一種發(fā)展中的新移動通信方式— 平流層通信研發(fā)概況

I．概述

近十余年來，移動通信的發(fā)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(jìn)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(wǎng)，它是應(yīng)用最廣泛的一種移動通信手段。第1代地面蜂窩網(wǎng)是模擬電話網(wǎng)，在我國已經(jīng)被淘汰。第2代地面蜂窩網(wǎng)是數(shù)字電話網(wǎng)，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(wǎng)是寬帶數(shù)字網(wǎng)，預(yù)計在我國明年將投入運營。地面蜂窩網(wǎng)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(wèi)星通信網(wǎng)。最有代表性的低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)是“銥”系統(tǒng)，它采用分布在6個軌道平面上的66顆低軌道衛(wèi)星覆蓋全球，轉(zhuǎn)發(fā)地面用戶信號。其優(yōu)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(tǒng)復(fù)雜、成本較高，并且由于衛(wèi)星軌道高度有780千米，故需要地面用戶臺的發(fā)射功率比蜂窩網(wǎng)用戶臺的發(fā)射功率大得多。

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

近來，又有一種新的移動通信手段出現(xiàn)。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(wèi)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(zhuǎn)發(fā)站的平臺。若其高度在20km，則可以實現(xiàn)地面覆蓋半徑約500 km的通信區(qū)。若在平流層安置250個充氦飛艇，可以實現(xiàn)覆蓋全球90%以上的人口。在一個平流層平臺的覆蓋范圍內(nèi)，仍然可以采用蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)組織通信，如圖1所示。

圖1 平流層通信的蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)

平流層通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，費用低廉、延遲時間小、建設(shè)快、容量大。和蜂窩網(wǎng)相比，它的多徑衰落小、覆蓋面積大。所以，它是很有發(fā)展前途的一種通信手段。在表1中較詳細(xì)地比較了它和蜂窩網(wǎng)及低軌道衛(wèi)星網(wǎng)的性能。

表1 平流層通信、蜂窩網(wǎng)和低軌道衛(wèi)星網(wǎng)的性能比較

平流層通信 蜂窩網(wǎng) 低軌道衛(wèi)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(shè)時間 有一個平臺和相應(yīng)的地面設(shè)施就可開始運行 需要建設(shè)大量基站 在整個系統(tǒng)建立后才能運行

系統(tǒng)發(fā)展 通過減小點波束尺寸和增加平臺數(shù)可以增大容量 將小區(qū)分小可以增大容量；設(shè)備容易升級和修理 系統(tǒng)擴容必須增加衛(wèi)星；硬件升級需更換衛(wèi)星

無線信道質(zhì)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(tǒng) 手機功率最小 由于路徑損耗大使手機功率大

室內(nèi)應(yīng)用 可以 可以 一般不行

II. 平流層通信系統(tǒng)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(jìn)系統(tǒng)的無人充氦飛艇。它通常很大，有100 m長，有效載荷可達(dá)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(jié)構(gòu)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(fēng)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(fēng)或壓力變化的影響，它必須抵消因之產(chǎn)生的漂移。此外，其高度還難于精確地進(jìn)行遙控。雖然飛機不易受風(fēng)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(lián)盟（ITU）已經(jīng)將47.2 – 47.5 GHz和47.9 – 48.2 GHz頻段分配給HAPS應(yīng)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(wù)功率 ? 10 kw ? 3 kw ? 20 kw

表3 ITU分配給HAPS通信的頻段

頻段 地區(qū) 鏈路方向 業(yè)務(wù) 共用業(yè)務(wù)

47.9 – 48.2 GHz

47.2 – 47.5 GHz 全球 上行和下行 固定業(yè)務(wù) 固定和移動業(yè)務(wù)

固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（上行）

臨近射電望遠(yuǎn)鏡頻段

31.0 – 31.3 GHz 12個亞洲國家 上行 固定業(yè)務(wù) 固定和移動業(yè)務(wù)

某些地區(qū)空間科學(xué)業(yè)務(wù)

臨近空間科學(xué)業(yè)務(wù)頻段（無源）

27.5 – 28.35 GHz 12個亞洲國家 下行 固定業(yè)務(wù) 固定和移動業(yè)務(wù)

