一種發展中的新移動通信方式

一種發展中的新移動通信方式— 平流層通信研發概況

I．概述

近十余年來，移動通信的發展非常迅速。移動通信要解決的根本問題是使人們在任何時間和任何地點都能進行各種通信問題，包括在運動中的通信問題。

目前已有的移動通信手段，主要有兩種。第1種移動通信手段是地面蜂窩網，它是應用最廣泛的一種移動通信手段。第1代地面蜂窩網是模擬電話網，在我國已經被淘汰。第2代地面蜂窩網是數字電話網，是我國目前正在廣泛采用的移動通信手段。第3代地面蜂窩網是寬帶數字網，預計在我國明年將投入運營。地面蜂窩網的缺點主要是不能或不適宜覆蓋人煙稀少的高山、沙漠、海洋和南北極等地方。第2種移動通信手段是低軌道衛星通信網。最有代表性的低軌道衛星通信網是“銥”系統，它采用分布在6個軌道平面上的66顆低軌道衛星覆蓋全球，轉發地面用戶信號。其優點是可以保證在地面上任何地點的移動通信。缺點主要是系統復雜、成本較高，并且由于衛星軌道高度有780千米，故需要地面用戶臺的發射功率比蜂窩網用戶臺的發射功率大得多。

此外，集群通信網，尋呼網，以及迅速發展中的無線局域網（WLAN）、無線城域網（WMAN）和無線個人域網（WPAN）等，都是各有其特點的移動通信網。

近來，又有一種新的移動通信手段出現。它就是平流層通信。平流層通信是指用位于平流層的高空平臺電臺（HAPS － High Altitude Platform stations）代替衛星作為基站的通信［1］，平臺高度距地面在17～22km。可以用充氦飛艇、氣球或太陽能動力飛機［2］作為安置轉發站的平臺。若其高度在20km，則可以實現地面覆蓋半徑約500 km的通信區。若在平流層安置250個充氦飛艇，可以實現覆蓋全球90%以上的人口。在一個平流層平臺的覆蓋范圍內，仍然可以采用蜂窩網結構組織通信，如圖1所示。

圖1 平流層通信的蜂窩網結構

平流層通信系統和衛星通信系統相比，費用低廉、延遲時間小、建設快、容量大。和蜂窩網相比，它的多徑衰落小、覆蓋面積大。所以，它是很有發展前途的一種通信手段。在表1中較詳細地比較了它和蜂窩網及低軌道衛星網的性能。

表1 平流層通信、蜂窩網和低軌道衛星網的性能比較

平流層通信蜂窩網低軌道衛星

傳播延遲小小較大

典型單個基站

覆蓋半徑 200 km 幾至十幾km 大于1000 km

典型蜂窩半徑 1- 10 km 微蜂窩0.1 – 1 km 大于500 km

建設時間有一個平臺和相應的地面設施就可開始運行需要建設大量基站在整個系統建立后才能運行

系統發展通過減小點波束尺寸和增加平臺數可以增大容量將小區分小可以增大容量；設備容易升級和修理系統擴容必須增加衛星；硬件升級需更換衛星

無線信道質量近似于有萊斯快衰落的自由空間信道瑞利衰落限制了通信距離和傳輸速率近似于有萊斯快衰落的自由空間信道

手機輻射對身體的影響功率大小類似地面系統手機功率最小由于路徑損耗大使手機功率大

室內應用可以可以一般不行

II. 平流層通信系統的類型和基本特性

平流層平臺可以分為3種。第一種是帶推進系統的無人充氦飛艇。它通常很大，有100 m長，有效載荷可達800 kg以上，用太陽能提供動力。飛艇可以是半剛性的或非剛性的［3］，其基本結構材料是有彈性的、防氦泄漏的層壓塑料。在飛艇表面上覆蓋有重量輕（《 400 g/m2）的太陽能電池。第二種是無人飛機［4-7］。它也是一種高高度持久（HALE – High Altitude Long Endurance）平臺。這是一個太陽能飛機，它比飛艇小，不能攜帶很重的有效載荷，功率也有限，特別是在夜間。另一種無人飛機是用燃料的，稱為無人飛行器（UAV – Unmanned Aerial Vehicle），它通常飛行在中等高度，用于短時間軍事偵察。第三種是有人飛機。它是普通的燃油飛機，有效載荷約有1噸［8-9］。這3種平臺的性能比較列于表2中。

通常建議平臺的高度在17至22 km之間，其主要原因有二：第一，這個高度位于航空航線之上；第二，此處的平均風速低，而在更高處的大氣密度極低，致使平臺難于定位（見圖2）。飛艇較易受風或壓力變化的影響，它必須抵消因之產生的漂移。此外，其高度還難于精確地進行遙控。雖然飛機不易受風的影響，但是它不能在空中停留不動，它只好沿一個小圓圈飛行。

國際電信聯盟（ITU）已經將47.2 – 47.5 GHz和47.9 – 48.2 GHz頻段分配給HAPS應用。在亞洲，由于受雨衰減的影響，可以用28/31 GHz頻段代替47/48GHz頻段。HAPS還可以使用3G的一些頻段。在表3中給出了HAPS可以使用的頻段。

