微软研究用民航飞机提供全球网络：wi-fly
互联网巨头向来对让更多人上网操碎了心，谷歌有LOON气球网络计划，facebook有高空无人机网络计划，去年一篇来自微软研究院的论文提出了使用民航飞机提供全球网络的概念，我们翻译了一下，大家看看有没有启发。原文题目：Wi-Fly: Widespread Opportunistic Connectivity via Commercial Air Transport.
TalalAhmad 纽约大学
RanveerChandra 微软研究院
AshishKapoor 微软研究院
MichaelDaum 微软研究院
EricHorvitz 微软研究院
摘要：
如今世界上有超过一半的人口面临着接入因特网的障碍。最近ITU一项调研中提到，估计有26亿人无法承担起网络连接的费用，38亿人没有办法接入互联网。近期提出的一些低成本网络连接方案包括长航时无人机和平流层气球的应用。我们提出一个更加经济的替代方案——Wi-Fly，该方案利用现有的商用飞机向偏远的地区提供网络连接。在Wi-Fly方案中，我们通过轻量级Wi-Fi设备使商用飞机和地面站进行通信，让没有低成本网络连接的地区可以实现网络连接。Wi-Fly利用现有的机载ADS-B信号作为控制信道，确保飞机和地面之间的信号连接强度，然后地面站会自动唤醒并接入到合适的AP设备。在我们的实验中，我们定制了两架飞机实施测定。通过测试飞行和仿真等实验，我们证实Wi-Fly能以比现有方式都低的经济成本，为世界上的诸多偏远地区提供网络连接。
1 引言
 图‑1降低互联网接入的成本对于全球互联的影响。左侧的纵坐标显示了接入成本。 |
如今世界上有44亿人的生活中还没有因特网的存在。这些大部分（比例约为64%）“离线人口”居住在贫穷的农村地区，这些地区一般只有很差的电力系统和通信基础设施，并缺少基站和用户终端等通信硬件设备，这阻碍了互联网的使用。那些无法上网的人们有超过80%小于55岁，并有42%大于25岁。最近的一项研究表明，降低互联网接入成本能够帮助更多的人享受互联网生活（见图1）。为了解决网络连接的重大挑战，已经有大大小小的研究展开，这些努力的目的在于使全球范围内尚未连接互联网的人能够尽早开始他们的互联网生活。但遗憾的是，在过去的十年时间里情况并没有太多改变。小型社区为单位的解决方案可以帮助到人们，但是他们需要资金和持续的技术支持，鉴于现有解决方案的成本这两项支持都很难提供。
在本文中，我们将重点放在利用商业航空运输系统作为提供连接整个大陆的一种手段。任何时间段中，有超过10000架航空飞机在全球范围内飞行，并覆盖了大片的地理区域。在我们的研究中，我们考虑利用所有这些飞机作为接入点的可能性，这样地面上的人口中心就可以连接入网。鉴于这些飞机长距离航行的优点，我们已表明要连接那些以前难以实现网络连接的地区是可行的。
我们的方法叫做Wi-Fly，是旨在利用现有的基础设备将各种技术系统集成，以提供低成本连接。Wi-Fly中飞机和地面站的通信采用Wi-Fi的无线电频段，这能够降低技术成本。在我们设计框架中，地面站（通信枢纽）接收ADS-B信号判断飞机何时飞至附近、飞机短时间内会飞至何处，然后上电并相应地微调其Wi-Fi硬件部分。当地面站中工作出现多只飞机时，地面站能够决策最佳通信飞机，这样的能力能够使系统提高吞吐量。
Wi-Fly通过商用飞机上现有可用网络，使用Ku波段和Ka波段无线电，为延迟容忍的应用提供网络连接。Wi-Fly的目标是能够支持两种主要方案。首先，我们设法使人们之间能够使用电子邮件、即时消息通信，并能够下载热门文章。其次，我们试图使“物”之间能够通信，如偏远地区无法连接入网的传感器，例如在森林中、沙漠中和农田中。
此方案和Google最近提供的Project Loon还有Facebook的Aquila完全不同。我们不需要研发定制航空飞行器，而是利用现有的设施以保证成本的低廉。Wi-Fly的另外一个优势就是它易于大范围部署。最重要的，我们设计的系统有更好的灵活性及鲁棒性，因此它是可以适应多种飞行器的编队约束的。总的来说，此方案的主要优势如下：
