Почему до сих пор используется радиосвязь?

Сотовая связь имеет несколько проблем:

• Когда самолет находится на высоте более нескольких тысяч футов, сотовый телефон увидит несколько вышек сотовой связи и попытается связаться с ними одновременно. В лучшем случае это неэффективно и перегружает сотовую сеть. В худшем случае сеть может запутаться и сбросить вызовы. (не то, что вам нужно, когда вы пытаетесь получить указания УВД)

• Когда самолет движется быстро, он часто меняет вышки сотовой связи. Здесь те же проблемы, что и выше.

• Сотовая связь рассчитана на «человек-человек» во время одного звонка. Авиационное радио устроено таким образом, что каждый может слышать сообщения всех остальных. Даже если инструкция УВД не предназначена конкретно для меня, я могу получить мысленную картину того, какие другие самолеты находятся поблизости и что они делают. С сотовой связью все не так просто.

• Во многих сельских районах покрытие сотовой связи ограничено.

Как упоминалось в комментариях, радиосвязь включает в себя все виды радиолиний и, следовательно, включает в себя сотовые сети.

Размер ячейки

Сотовая сеть, покрывающая любую сушу, нереальна, не говоря уже об акваториях. Учитывая размер соты, максимум 20 км для GSM (1G/2G) и гораздо меньше для UMTS/LTE (3G), это приведет к непомерно высоким затратам:

• Континенты составляют около 150 миллионов км², сота GSM покрывает около 10 км² (в крупных городах сота обычно покрывает менее 1 км²).

• Потребовалось бы 15 миллионов клеток, ведь земля составляет всего 30% площади Земли.

Скорость движения пользователя

Если бы мы использовали существующую сотовую сеть, текущий размер ячейки был бы нецелесообразным для быстрых мобильных устройств.

^{Передача, источник}

В небольших сотах быстрые пользователи будут постоянно переключаться (переключаться) с одной соты на другую. Сеть будет перегружена, а эффективность мобильного узла также сильно снизится, поскольку передача соты имеет некоторые накладные расходы, включая репликацию кадров всеми сотами в поле зрения. На самом деле предположением для проектирования телефонной сотовой сети является нечастая передача обслуживания во время связи.

Более подходящим размером будет около 100+ км, что невозможно в городских районах из-за перекрытия ячеек, чтобы попытаться покрыть затененные области.

Стандарты GSM и UMTS ограничивают мощность пользовательского оборудования до 2 Вт (33 дБм) и 125 мВт (21 дБм) соответственно.

Если размер соты увеличивается, эта мощность также должна быть увеличена (см. здесь бюджет канала для UMTS ). Каждый раз, когда размер ячейки удваивается, используемая мощность должна быть умножена на 4. Как указал @jamesqf, размер ячейки влияет на время работы телефона. Для обеспечения того же времени работы оборудованию пользователя потребуются батареи большего размера, иначе время работы будет делиться на 4 каждый раз, когда размер ячейки удваивается.

Если размер ячейки увеличен, в той же ячейке будет больше пользователей. Комбинация «больше пользователей + больше мощности» потребует важных изменений в технологии сотовой сети для предотвращения помех.

3D покрытие

Современные антенны ориентированы на землю для повышения эффективности и снижения шума. На практике базовая станция едва доступна для самолета, летящего на высоте 10 км.

^{Источник}

Нам понадобится луч 180° по сравнению с нынешним лучом 10°. Поскольку ячейка теперь представляет собой куб, а не диск, необходимо увеличить мощность, чтобы достичь верхних углов, что может быть сделано за счет увеличения перекрытия ячеек на уровне земли и более высоких помех между ячейками.

дальнейшее чтение

На эту тему есть дипломная работа:

• Технико-экономическое обоснование прямой линии WCDMA «воздух-земля» в лицензированном диапазоне UMTS , Дора Свами Найду Рагхаварапу.

Из раздела Выводы и перспективы :

[...] Были определены и проанализированы некоторые ограничения, характерные для самолета, такие как доплеровский сдвиг, задержка распространения, передача обслуживания и помехи. Доплеровский сдвиг происходит в наземных сетях в гораздо меньших масштабах, поскольку мобильные станции на земле перемещаются с гораздо меньшей скоростью. Однако приемники WCDMA оснащены мощными схемами захвата частоты, способными противодействовать этому эффекту. Мы также показали, что задержка распространения не оказывает существенного влияния на механизм управления мощностью. Наконец, мы увидели, как сети UMTS могут выполнять процедуры передачи обслуживания между удаленными частями сети.

[...] мы сосредоточили большую часть нашего исследования на анализе возможности использования наземных частот UMTS для компонента самолета. Из результатов моделирования, показанных в главе (6), видно, что компонент воздушного судна, передающий на этих частотах, ухудшит характеристики существующей сети до недопустимой степени из-за помех.

[...] Чтобы самолет мог ухудшить характеристики наземной сети только до допустимой степени, ему необходимо было бы передавать с чрезвычайно малой мощностью. В этом случае ячейки воздушного пространства должны быть настолько малы, что система станет непрактичной.

Будущее решение уже широко определено и основано на спутниках.

Использование телефонной сотовой сети нецелесообразно и имеет мало преимуществ по сравнению с другими решениями. Если бы нужно было построить радиосеть для авиации, она была бы спутниковой, чтобы охватить океаны. Это было бы дешевле (относительно), чем строить аналог на земле.

Можно ли построить такую ​​спутниковую сеть, несмотря на ее стоимость? Ну, он уже строится!

Потребность в постоянном радиообмене между самолетом и землей значительно возросла за последние 15 лет:

• ACARS уже может использовать спутники, и авиакомпания может по своему выбору использовать этот вид связи в дополнение к VHF/HF.

• Авиакомпании начинают предлагать доступ в Интернет в полете. В салоне установлены точки доступа Wi-Fi, а локальный трафик направляется на спутник, который ретранслирует его на наземную станцию, подключенную к Интернету.

• Авиакомпании также начинают разрешать использование сотовых телефонов в полете, используя ту же спутниковую технологию.

• Системы УВД в настоящее время перепроектированы ( NextGen в США, SESAR в ЕС) для перехода от наземных каналов УВД к спутниковым каналам УВД.

^{Источник}

В этом цифровом мире голосовая связь УВД — это просто еще один поток данных, очень маленький по сравнению с ACARS, Wi-Fi и мобильным телефоном. Будет несложно повторно использовать каналы данных для передачи голоса, точно так же, как IP-телефоны заменили традиционные стационарные телефоны в странах с широкополосной магистралью Интернета.

GSM работает только при относительной скорости между телефоном и базовой станцией не более 250 км/ч (не более 130 км/ч для 1800 МГц). UMTS немного лучше, но тоже развивает скорость до 500 км/ч. Многие самолеты летают быстрее. Авиалайнеры регулярно курсируют со скоростью 800 км/ч и выше, при хорошем попутном ветре они могут достигать 1000 км/ч. Это в два раза выше максимально возможной относительной скорости для UMTS и почти в 8 раз выше максимально возможной относительной скорости для GSM 1800 МГц.