¿Por qué se sigue utilizando la comunicación por radio?

La comunicación celular tiene múltiples problemas:

• Cuando un avión está a más de unos pocos miles de pies, un teléfono celular vería e intentaría comunicarse con varias torres de telefonía celular a la vez. En el mejor de los casos, esto es ineficiente y sobrecarga la red celular. En el peor de los casos, la red puede confundirse y perder llamadas. (no es algo que desee cuando intente obtener direcciones de ATC)

• Cuando un avión se mueve rápidamente, cambiará de torre celular con frecuencia. Esto tiene los mismos problemas que el anterior.

• Las comunicaciones celulares están diseñadas para Persona a Persona durante una sola llamada. La radio de aviación está diseñada para que todos puedan escuchar las comunicaciones de los demás. Incluso si una instrucción ATC no es específica para mí, puedo obtener una imagen mental de qué otros aviones están cerca y qué están haciendo. Esto no es tan fácil con el celular.

• En muchas áreas rurales, la cobertura de telefonía celular es limitada.

Como se mencionó en los comentarios, la radiocomunicación incluye todas las formas de enlaces de radio, por lo tanto, incluye redes celulares.

Tamaño de celda

Una red celular que cubra cualquier terreno no es realista, sin mencionar las áreas de agua. Dado el tamaño de una celda, como máximo 20 km para GSM (1G/2G), y mucho menos para UMTS/LTE (3G), esto supondría costes prohibitivos:

• Los continentes representan unos 150 millones de km², una celda GSM cubre unos 10 km² (en las grandes ciudades una celda suele cubrir menos de 1 km²).

• Se requerirían 15 millones de células, aún así las tierras son solo el 30% del área de la Tierra.

Velocidad de movimiento del usuario

Si usáramos la red celular existente, el tamaño de celda actual no sería práctico para móviles rápidos.

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Con celdas pequeñas, los usuarios rápidos saltaban (traspasaban) constantemente de una celda a otra. La red se sobrecargaría y la eficiencia del nodo móvil también disminuiría mucho, ya que la transferencia de celdas tiene cierta sobrecarga, incluida la replicación de tramas por todas las celdas a la vista. En realidad, una suposición para el diseño de una red de telefonía celular son los traspasos poco frecuentes durante una comunicación.

Un tamaño más adecuado sería de más de 100 km, lo que es imposible en áreas urbanas debido a la superposición de celdas para tratar de cubrir áreas sombreadas.

Los estándares GSM y UMTS limitan la potencia del equipo del usuario a 2 W (33 dBm) y 125 mW (21 dBm) respectivamente.

Si se aumenta el tamaño de la celda, también se debe aumentar esta potencia (ver aquí un presupuesto de enlace para UMTS ). Cada vez que el tamaño de la celda se duplica, la energía utilizada debe multiplicarse por 4. Como señaló @jamesqf, el tamaño de la celda afecta el tiempo de ejecución del teléfono. El equipo del usuario necesitaría baterías más grandes para mantener el mismo tiempo de funcionamiento, o el tiempo de funcionamiento se dividiría por 4 cada vez que se duplicara el tamaño de la celda.

Si se aumenta el tamaño de la celda, hay más usuarios en la misma celda. La combinación más usuarios + más potencia necesitaría cambios importantes en la tecnología de la red celular para evitar interferencias.

cobertura 3D

Las antenas actuales están orientadas hacia el suelo para lograr eficiencia y reducción de ruido. En la práctica, una estación base es apenas alcanzable por un avión que vuela a 10 km de altitud.

^Fuente

Necesitaríamos un haz de 180° frente al actual de 10°. Como la celda ahora es un cubo en lugar de un disco, se debe aumentar la potencia para llegar a las esquinas superiores, lo que se puede hacer al precio de aumentar la superposición de celdas a nivel del suelo y una mayor interferencia entre celdas.

Otras lecturas

Hay una tesis de maestría sobre este tema exacto:

• Estudio de viabilidad de un enlace aire-tierra directo WCDMA en la banda licenciada UMTS , por Dora Swamy Naidu Raghavarapu.

De la sección Conclusiones y Perspectivas :

[...] Se han identificado y analizado algunas limitaciones específicas de la aeronave, como el desplazamiento Doppler, el retardo de propagación, el traspaso y la interferencia. El desplazamiento Doppler se produce en las redes terrestres a una escala mucho menor, ya que las estaciones móviles en tierra se mueven a velocidades mucho más bajas. Sin embargo, los receptores WCDMA están equipados con potentes circuitos de adquisición de frecuencia, capaces de contrarrestar este efecto. También hemos demostrado que el retardo de propagación no tiene un efecto significativo en el mecanismo de control de potencia. Finalmente, hemos visto cómo las redes UMTS pueden realizar procedimientos de traspaso entre partes remotas de la red.

[...] hemos centrado gran parte de nuestro estudio en analizar la posibilidad de utilizar frecuencias terrestres UMTS para un componente de aeronave. Se puede observar a partir de los resultados de la simulación que se muestran en el capítulo (6), que un componente de aeronave que transmita en estas frecuencias degradaría el rendimiento de la red existente hasta un punto intolerable debido a la interferencia.

[...] Para que la aeronave degrade el rendimiento de la red terrestre solo en un grado tolerable, necesitaría transmitir a una potencia extremadamente baja. Entonces, las celdas del espacio aéreo tendrían que ser tan pequeñas que el sistema sería poco práctico.

La solución futura ya está ampliamente definida y basada en satélites

El uso de la red de telefonía celular no es práctico y tiene pocas ventajas sobre otras soluciones. Si hubiera que construir una red de radio para la aviación, sería una de satélite para cubrir los océanos. Sería más barato (relativo) que construir un equivalente sobre el terreno.

¿Se podría construir tal red de satélites a pesar de su costo? ¡Pues ya está en construcción!

La necesidad de intercambios de radio constantes entre aeronaves y tierra ha aumentado mucho desde hace 15 años:

• ACARS ya puede usar satélites, y es cuestión de elección de una aerolínea usar este tipo de enlace además de VHF/HF.

• Las aerolíneas comienzan a ofrecer acceso a Internet en vuelo. Los puntos de acceso Wi-Fi están instalados en la cabina y el tráfico local se enruta a un satélite que lo transmite a una estación terrestre conectada a Internet.

• Las aerolíneas también comienzan a permitir los teléfonos celulares en vuelo, utilizando la misma tecnología satelital.

• Los sistemas ATC están actualmente rediseñados ( NextGen en EE. UU., SESAR en la UE) para pasar de enlaces ATC basados ​​en tierra a enlaces ATC basados ​​en satélites.

^Fuente

En este mundo numérico, la comunicación de voz ATC es solo otro flujo de datos, muy pequeño en comparación con ACARS, Wi-Fi y teléfono celular. Habrá poca dificultad para reutilizar los canales de datos para la transferencia de voz, al igual que los teléfonos IP han reemplazado a los teléfonos fijos tradicionales en países con una red troncal de Internet de banda ancha.

GSM solo funciona para una velocidad relativa entre el teléfono y la estación base de 250 kph máx. (130 kph máx. para 1800 MHz). UMTS es un poco mejor, pero también alcanza un máximo de 500 kph. Muchos aviones vuelan más rápido que eso. Los aviones de pasajeros vuelan regularmente a más de 800 km/h de velocidad terrestre, con un buen viento de cola, pueden alcanzar los 1000 km/h. Eso es dos veces más rápido que la velocidad relativa máxima posible para UMTS y casi 8 veces más rápido que la velocidad relativa máxima posible para GSM 1800 MHz.