基于现有的航空运输基础设施解决网络连接问题。
利用ADS-B探测飞行器的出现，并建立连接的预测模型。
使用真实飞行器数据进行的真实实验证实了框架的可行性。
基于通用航空飞机的部署证实了其实用性。
2 动机
为了评估我们网络连接模型的有效性，我们利用FlightAware网站的飞行数据和我们的平台收集的实验数据建立了一个模拟器，这会在第5部分详述。在2016年5月，我们下载了一天内在美洲大陆和非洲地区上空飞行过的所有飞机的信息。数据以快照采样的形式下载了给定时间内正在飞行的飞机信息。每次采样的下载间隔大约是5~10分钟，每次采样都有每个航班的信息，我们记录了飞机的飞行高度、速度和所在区域的确切位置。为了确定使用飞行过程中的通用航空飞机（相对于停泊在机场的飞机）数据，我们只考虑飞行高度高于20000英尺且飞行速度高于200节的飞机数据。
在数据预处理过程中，我们仔细研究数据并筛除所有的可能偏差值。在处理过程中我们特别地关注采样数据中每架飞机独一无二的ID，确定他们的位置信息是不同的，为的是能够只考虑正处于飞行状态的飞机并删除静止状态的飞机。我们在FlightAware API的数据中就发现了有几个停泊在飞机场的飞机被错误地标记成了飞行状态，然后将这些错误数据从数据集中删除。正如前面所提到的，数据包含一整天的飞行信息。我们用单天的数据是因为飞机的飞行数据大多数时间里遵循类似的模式。
随着在FlightAware上收集飞机在空中飞行的数据，我们也利用一个定制的测量平台（第5部分详细叙述）进行了实验。在实验中，我们布置了一个高功率Wi-Fi路由器在一个改装的单引擎飞机上，经测量其传输增益为25dbm，如图6中所示。将AP安置在飞机的绝缘玻璃钢制机翼梢上，这避免了飞机的结构性改变。我们将增益小于5dbi的偶极子天线安装在飞机上，以接收地面站路由器发送的信标数据包。当飞机飞行的时候，我们也采集飞机的时间同步GPS日志，这能时刻地为我们提供发射机和接收机之间的准确距离。
2．1 无线传输参数
我们选择在模拟器中使用自由空间传输模型。基于特殊接收机（例如跟踪目标的抛物面天线接收机）和特殊地形环境的情况，也选用了多径传输模型。对于目标区域的视距信号，首先用自由空间传播模型。自由空间传播模型的Friis等式：
上式中，Pr和Pt分别表示接收功率和发射功率；Gr和Gt分别表示接收增益和发射增益；λ表示波长，R表示发射机和接收机的距离。
为使路径损耗模型适合我们的实验，我们假设R被替换为变量，并且用收集到的实验数据估算参量。
实验中使用接收到的功率（第5部分测量平台收集到的数据），接收天线和发射天线的增益等计算参数的值。路由器发送数据包使用信道1，我们利用信道1的中心频率2412MHz计算波长。为使实验具有多元性，我们部署具有不同接收天线的两种不同接收机。然后在MATLAB平台上利用回归分析对参数进行估计。
我们收集不同飞行高度的飞机数据，并使用两台不同的笔记本电脑解数据包。飞机在接收机上空采取环形飞行模式，并且在不同高度飞行。我们记录接收到的数据包并在后期以飞行日志的形式处理它们。参数的估计值为2.12。
图‑2分别使用零增益天线（左）和10dbm增益的接收和发射天线（右）时，利用回归参数生成的美洲大陆覆盖对比图。
图3分别使用零增益天线（左）和10dbm增益的接收和发射天线（右）时，利用回归参数生成的非洲大陆覆盖对比图。
2．2 覆盖结果分析
在估算了传播参数后，我们利用FlightAware平台上的飞机数据估算世界各地不同地区可覆盖区域。在这些覆盖仿真实验中，我们假设发射功率是2W。而发射天线和接收天线的增益采用不同的值，我们为了显示波束形成增益，所以使用0dBi~10dBi的增益值进行仿真。我们利用系统带宽热噪声计算信噪比，假设当信噪比大于0dB的时候链路处于连接状态。图2和图3分别显示了美洲地区和非洲地区可以被Wi-Fly覆盖的区域，这些地区一天中大部分时间没有网络接入。我们分别评估了在有天线增益和无天线增益两种情况下的潜在覆盖情况。