表2各種平臺的性能比較

飛艇（無人）太陽能無人飛機有人飛機

尺寸長150－200 m 翼展35－70 m 長 ? 30 m

總重量 ? 30噸 ? 1噸 ? 2.5噸

能源太陽能電池

（＋燃料電池）太陽能電池

（＋燃料電池）石油

留空時間 ? 5年不定（約6個月） ? 8小時

定位范圍（半徑） ? 1 km ? 3 km ? 10 km

有效載荷 1000－2000 kg 50－300kg ? 1000kg

任務功率 ? 10 kw ? 3 kw ? 20 kw

表3 ITU分配給HAPS通信的頻段

頻段地區鏈路方向業務共用業務

47.9 – 48.2 GHz

47.2 – 47.5 GHz 全球上行和下行固定業務固定和移動業務

固定衛星業務（上行）

臨近射電望遠鏡頻段

31.0 – 31.3 GHz 12個亞洲國家上行固定業務固定和移動業務

某些地區空間科學業務

臨近空間科學業務頻段（無源）

27.5 – 28.35 GHz 12個亞洲國家下行固定業務固定和移動業務

固定衛星業務（上行）

1885-1980 MHz

2010-2025 MHz

2110-2170 MHz 第1和3區上行和下行 IMT-2000 固定和移動業務（特別是陸地IMT-2000和PCS）

1885-1980 MHz

2110-2160 MHz 第2區

（北美和南美）上行和下行 IMT-2000 固定和移動業務（特別是陸地IMT-2000和PCS）

與衛星通信類似，HAPS可以作為單純轉發（透明）的轉發站用，也可以具有某些處理功能，這和HAPS上可用功率的大小有關。有一些研究［10-13］建議采用蜂窩結構進行寬帶通信（見圖1），以增大網絡容量。每個平臺都可以連接到地面網絡，平臺之間也可以有鏈路連接，以建立大范圍的統一網絡。平臺還可以設置在海洋上，為船舶通信提供服務。

HAPS的一個很大的優點就是它能夠移動，以覆蓋有臨時業務需求的地區［14-15］。HAPS可以馬上用于目前沒有地面無線電通信系統、光纖和電纜等其他通信系統的地方。在其技術成熟后，不久將能得到廣泛的應用。

下雨對平流層通信信號有吸收和散射作用，使通信質量下降。頻率越高，雨產生的信號衰減越大。采用空間、時間或頻率分集技術可以減少因局部地區下雨造成的通信中斷。采用窄波束寬度的天線可以降低由于雨散射產生的干擾，改進載波干擾比。此外，增加重復使用的信道的數目，使受下雨影響的相鄰同信道小區的數目減小，也可以減小這種干擾。

在平流層通信系統中有兩類干擾：來自HAPS網絡本身用戶的干擾，和來自應用相同或相鄰頻段的地面或衛星通信系統的干擾。后者又可以分為4種干擾途徑：平流層地面站和其他陸地或衛星地面站之間；平流層地面站和其他空間站（例如，衛星）之間；HAPS和其他陸地站之間；以及HAPS和衛星之間。干擾總是對用戶數目有影響，因此需要降低。若將許多小區聚束應用，則來自同信道用戶的干擾可以減輕［16-17］。載波干擾比還和天線的方向圖有關。用波束成形的方法改善HAPS天線的輻射方向圖，可以降低HAPS天線對靜止衛星系統的影響［18］。而平流層通信地面站對其他地面業務的干擾，可以用增大天線方向圖最小仰角的方法減小。

對于寬帶平流層通信天線的性能要求，可以歸納為如下5點［19］：

? 使用高的無線電頻率，以確保足夠的帶寬。

? 使用高增益方向性天線，以克服高頻率上的衰減。

? 使用能容納100個以上（發射和接收）波束的多波束HAPS天線，以覆蓋達120?以上的視角，以得到高增益和高的頻率利用率。

? 用波束控制的方法抵消HAPS的高度和位置變化對覆蓋區的影響。

? 能使有效負荷的重量、體積和功耗降低。

有兩種多波束天線滿足上述要求：機械驅動的多波束喇叭（MBH）天線和電子掃描的數字波束形成（DBF）天線。MBH天線雖然具有帶寬寬、研制費用低等優點，但是它不太適合用于大型多波束天線，因為這時它的尺寸太大，使得萬向支架難于轉動。一般說來，這種天線不如DBF天線靈活。

DBF天線的波束由一個天線陣和空間數字信號處理技術形成。它是一種智能的下一代天線，稱為“智能天線”或“軟件天線”，能將接收的地面用戶站信號作空間并行處理，形成天線方向圖，進行自動捕獲、跟蹤、準確地波束指向和分離干擾等等。因為這種天線沒有機械驅動元件，所以適合多陣元的大型多波束形成。

平流層平臺的應用

平流層通信系統的一個重要特點是它可以迅速部署。因此，它適合一些臨時性應用，例如，奧運會、搶險救災和軍事行動等。對于一些應急需求，無人飛機作為平臺更為有利，因為它的反映迅速。

平流層通信系統能夠提供很寬頻帶的因特網接入（例如，下行10Mb/s，上行2Mb/s），滿足視頻會議、蜂窩網電話和其他視頻與音頻業務，以及接入數字網絡等。

平流層通信系統的應用可以設想有兩類。第一類將它用作為在廣大農村地區通信設施的“備份”。第二類是將它作為覆蓋廣大農村地區的主要通信網，這些地區沒有其他的通信網。