平流层通信樊昌信

一种发展中的新移动通信方式平流层通信研发概况西安电子科技大学 樊昌信I.概述近十余年来，移动通信的发展非常迅速。移动通信要解决的根本问题是使人们在任何时间和任何地点都能进行各种通信问题，包括在运动中的通信问题。目前已有的移动通信手段，主要有两种。第 1 种移动通信手段是地面蜂窝 网，它是应用最广泛的一种移动通信手段。第 1代地面蜂窝网是模拟电话网，在 我国已经被淘汰。第 2 代地面蜂窝网是数字电话网，是我国目前正在广泛采用的 移动通信手段。第 3 代地面蜂窝网是宽带数字网，预计在我国明年将投入运营。 地面蜂窝网的缺点主要是不能或不适宜覆盖人烟稀少的高山、沙漠、海洋和南北 极等地方。第 2 种移动通信手段是低轨道卫星通信网。最有代表性的低轨道卫星 通信网是“铱”系统，它采用分布在 6 个轨道平面上的 66 颗低轨道卫星覆盖全 球，转发地面用户信号。其优点是可以保证在地面上任何地点的移动通信。缺点 主要是系统复杂、成本较高，并且由于卫星轨道高度有 780 千米，故需要地面用 户台的发射功率比蜂窝网用户台的发射功率大得多。此外，集群通信网，寻呼网，以及迅速发展中的无线局域网(WLAN)、无线 城域网(WMAN )和无线个人域网(WPAN)等，都是各有其特点的移动通信网。近来，又有一种新的移动通信手段出现。它就是平流层通信。平流层通信 是指用位于平流层的高空平台电台(HAPS High Altitude Platform stations)代 替卫星作为基站的通信，平台高度距地面在1722km。可以用充氦飞艇、气 球或太阳能动力飞机作为安置转发站的平台。若其高度在20km，则可以实现 地面覆盖半径约500 km的通信区。若在平流层安置250个充氦飞艇，可以实现 覆盖全球 90%以上的人口。在一个平流层平台的覆盖范围内，仍然可以采用蜂窝 网结构组织通信，如图 1 所示。图 1 平流层通信的蜂窝网结构平流层通信系统和卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时间小、建设快、容量大。 和蜂窝网相比，它的多径衰落小、覆盖面积大。所以，它是很有发展前途的一种 通信手段。在表 1 中较详细地比较了它和蜂窝网及低轨道卫星网的性能。表 1 平流层通信、蜂窝网和低轨道卫星网的性能比较平流层通信蜂窝网低轨道卫星传播延迟小小较大典型单个基站 覆盖半径200 km几至十几km大于1000 km典型蜂窝半径1-10 km微蜂窝0.1 - 1 km大于500 km建设时间有一个平台和相 应的地面设施就 可开始运行需要建设大量基站在整个系统建立 后才能运行系统发展通过减小点波束 尺寸和增加平台 数可以增大容量将小区分小可以 增大容量；设备容 易升级和修理系统扩容必须增 加卫星；硬件升级 需更换卫星无线信道质量近似于有莱斯快 衰落的自由空间 信道瑞利衰落限制了 通信距离和传输 速率近似于有莱斯快 衰落的自由空间 信道手机辐射对身体 的影响功率大小类似地 面系统手机功率最小由于路径损耗大 使手机功率大室内应用可以可以一般不行II. 平流层通信系统的类型和基本特性平流层平台可以分为 3 种。第一种是带推进系统的无人充氦飞艇。它通常很 大，有 100 m 长，有效载荷可达 800 kg 以上，用太阳能提供动力。飞艇可以是 半刚性的或非刚性的3，其基本结构材料是有弹性的、防氦泄漏的层压塑料。在 飞艇表面上覆盖有重量轻(v 400 g/m2)的太阳能电池。第二种是无人飞机4-7。 它也是一种高高度持久(HALE- High Altitude Long Endurance)平台。这是一个 太阳能飞机，它比飞艇小，不能携带很重的有效载荷，功率也有限，特别是在夜 间。另一种无人飞机是用燃料的，称为无人飞行器(UAV - Unmanned Aerial Vehicle)，它通常飞行在中等高度，用于短时间军事侦察。第三种是有人飞机。 它是普通的燃油飞机，有效载荷约有 1 吨8-9。这 3 种平台的性能比较列于表 2 中。通常建议平台的高度在17至22 km之间，其主要原因有二：第一，这个高 度位于航空航线之上；第二，此处的平均风速低，而在更高处的大气密度极低， 致使平台难于定位(见图 2)。飞艇较易受风或压力变化的影响，它必须抵消因 之产生的漂移。此外，其高度还难于精确地进行遥控。虽然飞机不易受风的影响， 但是它不能在空中停留不动，它只好沿一个小圆圈飞行。国际电信联盟(ITU)已经将47.2 - 47.5 GHz和47.9 - 48.2 GHz频段分配 给 HAPS 应用。在亚洲，由于受雨衰减的影响，可以用 28/31 GHz 频段代替 47/48GHZ频段。HAPS还可以使用3G的一些频段。在表3中给出了 HAPS可以使用的频段。表 2 各种平台的性能比较飞艇（无人）太阳能无人飞机有人飞机尺寸长 150-200 m翼展35-70 m长沁30 m总重量沁30吨沁1吨沁2.5吨能源太阳能电池 （+燃料电池）太阳能电池 （+燃料电池）石油留空时间沁5年不定（约6个月）沁8小时定位范围（半径）1 km3 km 10 km有效载荷1000-2000 kg50-300kg沁 1000kg任务功率10 kw3 kw20 kw表 3 ITU 分配给 HAPS 通信的频段频段地区链路方向业务共用业务47.9 48.2 GHz47.2 47.5 GHz全球上行和下行固定业务固定和移动业务 固定卫星业务（上 行）临近射电望远镜 频段31.0 31.3 GHz12个亚洲国家上行固定业务固定和移动业务 某些地区空间科 学业务临近空间科学业 务频段（无源）27.5 - 28.35GHz12个亚洲国家下行固定业务固定和移动业务 固定卫星业务（上 行）1885-1980 MHz2010-2025 MHz2110-2170 MHz第1和3区上行和下行IMT-2000固定和移动业务 （特别是陆地IMT-2000 和 PCS）1885-1980 MHz2110-2160 MHz第2区（北美和南美）上行和下行IMT-2000固定和移动业务 （特别是陆地IMT-2000 和 PCS）与卫星通信类似，HAPS可以作为单纯转发（透明）的转发站用，也可以具 有某些处理功能，这和HAPS上可用功率的大小有关。