正如图中所示，利用商用飞机可以为大部分地区提供网络连接，但是大部分覆盖的区域超过10小时会失去连接。这个地图中假定所有飞机都使用我们的系统提供网络覆盖。正如我们所期望的，飞机的数量随时间推移而增加，地图中的覆盖也会增加，进一步激励系统的设计和研究。
在图3非洲地图中，我们基于公开的人口地图做了一个人口覆盖分析。我们计算出，按照如图3右图中所示的高增益发射机和接收机网络覆盖，80%的人口对网络覆盖持续的时间小于10小时。我们还计算得出，甚至是如图3左图中使用无增益天线保守预测，在一天当中该地区有50%的人连接入网。
3 WI-FLY架构
Wi-Fly利用商用航空飞机为偏远地区提供网络连接。Wi-Fly系统的目的是提供两种主要应用场景。第一种场景，我们试图使人们能够通过电子邮件、即时信息和博客等方式与他人沟通交流，同时也可以下载热点文章，例如新闻和气象更新。第二种是为“物”与“物”之间提供连接，例如将森林、沙漠和农田等偏远地区的传感器连接入网，使其能够传输传感数据。
Wi-Fly架构中的飞机可以使用Ku波段或者Ka波段与卫星或者其他地面站连接，使其具有本地网络连接。全世界将近有70家航空公司为其航班提供Wi-Fi连接。世界上39%的飞机乘客已经有网络连接，其中68%的人还有高质量的网络。在美国这个百分比正在升高，因为80%的飞机都有Wi-Fi连接。此外，多国政府正在尝试启用其他频段，使在不久的将来飞机上能够提供更宽带宽的网络连接。至于另外一种情况，我们提出的能够解决飞机网络连接问题，就是采用特殊的卫星和地面站，飞机停泊在飞机场的时候使用地面站的本地连接存储并同步数据。
Wi-Fly在飞机上的网络连接可以扩展到各种地面站，包括人和传感器的数据连接中心。每个飞机上都部署天线和与特殊Wi-Fly地面站通信的两用收发机。这个收发机和飞机上别的收发机是不同的。至于设备的重量，在实验的时候只多了3磅，这对于我们联系合作的商业航空公司都是可以接受的。
地面站也有部署有两用收发机和指向天空的天线。在我们目前的设计方案中，目标是提供高频宽带服务，Wi-Fly需要相控阵阵列天线以最大化覆盖范围，同时也提供高增益。由于每个地面站的天线结构都很复杂笨重，所以Wi-Fly系统中宽带连接使用了替代技术完成最后一公里连接，例如Open Cellular平台、TV white space、Wi-Fi接入点、p2p连接和GPRS等。对于物联网应用有比较低的要求，Wi-Fly通过窄带信号调制以降低噪声。因此，天线不需要很高的增益，每个传感器只需要配置全向天线即可与飞机直接通信。
要使地面站和飞机之间的网络连接具有好的质量，Wi-Fly还需解决三个主要的挑战：
第一，为确保地面站和飞机之间网络的吞吐量，Wi-Fly需要自适应调节其无线参数值。使用Wi-Fly或者任何现有的通信系统，都只会有很低的吞吐量。现有的空-地系统，例如Gogo Wireless的ATG4系统都使用低速率无线宽带技术。
第二，Wi-Fly需要缩放系统比例适应多飞机多地面站的状态。这要求设计一种特殊的MAC层协议。相比于用户是移动的Wi-Fi和蜂窝网络系统，在Wi-Fly系统中，飞机（基站）是移动的。此外，我们试图使多参数最优化：用户连接飞机需要良好的信号状态，也要求最轻载荷，还要保证最长时间的连接状态。
第三，Wi-Fly地面站需要支持低功率模式使IoT设备能够与飞机通信。如果长时间让他们工作的话会消耗大量的功率，并且循环使用传感器会使其错过与空中飞机通信的良机。
4 ADS-B辅助控制信道
上一节最后强调的几项挑战要求地面站能够感知到附近飞机的出现。如果一个地面站能够感知到所有飞机，就能连接到能够使吞吐量达到最大值的飞机，在没有飞机的时候令基站停止工作以节省能源，一段时间后在重新出现飞机的时候就会重新激活。
