Characterization of a global 4G mobile communications network using the commercial aircraft network

Abstract

The ever increasing demand for high data rates and mobility, at the same time with the lowest latency possible, comes as a motivation and inspiration for the writing of this dissertation. Besides terrestrial networks, another common way to communicate nowadays is via satellite networks; low Earth orbit satellites are the ones closer to the Earth, still, they are 800km away, requiring high energetic consumption. Routes used by commercial air traffic cover great part of the globe, with higher incidence in the most populated areas, namely North America, Europe and Eastern Asia. The main objective of this project is to prove that it would be possible to have a global coverage network or, at least, a network able to fulfil the needs of users located in the most populated regions, where air traffic is denser. Users would be able to communicate to any part of the world; the nearest aircraft gets the signal and, since they are organized as a mesh network, it travels from aircraft to aircraft until it reaches its final destination. LTE frequency bands have a great margin to operate without interfering with the frequencies used in aeronautical radio communication systems, as will be seen in Chapter 3. The work developed shows that the most favourable conditions regarding the maximum distances obtained to establish the communication will be to set up the proposed system using QPSK, a 1.4 MHz channel and transmission frequency should be 737 MHz. Thus, maximum attainable distance in rural scenario is 46.62 km.

A constante procura por taxas de alto débito e mobilidade, aliado à menor latência possível, surgiram como motivação e inspiração para a escrita desta dissertação. Além das redes terrestres, outra forma comum de comunicar nos dias de hoje é recorrendo a redes de satélites; os satélites de baixa órbita são os que estão mais próximo da Terra, no entanto estão a 800km de distância, o que requer um elevado consumo energético. As rotas utilizadas pelos aviões comerciais cobrem grande parte do globo, com maior incidência nas zonas mais povoadas, nomeadamente América do Norte, Europa e Este da Asia. O maior objetivo deste projeto é provar que é possível haver uma rede de cobertura global ou, pelo menos, uma rede capaz de satisfazer as necessidades dos utilizadores localizados nas zonas mais povoadas onde o tráfego aéreo é mais frequente. Os utilizadores poderiam comunicar para qualquer parte do mundo; o avião mais próximo receberia o sinal e, como estes estão organizados numa rede mesh, o sinal viajaria de avião em avião, até chegar ao seu destino. As bandas de frequência usadas no LTE têm uma grande margem para operar sem interferir com as frequências utilizadas nas comunicações na aviação, como será visto no Capítulo 3. O A constante procura por taxas de alto débito e mobilidade, aliado à menor latência possível, surgiram como motivação e inspiração para a escrita desta dissertação. Além das redes terrestres, outra forma comum de comunicar nos dias de hoje é recorrendo a redes de satélites; os satélites de baixa órbita são os que estão mais próximo da Terra, no entanto estão a 800km de distância, o que requer um elevado consumo energético. As rotas utilizadas pelos aviões comerciais cobrem grande parte do globo, com maior incidência nas zonas mais povoadas, nomeadamente América do Norte, Europa e Este da Asia. O maior objetivo deste projeto é provar que é possível haver uma rede de cobertura global ou, pelo menos, uma rede capaz de satisfazer as necessidades dos utilizadores localizados nas zonas mais povoadas onde o tráfego aéreo é mais frequente. Os utilizadores poderiam comunicar para qualquer parte do mundo; o avião mais próximo receberia o sinal e, como estes estão organizados numa rede mesh, o sinal viajaria de avião em avião, até chegar ao seu destino. As bandas de frequência usadas no LTE têm uma grande margem para operar sem interferir com as frequências utilizadas nas comunicações na aviação, como será visto no Capítulo 3. O trabalho desenvolvido mostra-nos que as condições mais favoráveis, no que toca a distâncias máximas obtidas para estabelecer a comunicação, serão montar o sistema proposto utilizando QPSK, um canal de 1.4 MHz e cuja frequência de transmissão seja 737 MHz. Assim, consegue-se obter uma distância máxima de transmissão em ambiente rural de 46.62 km.rabalho desenvolvido mostra-nos que as condições mais favoráveis, no que toca a distâncias máximas obtidas para estabelecer a comunicação, serão montar o sistema proposto utilizando QPSK, um canal de 1.4 MHz e cuja frequência de transmissão seja 737 MHz. Assim, consegue-se obter uma distância máxima de transmissão em ambiente rural de 46.62 km.