一種發(fā)展中的新移動(dòng)通信方式— 平流層通信研發(fā)概況
I.概述
近十余年來,移動(dòng)通信的發(fā)展非常迅速。移動(dòng)通信要解決的根本問題是使人們?cè)谌魏螘r(shí)間和任何地點(diǎn)都能進(jìn)行各種通信問題,包括在運(yùn)動(dòng)中的通信問題。
目前已有的移動(dòng)通信手段,主要有兩種。第1種移動(dòng)通信手段是地面蜂窩網(wǎng),它是應(yīng)用最廣泛的一種移動(dòng)通信手段。第1代地面蜂窩網(wǎng)是模擬電話網(wǎng),在我國(guó)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(guó)目前正在廣泛采用的移動(dòng)通信手段。第3代地面蜂窩網(wǎng)是寬帶數(shù)字網(wǎng),預(yù)計(jì)在我國(guó)明年將投入運(yùn)營(yíng)。地面蜂窩網(wǎng)的缺點(diǎn)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(dòng)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(gè)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(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是可以保證在地面上任何地點(diǎn)的移動(dòng)通信。缺點(diǎn)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(tái)的發(fā)射功率比蜂窩網(wǎng)用戶臺(tái)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(gè)人域網(wǎng)(WPAN)等,都是各有其特點(diǎn)的移動(dòng)通信網(wǎng)。
近來,又有一種新的移動(dòng)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(tái)電臺(tái)(HAPS - High Altitude Platform stations)代替衛(wèi)星作為基站的通信[1],平臺(tái)高度距地面在17~22km??梢杂贸浜わw艇、氣球或太陽(yáng)能動(dòng)力飛機(jī)[2]作為安置轉(zhuǎn)發(fā)站的平臺(tái)。若其高度在20km,則可以實(shí)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(gè)充氦飛艇,可以實(shí)現(xiàn)覆蓋全球90%以上的人口。在一個(gè)平流層平臺(tái)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(fèi)用低廉、延遲時(shí)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(gè)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(shí)間 有一個(gè)平臺(tái)和相應(yīng)的地面設(shè)施就可開始運(yùn)行 需要建設(shè)大量基站 在整個(gè)系統(tǒng)建立后才能運(yùn)行
系統(tǒng)發(fā)展 通過減小點(diǎn)波束尺寸和增加平臺(tái)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(jí)和修理 系統(tǒng)擴(kuò)容必須增加衛(wèi)星;硬件升級(jí)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(jī)輻射對(duì)身體的影響 功率大小類似地面系統(tǒng) 手機(jī)功率最小 由于路徑損耗大使手機(jī)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(tái)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(zhǎng),有效載荷可達(dá)800 kg以上,用太陽(yáng)能提供動(dòng)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(yáng)能電池。第二種是無人飛機(jī)[4-7]。它也是一種高高度持久(HALE – High Altitude Long Endurance)平臺(tái)。這是一個(gè)太陽(yáng)能飛機(jī),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(jī)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(shí)間軍事偵察。第三種是有人飛機(jī)。它是普通的燃油飛機(jī),有效載荷約有1噸[8-9]。這3種平臺(tái)的性能比較列于表2中。
通常建議平臺(tái)的高度在17至22 km之間,其主要原因有二:第一,這個(gè)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(tái)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(jī)不易受風(fēng)的影響,但是它不能在空中停留不動(dòng),它只好沿一個(gè)小圓圈飛行。
國(guó)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(tái)的性能比較
飛艇(無人) 太陽(yáng)能無人飛機(jī) 有人飛機(jī)
尺寸 長(zhǎng)150-200 m 翼展35-70 m 長(zhǎng) ? 30 m
總重量 ? 30噸 ? 1噸 ? 2.5噸
能源 太陽(yáng)能電池
(+燃料電池) 太陽(yáng)能電池
(+燃料電池) 石油
留空時(shí)間 ? 5年 不定(約6個(gè)月) ? 8小時(shí)
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(dòng)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(gè)亞洲國(guó)家 上行 固定業(yè)務(wù) 固定和移動(dòng)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(gè)亞洲國(guó)家 下行 固定業(yè)務(wù) 固定和移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)平臺(tái)都可以連接到地面網(wǎng)絡(luò),平臺(tái)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(tái)還可以設(shè)置在海洋上,為船舶通信提供服務(wù)。
HAPS的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是它能夠移動(dòng),以覆蓋有臨時(shí)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(duì)平流層通信信號(hào)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(hào)衰減越大。采用空間、時(shí)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(duì)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(duì)靜止衛(wèi)星系統(tǒng)的影響[18]。而平流層通信地面站對(duì)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(duì)于寬帶平流層通信天線的性能要求,可以歸納為如下5點(diǎn)[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(gè)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(duì)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(jī)械驅(qū)動(dòng)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(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),但是它不太適合用于大型多波束天線,因?yàn)檫@時(shí)它的尺寸太大,使得萬(wàn)向支架難于轉(zhuǎn)動(dòng)。一般說來,這種天線不如DBF天線靈活。
DBF天線的波束由一個(gè)天線陣和空間數(shù)字信號(hào)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(hào)作空間并行處理,形成天線方向圖,進(jìn)行自動(dòng)捕獲、跟蹤、準(zhǔn)確地波束指向和分離干擾等等。因?yàn)檫@種天線沒有機(jī)械驅(qū)動(dòng)元件,所以適合多陣元的大型多波束形成。
平流層平臺(tái)的應(yīng)用
平流層通信系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)是它可以迅速部署。因此,它適合一些臨時(shí)性應(yīng)用,例如,奧運(yùn)會(huì)、搶險(xiǎn)救災(zāi)和軍事行動(dòng)等。對(duì)于一些應(yīng)急需求,無人飛機(jī)作為平臺(tái)更為有利,因?yàn)樗姆从逞杆佟?/p>
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(huì)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(tái)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(cè)、地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、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(tái)還可以用于導(dǎo)航和定位業(yè)務(wù)。高高度平臺(tái)能夠用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS),增強(qiáng)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(diǎn),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(jī)等,這些都需要進(jìn)一步研究。目前,美國(guó)、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(gè)平流層通信平臺(tái)將開始上天。
評(píng)論
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