有一个方法就是可以下载一个飞机的飞行计划表。然而，飞机会有延误和偏离计划飞行航线（例如因为大风和天气原因）的情况出现。另一个方法就是地面站周期性地寻找进入覆盖区域的飞机。然而这种方法在链路建立的时候会产生时延。
为避免这些问题，Wi-Fly使用了一种基于控制信道的方法。Wi-Fly控制信道利用现有的ADS-B（广播式自动相关监视）在飞机端发射信号，而不是在飞机上使用一种分离无线电实现控制信道。ADS-B信号发射频率有1090MHz和978MHz，带宽分别为50KHz和1.3MHz，并采用PPM调制方式。飞机使用这些信号作为次级雷达的替代品。飞机会发送112bits大小的数据包，数据包包括飞机的经纬度、飞行速度、方位角、气压、飞行高度和呼号等信息，每个单独的信息大小为10bytes。
ADS-B发送的每个数据包都会用一些数据段识别，例如Downlink Format（第1到第5比特位）和Type Codes（第33到第37比特位）。Wi-Fly提出使用类型代码从飞机端发送一些额外有用的数据，例如当前的负载和可用容量。我们称我们的技术为ADS-B辅助控制信道，该技术使飞机可以发送少量数据到地面站。我们用Downlink Format 17实现广播通信，并将最大的数据包限制为每秒几个数据包。这使Wi-Fly能够采用轻量级的基于push的方法，在此方法中，飞机发出信号而不会堵塞数据通道。我们注意到，我们在不同城市的几周之内收集了ADS-B数据，并意识到有几个未使用类型代码，特别是Type Codes 5-8、25-27和30。
图‑4基于ADS-B数据预测未来不同时间飞机位置的误差。 不同的线表示将来的不同时间，根据实际的平面位置进行预测并计算误差。
图‑5在飞行实验期间每秒粒度的数据包的与接收机距离和RSSI之间的相关性
ADS-B信号工作频率比较低，但是发射功率较高。所以它传播比数据（发射机工作频率2.4GHz）要远很多。控制和数据信道之间的这种范围不匹配不会导致协议设计效率低下。比如，当控制信道被用作争用介质，很多设备都会在控制信道接收到信号的传递并做出补偿，然而它们可能永远不会在数据信道接收到数据包。但是在Wi-Fly系统中永远不会发生这个问题，因为地面站不会在ADS-B信道上传输信号并且只用一种数据包获取飞机的位置和航向。
我们用ADS-B辅助控制信道来帮助解决上一节讨论的挑战。ADS-B数据包提供如飞机位置信息、速度和航角等遥测数据，我们利用这些数据计算飞机和基站能够连接的最大时长。这种方法使用ADS-B数据的准确度如图4所示。在飞机上使用位置预测和平面上的当前负载（利用未使用的Type Codes发送），地面上的基站选择与具有最小负载的平面连接并且将保持连接时间最长，从而增加系统的吞吐量。同时ADS-B信号被用作唤醒信号，当飞机飞至附近时激活地面上的基站。
5 测量平台
我们用通用航空飞机来运送这些设备。具体而言，飞机的机翼尖端是空心的，由玻璃纤维制成，为天线和Wi-Fi路由器提供了充足的空间。图6展示了安装细节。飞机上的红色表示设备安装的翼尖。在安装中，我们使用了现成的RadioLab路由器和2.4GHz Wi-Fi天线，这些天线采用了定制的航空形式。天线安装在钢板上，提供所需的平面并连接到飞机的机翼骨架上。我们确保天线之间有最大的距离，同时没有对机翼的形状做任何改进。该飞机还配备了一个Mode-C转发器，在试飞期间，联系了ATC空中交通管制，然后为Mode-C广播分配了一个应答机码。
在地面端，我们接收了两个不同频道的数据。ADS-B和C模应答信道工作频率为1090 MHz， Wi-Fi工作于2.4 GHz。使用具有SBX子卡和1090MHz螺旋天线的USRP N210收集遥测数据。由ATC分配的模式C语音码允许我们区分测试飞机从其他广播发送的数据包。使用地面上的2个Wi-Fi接收器收集Wi-Fi频道数据。一个接收器是带有内置Wi-Fi芯片的联想T430笔记本电脑，第二个接收器使用通过Express卡插槽连接到HP Pavillion笔记本电脑的外部Intel 5300 Wi-Fi卡。
