Warum wird immer noch Funk verwendet?

Die Mobilfunkkommunikation hat mehrere Probleme:

• Wenn ein Flugzeug mehr als ein paar tausend Fuß hoch ist, würde ein Mobiltelefon mehrere Mobilfunkmasten gleichzeitig sehen und versuchen, mit ihnen zu sprechen. Das ist bestenfalls ineffizient und überlastet das Mobilfunknetz. Im schlimmsten Fall kann das Netzwerk verwirrt werden und Anrufe abbrechen. (nicht etwas, was Sie wollen, wenn Sie versuchen, ATC-Anweisungen zu erhalten)

• Wenn sich ein Flugzeug schnell bewegt, wechselt es häufig den Mobilfunkmast. Dies hat die gleichen Probleme wie oben.

• Die Mobilfunkkommunikation ist für Person-zu-Person während eines einzigen Anrufs ausgelegt. Flugfunk ist so konzipiert, dass jeder die Kommunikation aller anderen hören kann. Auch wenn eine ATC-Anweisung nicht speziell für mich ist, kann ich mir ein geistiges Bild davon machen, welche anderen Flugzeuge in der Nähe sind und was sie tun. Beim Handy ist das nicht so einfach.

• In vielen ländlichen Gebieten ist die Handyabdeckung begrenzt.

Wie in den Kommentaren erwähnt, umfasst die Funkkommunikation alle Formen von Funkverbindungen, also auch Mobilfunknetze.

Zellgröße

Ein Mobilfunknetz, das jedes Land abdeckt, ist nicht realistisch, ganz zu schweigen von Wassergebieten. Angesichts der Größe einer Zelle von höchstens 20 km bei GSM (1G/2G) und deutlich weniger bei UMTS/LTE (3G) würde dies zu unerschwinglichen Kosten führen:

• Kontinente repräsentieren etwa 150 Millionen km², eine GSM-Zelle deckt etwa 10 km² ab (in Großstädten deckt eine Zelle normalerweise weniger als 1 km² ab).

• 15 Millionen Zellen wären erforderlich, Land macht immer noch nur 30% der Erdfläche aus.

Bewegungsgeschwindigkeit des Benutzers

Wenn wir das vorhandene Mobilfunknetz nutzen würden, wäre die aktuelle Zellengröße für schnelle Handys unpraktisch.

^{Übergabe, Quelle}

Bei kleinen Zellen würden schnelle Benutzer ständig von einer Zelle zu einer anderen springen (übergeben). Das Netzwerk würde überlastet und die Effizienz des mobilen Knotens würde ebenfalls stark abnehmen, da die Zellübertragung einen gewissen Overhead hat, einschließlich der Frame-Replikation durch alle Zellen in Sichtweite. Tatsächlich sind seltene Weiterreichungen während einer Kommunikation eine Annahme für das Design eines zellularen Telefonnetzes.

Eine geeignetere Größe wäre etwa 100+ km, was in städtischen Gebieten unmöglich ist, da sich Zellen überlappen, um zu versuchen, schattige Bereiche abzudecken.

GSM- und UMTS-Standards begrenzen die Geräteleistung des Benutzers auf 2 W (33 dBm) bzw. 125 mW (21 dBm).

Wenn die Zellengröße erhöht wird, muss diese Leistung ebenfalls erhöht werden (siehe hier Link-Budget für UMTS ). Jedes Mal, wenn sich die Zellengröße verdoppelt, muss die verbrauchte Leistung mit 4 multipliziert werden. Wie @jamesqf betonte, wirkt sich die Zellengröße auf die Laufzeit des Telefons aus. Die Ausrüstung des Benutzers würde größere Batterien benötigen, um die gleiche Laufzeit aufrechtzuerhalten, oder die Laufzeit würde jedes Mal durch 4 geteilt, wenn sich die Zellengröße verdoppelt.

Wenn die Zellengröße erhöht wird, befinden sich mehr Benutzer in derselben Zelle. Die Kombination mehr Benutzer + mehr Leistung würde wichtige Änderungen in der Mobilfunknetztechnologie erfordern, um Interferenzen zu verhindern.

3D-Abdeckung

Gegenwärtige Antennen sind aus Gründen der Effizienz und Rauschunterdrückung auf den Boden ausgerichtet. In der Praxis ist eine Basisstation für ein Flugzeug, das in 10 km Höhe fliegt, kaum erreichbar.

^Quelle

Wir bräuchten einen 180°-Strahl im Vergleich zum derzeitigen 10°-Strahl. Da die Zelle jetzt ein Würfel statt einer Scheibe ist, muss die Leistung erhöht werden, um die oberen Ecken zu erreichen, was auf Kosten einer zunehmenden Zellüberlappung auf Bodenhöhe und einer höheren zellübergreifenden Interferenz erfolgen kann.