固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（上行）

1885-1980 MHz

2010-2025 MHz

2110-2170 MHz 第1和3區(qū) 上行和下行 IMT-2000 固定和移動業(yè)務(wù)（特別是陸地IMT-2000和PCS）

1885-1980 MHz

2110-2160 MHz 第2區(qū)

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

與衛(wèi)星通信類似，HAPS可以作為單純轉(zhuǎn)發(fā)（透明）的轉(zhuǎn)發(fā)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(guān)。有一些研究［10-13］建議采用蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行寬帶通信（見圖1），以增大網(wǎng)絡(luò)容量。每個平臺都可以連接到地面網(wǎng)絡(luò)，平臺之間也可以有鏈路連接，以建立大范圍的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。平臺還可以設(shè)置在海洋上，為船舶通信提供服務(wù)。

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

下雨對平流層通信信號有吸收和散射作用，使通信質(zhì)量下降。頻率越高，雨產(chǎn)生的信號衰減越大。采用空間、時間或頻率分集技術(shù)可以減少因局部地區(qū)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(chǎn)生的干擾，改進(jìn)載波干擾比。此外，增加重復(fù)使用的信道的數(shù)目，使受下雨影響的相鄰?fù)诺佬^(qū)的數(shù)目減小，也可以減小這種干擾。

在平流層通信系統(tǒng)中有兩類干擾：來自HAPS網(wǎng)絡(luò)本身用戶的干擾，和來自應(yīng)用相同或相鄰頻段的地面或衛(wèi)星通信系統(tǒng)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(wèi)星地面站之間；平流層地面站和其他空間站（例如，衛(wèi)星）之間；HAPS和其他陸地站之間；以及HAPS和衛(wèi)星之間。干擾總是對用戶數(shù)目有影響，因此需要降低。若將許多小區(qū)聚束應(yīng)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(guān)。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(wèi)星系統(tǒng)的影響［18］。而平流層通信地面站對其他地面業(yè)務(wù)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(fā)射和接收）波束的多波束HAPS天線，以覆蓋達(dá)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(qū)的影響。

? 能使有效負(fù)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(qū)動的多波束喇叭（MBH）天線和電子掃描的數(shù)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(yōu)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(zhuǎn)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(shù)字信號處理技術(shù)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(jìn)行自動捕獲、跟蹤、準(zhǔn)確地波束指向和分離干擾等等。因為這種天線沒有機械驅(qū)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(yīng)用

平流層通信系統(tǒng)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(yīng)用，例如，奧運會、搶險救災(zāi)和軍事行動等。對于一些應(yīng)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(tǒng)能夠提供很寬頻帶的因特網(wǎng)接入（例如，下行10Mb/s，上行2Mb/s），滿足視頻會議、蜂窩網(wǎng)電話和其他視頻與音頻業(yè)務(wù)，以及接入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)等。

平流層通信系統(tǒng)的應(yīng)用可以設(shè)想有兩類。第一類將它用作為在廣大農(nóng)村地區(qū)通信設(shè)施的“備份”。第二類是將它作為覆蓋廣大農(nóng)村地區(qū)的主要通信網(wǎng)，這些地區(qū)沒有其他的通信網(wǎng)。

平流層平臺的靈活性使它不僅能用于載荷通信設(shè)備，還可以載荷遙感設(shè)備，進(jìn)行地球觀察、污染監(jiān)察、氣象觀測、地震實時監(jiān)測、交通監(jiān)控、偵察和監(jiān)視任務(wù)，以及為農(nóng)業(yè)服務(wù)等。

平流層平臺還可以用于導(dǎo)航和定位業(yè)務(wù)。高高度平臺能夠用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），增強GPS或伽利略（Galileo）系統(tǒng)的功能，并且它能夠提供通信和導(dǎo)航兩種業(yè)務(wù)，并能和地面通信網(wǎng)（例如，GSM或3G）集成在一起。

HAPS雖然具有覆蓋范圍大、傳播延遲小和能提供多種業(yè)務(wù)等優(yōu)點，但是尚存在一些妨礙其應(yīng)用的因素，包括天線、飛艇和無人飛機等，這些都需要進(jìn)一步研究。目前，美國、歐盟、日本等都在開展這方面的研究。有理由相信在幾年之后，第一個平流層通信平臺將開始上天。