图‑6飞机结构
5．1 收集信道状态信息
我们使用修改后的英特尔5300固件和驱动程序从空中收集CSI信息。该工具收集各种数据包的CSI信息，但我们面临的最大挑战是如何将基站与AP连接起来。为了保持飞机的相关性，我们在地面端和飞机端上都使用了客户端和AP的复制设置。我们在地面上用一台CSI信息收集笔记本电脑，这台电脑连接地面AP。AP在地面上伪装成空中AP，这意味着在地面上的AP与飞机翼尖上的AP具有相同的IP、MAC、BSSID和无线信道。唯一的区别是，地面上的AP不发送修改后的Intel 5300卡收集CSI的任何802.11n高吞吐量数据包。在飞机上，我们放置了一个复制的客户端，它看起来像地面上的CSI客户端，但它没有用于收集CSI的Intel 5300卡。飞机上的客户经常与飞机上的AP连接，并且在地面上的客户端时常与地面上的服务器连接时与飞机ping通。
这个复制的设置是希望获得802.11n高吞吐量数据包，这些数据包是为飞机上的客户设计的，并将它们收集在地面上的客户端，从而从中收集CSI。我们能够在飞行过程中始终如一地收集CSI数据包，让我们更深入地了解从飞机到地面的信道。我们使用前面章节中显示的吞吐量模拟收集的数据。对于单次飞行，图5中显示了与接收机的距离与所有接收到的数据包的RSSI值之间的相关性。
6 讨论
频谱因素：在美国和许多其他国家，2400-2483.5 MHz（2.4 GHz频段）的频率范围可供不需要单独许可证的设备使用。根据国家的不同，这些设备被称为未经许可的设备、免许可设备、许可类别等。根据国家法规的一些修改，一般规则是未经许可的设备不能对2.4 GHz和相邻频段的任何设备造成有害干扰，也不能要求保护免受来自任何设备的干扰。对于这些未经许可的操作，通常有一套最低限度的技术规则，用于降低创新障碍以及低合规成本。此外，在国际频率划分表中，移动和固定业务在这一频谱范围内共同主导，且不禁止航空移动使用。
2.4 GHz频带是符合IEEE802.11开发不同WLAN标准的技术，如蓝牙，Zigbee和Wi-Fi认证设备（Wi-Fi）。不过，作者并没有给出不使用LTE运营商频段的技术原因。
改变飞机航线以使覆盖最大化：所提出的这种机制的一个有趣的可能性是，我们可以考虑根据连接需求适度地重新部署飞机航线。例如，带宽要求可能因各种因素而异，如时间，特殊事件，人口密度等。由于接入点（飞机）的移动性，应该有可能将更多资源投入到需要以最低成本实现更好连接的地区。事实上，在使用飞行器进行天气预测的背景下，已经探索了类似的想法。与这项工作类似，我们可以设想一个方案，确定最佳路径（飞机重定航线）以便最大限度地提高连接价值。
推动Wi-Fly的应用：为了使Wi-Fi成为一种为发展中国家的一些最偏远和地理位置上最具挑战性的人群提供可负担互联网连接的潜在手段，我们需要一个全球可重复的模式以便各航线愿意采用Wi-Fly。我们看到互联网服务提供商和政府可以与航空公司合作提供基于地区飞机网络连接商业模式的可行性。我们需要这种合作关系来推动Wi-Fly的应用。
开放性问题：需要更多的研究来确定应用于物理层的最佳方案。这包括探索基于MIMO的方法，接收机和发射机的天线设计，同时要顾及到燃油效率和飞机设计的经济性。
7 总结
我们提出了Wi-Fly方案，这是一种通信方法和架构，旨在为全世界偏远和服务不足地区的人们提供机会性网络连接。我们通过使用改装飞机实现基于实际测量的仿真来证明系统的能力。Wi-Fly利用ADS-B作为辅助控制信道，为网络连接提供低功耗基站。与其他解决方案相反，Wi-Fly通过利用现有商业航空运输大规模基础设施保证了其低功耗低投入的优势。
浮空君观点：好像是可行，但问题是，那些偏远地区上空的航班本来就少，但恰恰它们需要网络接入，这样网络质量会不会太差了，一天只能通一两次，不知道能不能忍。另外，如果是用的飞机上的卫星资源接入互联网，那这资费也不会便宜吧。