有一些研究a/1建议采用 蜂窝结构进行宽带通信（见图 1），以增大网络容量。每个平台都可以连接到地 面网络，平台之间也可以有链路连接，以建立大范围的统一网络。平台还可以设 置在海洋上，为船舶通信提供服务。HAPS 的一个很大的优点就是它能够移动，以覆盖有临时业务需求的地区 14-15。 HAPS 可以马上用于目前没有地面无线电通信系统、光纤和电缆等其他通 信系统的地方。在其技术成熟后，不久将能得到广泛的应用。下雨对平流层通信信号有吸收和散射作用，使通信质量下降。频率越高，雨产生的信号衰减越大。采用空间、时间或频 率分集技术可以减少因局部地区下雨造成 的通信中断。采用窄波束宽度的天线可以降 低由于雨散射产生的干扰，改进载波干扰 比。此外，增加重复使用的信道的数目，使 受下雨影响的相邻同信道小区的数目减小， 也可以减小这种干扰。在平流层通信系统中有两类干扰：来自 HAPS 网络本身用户的干扰，和来自应用相 同或相邻频段的地面或卫星通信系统的干 扰。后者又可以分为 4 种干扰途径：平流层 地面站和其他陆地或卫星地面站之间；平流 层地面站和其他空间站（例如，卫星）之间；HAPS 和其他陆地站之间；以及 HAPS 和卫星之间。干扰总是对用户数目有影响， 因此需要降低。若将许多小区聚束应用，则来自同信道用户的干扰可以减轻16-17。 载波干扰比还和天线的方向图有关。用波束成形的方法改善 HAPS 天线的辐射方 向图，可以降低 HAPS 天线对静止卫星系统的影响18。而平流层通信地面站对 其他地面业务的干扰，可以用增大天线方向图最小仰角的方法减小。对于宽带平流层通信天线的性能要求，可以归纳为如下 5 点19：使用高的无线电频率，以确保足够的带宽。使用高增益方向性天线，以克服高频率上的衰减。 使用能容纳 100 个以上（发射和接收）波束的多波束 HAPS 天线，以覆 盖达120 以上的视角，以得到高增益和高的频率利用率。 用波束控制的方法抵消 HAPS 的高度和位置变化对覆盖区的影响。 能使有效负荷的重量、体积和功耗降低。有两种多波束天线满足上述要求：机械驱动的多波束喇叭（MBH）天线和电子 扫描的数字波束形成（DBF）天线。MBH天线虽然具有带宽宽、研制费用低等优 点，但是它不太适合用于大型多波束天线，因为这时它的尺寸太大，使得万向支 架难于转动。一般说来，这种天线不如DBF天线灵活。DBF 天线的波束由一个天线阵和空间数字信号处理技术形成。它是一种智 能的下一代天线，称为“智能天线”或“软件天线”，能将接收的地面用户站信 号作空间并行处理，形成天线方向图，进行自动捕获、跟踪、准确地波束指向和 分离干扰等等。因为这种天线没有机械驱动元件，所以适合多阵元的大型多波束 形成。平流层平台的应用平流层通信系统的一个重要特点是它可以迅速部署。因此，它适合一些临 时性应用，例如，奥运会、抢险救灾和军事行动等。对于一些应急需求，无人飞 机作为平台更为有利，因为它的反映迅速。平流层通信系统能够提供很宽频带的因特网接入（例如，下行10Mb/s,上 行2Mb/s）,满足视频会议、蜂窝网电话和其他视频与音频业务，以及接入数字 网络等。平流层通信系统的应用可以设想有两类。第一类将它用作为在广大农村地 区通信设施的“备份”。第二类是将它作为覆盖广大农村地区的主要通信网，这 些地区没有其他的通信网。平流层平台的灵活性使它不仅能用于载荷通信设备，还可以载荷遥感设备， 进行地球观察、污染监察、气象观测、地震实时监测、交通监控、侦察和监视任 务，以及为农业服务等。平流层平台还可以用于导航和定位业务。高高度平台能够用于全球导航卫 星系统(GNSS)，增强GPS或伽利略(Galileo)系统的功能，并且它能够提供通信 和导航两种业务，并能和地面通信网(例如，GSM或3G)集成在一起。HAPS 虽然具有覆盖范围大、传播延迟小和能提供多种业务等优点，但是尚 存在一些妨碍其应用的因素，包括天线、飞艇和无人飞机等，这些都需要进一步 研究。目前，美国、欧盟、日本等都在开展这方面的研究。有理由相信在几年之 后，第一个平流层通信平台将开始上天。参考文献1 HAPS High Altitude Platform Stations,http:/www.bakom.ch/imperia/md/content/english/funk/forschungundentwicklung /studien/HAPS.pdf2 J. Thornton et al.: “Broadband Communications from a High-altitude Platform: the European HeliNet Programme,” Electronics & Communication Engineering Journal, June 2001, 138 144.3 www.estec.esa.nl/halewww/www/hale.htm (European Space Agency)4 www.helinet.polito.it (HeliNet project)5 (AeroViroment)6 (Skytower Telecommunications)7 (Aeronautical Systems Predator)8 