛機一般分為商務艙和經濟艙兩種，通過上述兩種客艙無線化具體布置圖可以看出，對于相同機型的商務艙而言，無線AP的負載幾乎是一樣的，但對于經濟艙而言，方案一有4個無線AP，而方案二只有2個無線AP，因此方案一的無線AP負載明顯小于方案二。但當飛機的客艙位置較少時，使用方案二時每個無線AP的負載也不會太大，可以滿足乘客的上網要求，同時還能達到省電的目的。

根據以上架構，本文選擇波音787型飛機的客艙進行無線網絡仿真，由于波音787的商務艙一般為30個座位，經濟艙約有250個座位，因此本文選擇方案一來進行無線網絡仿真，測試衛星寬帶接入技術是否能基本滿足乘客的上網需求。

基于波音787，利用NS-2網絡仿真軟件進行客艙網絡架構的承載能力測試及約束條件分析。波音787上5部AP與交換機相連，再通過交換機連接到客艙娛樂系統單元，基本網絡結構可以通過圖4無線網絡仿真節點拓撲圖的仿真實現。其中節點0～4為無線AP，節點5為主交換單元（網關），節點6為客艙娛樂系統單元，節點7為通信衛星。為達到仿真的真實性，需要設置與現實環境相關的背景參數。飛機上的無線上網功能，主要通過Ku波段衛星，其理想總帶寬為50MB/s，而實際值為32MB/s，5部AP一般情況下負責60人區域的上網需求，而一部客艙娛樂系統單元則負責與5部AP通信，客艙娛樂系統（節點6）與通信衛星（節點7）之間的傳播時延設定為200ms，將節點6到節點7傳播時延設定較大的原因是模擬真實環境下距離的因素，彌補NS-2各節點間距較小的不足，因此放大了傳輸時延，但不會影響仿真結果中反映出的實際乘客上網情況。

為使仿真結果更接近真實環境，我們將客艙無線網絡環境分為三種場景進行仿真：（1）輕流量應用場景：此場景下5個AP覆蓋區域內的乘客主要以瀏覽網站、文字聊天、看文字新聞為主，每位乘客平均產生的流量小于100KB/s，5部AP區域下的總流量業務小于20MB/s；（2）中流量應用場景：此場景下，5個區域內的乘客大部分以文字業務為主，一部分觀看視頻流、收聽音頻等，此時，每位乘客的平均流量大約為300KB/s，5部AP所管轄區域的總吞吐量，在30MB/s左右；（3）重度流量應用場景：此場景下，5個區域內的用戶主要以收看視頻流、收聽音頻為主，此時每個用戶的平均的流量達到500KB/s，總帶寬達到瓶頸鏈路帶寬。

（1）輕流量應用場景

當5個區域內的乘客都以文字等低流量業務為主時，平均每個乘客產生的流量大約為100KB/s，使用相對穩定的cbr流，設定仿真時長為10s，通過采集節點6與7之間的網絡延遲、吞吐量和丟包率情況見圖5～圖7），反映此情況下的機載無線網絡的性能。

從圖5～圖7中可以看出，在低流量場景下，網絡延時與既定延時接近，在200ms左右，沒有發生較明顯波動；吞吐量基本穩定，達到理論值。丟包率也很低，在0.24%左右，基本不會影響乘客上網需求。因此，可以得到，在輕流量應用場景下，機載無線網絡能無負擔地滿足乘客的上網需求。

（2）中流量應用場景

在5個區域內的乘客多數進行文字業務、少數看視頻聽音頻的中流量場景下，平均每名乘客產生的數據量大概為300KB/s，設定仿真時長為10s，同樣適用cbr流，用于描述衛星向乘客發送的文字及多媒體等數據流。

由圖8～圖10可以看出，在中流量場景，網絡的總體延遲出現波動，延遲數值在0.20～0.22s之間；吞吐量接近理論瓶頸鏈路帶寬32MB/s，丟包率平均達到0.4%左右，若再增加網絡流量，將產生網絡擁塞。因此，中等級流量業務會使無線網絡的服務質量降低，網絡也會出現波動性，但仍能保證乘客的日常上網需求。

（3）重度流量應用場景

在5個AP覆蓋的區域內，乘客以看視頻居多，也有少數瀏覽文字時，此時處于高等級流量場景下，平均每位乘客產生的數據量約為500KB/s，總流量超過瓶頸鏈路帶寬。設定仿真時長為10s。

從圖11～圖13可以看出，網絡總承載量較之前有了較大幅度上升，網絡延遲也有所增加，平均在0.24s，除了距離造成的延遲外還有其他處理延遲造成影響；吞吐量處于飽和狀態，基本占滿總帶寬；丟包率也增加較大，基本在5%左右，這使得網絡環境惡化，乘客上網加載速度變慢。這種高等級流量場景下，客艙娛樂系統單元會出現過載的現象，機載無線網絡滿足所有乘客的上網請求略顯吃力。

由于并非所有的機上乘客都有上網的要求，加之機載娛樂系統自帶的、已經緩存在機上服務器的娛樂項目可供乘客選擇；同時，基于Ka波段的衛星通信比基于Ku波段的衛星通信具有更寬的帶寬、更高的傳輸速率等很多優點，因此，基于Ka/Ku波段的衛星寬帶接入技術可以基本滿足乘客的上網需求。

4結束語

本文提出一種各個模塊之間有線連接，乘客電子設備和數據收發天線模塊之間無線連接的融合系統，通過進行客艙網絡架構承載能力的測試，驗證衛星寬帶接入技術可以基本滿足乘客在客艙的互聯網接入服務。針對在客艙內天線模塊的布置，本文提出了兩種可實行方案，這兩種方案各有優缺點，通過分析每個架構的優缺點，可供制造商綜合考慮，來達到最佳效果。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

陳祥（1981-）男，碩士。主要研究方向：機載衛星通信系統。

Tel：13880713459E-mail：chenxiang@cetca.net.cn

李宇（1988-）男，學士。主要研究方向：飛機加改裝設計。E-mail：liyu@cetca.net.cn

王洪全（1986-）男，碩士。主要研究方向：機載衛星通信系統。

E-mail：wanghq@cetca.net.cn

Research on Aircraft Cabin Wireless Network Scheme

Chen Xiang*，Li Yu，Wang Hongquan

China Electronics Technology Avionics Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China

Abstract： Nowadays， civil aircraft are mostly enclosed environment， which is isolated from the outside world. In this paper， the specific network architecture and communication mode of cabin passenger electronic devices connected to the Internet are proposed for passenger connectivity， and the carrying capacity of the network architecture is tested by NS-2 simulation software. Experimental results show that this method can basically meet the needs of passengers on the Internet.

Key Words： cabin connectivity； wireless cabin； ground-to-air broadband； satellite broadband； network simulation