Weiterlesen

Genau zu diesem Thema gibt es eine Masterarbeit:

• Machbarkeitsstudie einer direkten WCDMA-Luft-Boden-Verbindung im UMTS-lizenzierten Band , von Dora Swamy Naidu Raghavarapu.

Aus dem Abschnitt Schlussfolgerungen und Ausblick :

[...] Einige flugzeugspezifische Beschränkungen wie Doppler-Verschiebung, Ausbreitungsverzögerung, Übergabe und Interferenz wurden identifiziert und analysiert. Doppler-Verschiebung tritt in terrestrischen Netzwerken in viel kleinerem Maßstab auf, da sich Mobilstationen am Boden mit viel geringeren Geschwindigkeiten bewegen. WCDMA-Empfänger sind jedoch mit leistungsfähigen Frequenzerfassungsschaltungen ausgestattet, die diesem Effekt entgegenwirken können. Wir haben auch gezeigt, dass die Ausbreitungsverzögerung keinen signifikanten Einfluss auf den Leistungssteuerungsmechanismus hat. Schließlich haben wir gesehen, wie UMTS-Netzwerke Handover-Prozeduren zwischen entfernten Teilen des Netzwerks durchführen können.

[...] haben wir einen Großteil unserer Studie auf die Analyse der Möglichkeit konzentriert, terrestrische UMTS-Frequenzen für eine Flugzeugkomponente zu verwenden. Aus den in Kapitel (6) dargestellten Simulationsergebnissen ist ersichtlich, dass eine Flugzeugkomponente, die auf diesen Frequenzen sendet, die Leistungsfähigkeit des bestehenden Netzes durch Interferenzen in einem nicht tolerierbaren Ausmaß beeinträchtigen würde.

[...] Damit das Flugzeug die Leistung des terrestrischen Netzes nur in einem tolerierbaren Ausmaß beeinträchtigt, müsste es mit extrem geringer Leistung senden. Die Luftraumzellen müssten dann so klein sein, dass das System unpraktisch wäre.

Die zukünftige Lösung ist bereits breit definiert und satellitengestützt

Die Nutzung des Mobilfunknetzes ist unpraktisch und hat gegenüber anderen Lösungen nur wenige Vorteile. Wenn ein Funknetz für die Luftfahrt aufgebaut werden müsste, wäre es ein Satellitennetz zur Abdeckung der Ozeane. Es wäre billiger (relativ), als ein Äquivalent vor Ort zu bauen.

Könnte ein solches Satellitennetzwerk trotz seiner Kosten gebaut werden? Nun, es ist bereits im Bau!

Der Bedarf an ständigem Funkaustausch zwischen Flugzeug und Boden ist seit 15 Jahren stark gestiegen:

• ACARS kann bereits Satelliten verwenden, und es ist eine Frage der Wahl einer Fluggesellschaft, diese Art von Verbindung zusätzlich zu VHF/HF zu verwenden.

• Fluggesellschaften beginnen damit, Internetzugang im Flug anzubieten. Wi-Fi Access Points werden in der Kabine installiert und der lokale Datenverkehr wird zu einem Satelliten geleitet, der ihn an eine mit dem Internet verbundene Bodenstation weiterleitet.

• Fluggesellschaften beginnen auch, Mobiltelefone im Flug zuzulassen, die dieselbe Satellitentechnologie verwenden.

• ATC-Systeme werden derzeit umgestaltet ( NextGen in den USA, SESAR in der EU), um von bodengestützten ATC-Verbindungen zu satellitengestützten ATC-Verbindungen überzugehen.

^Quelle

In dieser numerischen Welt ist ATC-Sprachkommunikation nur ein weiterer Datenfluss, sehr klein im Vergleich zu ACARS, Wi-Fi und Mobiltelefon. Es wird kaum Schwierigkeiten geben, Datenkanäle für die Sprachübertragung wiederzuverwenden, so wie IP-Telefone herkömmliche Festnetztelefone in Ländern mit einem Breitband-Internet-Backbone ersetzt haben.

GSM funktioniert nur bei einer Relativgeschwindigkeit zwischen Mobilteil und Basisstation von max. 250 km/h (max. 130 km/h bei 1800 MHz). UMTS ist etwas besser, erreicht aber auch 500 km/h. Viele Flugzeuge fliegen schneller. Linienflugzeuge fliegen regelmäßig mit 800 km/h+ Geschwindigkeit über Grund, mit schönem Rückenwind können sie 1000 km/h erreichen. Das ist doppelt so schnell wie die maximal mögliche Relativgeschwindigkeit für UMTS und fast 8-mal schneller als die maximal mögliche Relativgeschwindigkeit für GSM 1800 MHz.