N. J. Colella, J. N. Martin and I. F. Akyildiz, “The HALO Network,” IEEE Communications Magazine, June 2000, pp. 142 148.9 (Angel Technologies Corporation)10 T. C. Tozer and D. Grace, “High-altitude platforms for wireless communications,” Electronics & Communication Engineering Journal, June 2001.11 D. Grace, J. Thornton, T. Konefal, C. Spillard, T. C. Tozer, “Broadband Communications from High Altitude Platforms The HeliNet Solution,” Wireless Personal Mobile Conference, Aalborg, Denmark, September 2001.12 D. Grace, T. C. Tozer, N. E. Daly, “Communications from High Altitude Platforms A European perspective, ” 2 nd Stratospheric Platforms System Workshop, Tokyo, Japan, September, 2000.13 T. C. Tozer and D. Grace, “Broadband Service Delivery from High Altitude Platforms,” Communicate 2000 Online Conference, October 2000.14 D. Grace, N. E. Daly, T. C. Tozer, A. G . Burr and D. A. J. Pearce, “Providing multimedia communications services from high altitude platforms,” International Journal of Satellite Communications 2001.15 D. Grace, N. E. Daly, T. C. Tozer, D. A. J. Pearce, A. G. Burr, “Communications Performance of High Altitude Platform Networks operating in the mm-Wave Bands, ” 3rd International Airship Convention and Exhibition, 2000.16 J. Thornton, D Grace, C. Spillard, T. Konefal and T. C. Tozer, “Broadband Communications from a high-altitude platform: the European HeliNet programme,” Electronics & Communication Engineering Journal, June 2001.17 J. Thornton, D. Grace, M. H. Capstick, and T. C. Tozer, “Optimizing an Array of Antennas for Cellular Coverage from High Altitude Platform, ” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 2, no. 3, May 2003.18 M. Oodo, R. Miura, T. Hori, T. Morisaki, K. Kashiki and M. Suzuki, “Sharing and Compatibility Study between Fixed Service Using High Altitude Platform Stations (HAPS) and Other Services in the 31/28 GHz Bands,” Wireless Personal Communications, 23, Oct. 2002, pp. 30-14.19 R. Miura and M. Suzuki, “Preliminary Flight Test Program on Telecom and Broadcasting Using High Altitude Platform Stations,” Wireless Personal Communications, 24, Jan. 2003, pp. 341-361.作者简介樊昌信，男，1931 年9 月生于北京市，1952 年7 月毕业于北京大学工学院 电机系，现任西安电子科技大学教授、博士生导师、学位评定委员会委员、中国 通信学会理事和学术工作委员会委员、中国电子学会学术工作委员会委员、信息 产业部无线电频率规划专家咨询委员会委员、通信学报编委、电信科学编 委等。他是中国电子学会会士、中国通信学会会士、IEE会士( Fellow)及IEEE 会士( Fellow)。自1993年起，他被入选美国马奎斯世界名人录。他发表了 学术论文百余篇、译著十余种，有多项科研成果获得省、部级科技进步一、二等 和三等奖，以及全国科学大会奖。(2005-7-22)