管明祥 郭 慶 顧學邁

（1.深圳信息職業(yè)技術學院電子通信技術系，廣東 深圳518029；2.哈爾濱工業(yè)大學電子與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱150001）

引 言

近20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行各種通信問題，包括在運動中的通信問題。近來，又有一種新的移動通信手段出現，它就是高空平臺站（HAPS，high altitude platform stations）通信［1－3］。一般來說，HAPS通信網絡是指在近地空間的高度約20～100km，由長駐空間5～10年，準靜止、可裝載一定規(guī)模有效載荷的高空平臺（HAP，high altitude platform）所構成的網絡，在近地空間范圍內使用穩(wěn)定的通信平臺作為微波中繼站，與地面控制設備、入口設備以及多種無線用戶構成的通信系統，高空平臺既可以與衛(wèi)星地面綜合組網，也可以單獨與地面組網（圖1）。其中通信平臺與地球自轉保持同步，可長期駐留空中。由于高空平臺通信系統具有費用低、部署快速、地面設備少、使用靈活、回收方便等特點，在戰(zhàn)場上空可迅速建立起空中信息收集和交換通道，將戰(zhàn)地信息迅速、準確地傳輸到作戰(zhàn)指揮中心，從而達到實時指揮作戰(zhàn)的目的。在一個高空平臺覆蓋范圍內，仍然可以采用蜂窩網結構組織通信［4－6］。

圖1 高空平臺通信網絡結構

作為一種新穎通信信息平臺系統，HAPS通信系統以其與地面蜂窩網和衛(wèi)星通信網相比，在系統造價、系統容量、覆蓋面積、建設速度、信號衰落等方面的優(yōu)勢，近年來得到了越來越多的關注。高空平臺通過使用多波束天線對覆蓋區(qū)域進行分區(qū)覆蓋，實現了CDMA和SDMA混合多址接入技術，使得寬帶通信網系統容量和頻譜利用率的大幅度提高成為可能。無疑天線技術、小區(qū)劃分方案、覆蓋方案、鏈路特性等都是高空平臺通信系統的關鍵技術，因而對于無線通信系統的鏈路設計來說研究以上關鍵技術具有非常重要的意義［7－10］。其中上海交通大學的程月波等人提出了一種基于天線分集的天線收發(fā)模型，以改善HAPS通信數據鏈路性能［11］。清華大學吳佑壽院士，牛志升教授等人在高空平臺通信多徑信道模型建立等方面的研究［12］。目前，我們國家對HAPS通信的研究正處于論證與實驗階段。加強并推進高空平臺通信的建設對于我國的科技創(chuàng)新、國防和國民經濟建設有著十分重要的戰(zhàn)略意義。由于目前的相關文獻大多為技術綜合分析，對HAPS通信的技術深入研究與實現涉及不多，或者孤立的分析HAPS通信的信道、天線設計等。因此，通過研究HAPS通信的基本特性，將覆蓋特性、鏈路特性與小區(qū)劃分方案結合起來考慮，提出一種適合HAPS通信場景的小區(qū)劃分覆蓋方案，為HAPS的工程實現提供重要參考。

1 平臺覆蓋特性研究

在高空平臺高度確定后，高空平臺的覆蓋面積與最小通信仰角的大小成近似反比的關系。最小通信仰角越大，覆蓋面積越小。根據幾何關系，式（1）給出了直視情況下平臺覆蓋圓形區(qū)域直徑表達式

式中：d表示覆蓋區(qū)域的直徑；R為地球半徑；α為仰角。以平臺高度22km為例，表1給出了覆蓋面積與最小通信仰角以及最遠通信距離的關系。

表1 最小通信仰角、覆蓋面積與最遠通信距離

由表1中數據可知，一個位于22km高空的HAP，最大可以覆蓋直徑為1 056km的圓形區(qū)域?？紤]地形的遮擋，最小通信仰角應在5°左右才能保證通信質量，則單個HAP可覆蓋直徑為420km的圓形區(qū)域。如要覆蓋更大的范圍，需要多個HAP組成網絡系統。例如，要無縫覆蓋直徑為600km的圓形范圍，需要4個可覆蓋直徑430km圓型區(qū)域的HAP組網（圖2）。

圖2 4個HAP組網覆蓋示意圖

2 多波束地面小區(qū)劃分研究

引言中指出，HAPS仍以蜂窩覆蓋方式通信。本節(jié)中主要討論小區(qū)劃分的方式，分析小區(qū)劃分方式的相應技術實現難點。目前有2種小區(qū)的分劃方法，第1種方法借鑒地面蜂窩系統的劃分方法，將覆蓋區(qū)域分成數個大小相等的等邊六邊形，通過調整天線波束的形狀對每個蜂窩進行覆蓋（圖3，4）。這種分劃的優(yōu)點是每個小區(qū)的大小相等，便于管理，不足是天線波束成型較難，容易形成波束間干擾。

第2種方法是固定天線波束大小，以橢圓環(huán)形的形式覆蓋（圖5）。這種分劃要求的天線簡單，但外圈的單波束覆蓋范圍比內圈大很多，覆蓋范圍過大可能導致信道容量不足。

環(huán)形小區(qū)方案相比蜂窩小區(qū)方案存在信噪比分布不均勻和覆蓋面積相差懸殊的不足。但蜂窩小區(qū)同樣存在問題，要使天線波束按照蜂窩小區(qū)的劃分進行覆蓋，要求天線波束成橢圓形，仰角越小時，曲率越大，這對天線的制造技術要求很高，極大地提高了成本。因此，考慮到前兩種方法的局限性及HAPS通信特性，提出一種改進的小區(qū)劃分方法，采用改進的環(huán)形小區(qū)方案，增大內圈波束寬度，減小外圈波束寬度，盡量縮小內外小區(qū)鏈路信噪比的差值。如采用5環(huán)覆蓋方案，天線半波束寬由內到外分別為15°、15°、15°、0°、10°，其小區(qū)分劃如圖6所示。波束大小的選擇需要根據容量，天線數目，波束成型難度等參數進行優(yōu)化。

圖6 五環(huán)小區(qū)分劃方案

3 鏈路特性研究

與FDMA、TDMA相比，CDMA有一個明顯的優(yōu)勢—高系統容量。CDMA是干擾受限系統，而且是自干擾系統。為提高系統容量，功率控制已成為CDMA系統中最重要的課題之一，許多研究者對陸地CDMA系統的功率控制進行了研究。功率控制同樣對高空平臺通信系統是至關重要的。與陸地CDMA系統相比較，高空平臺通信系統功率控制有著不同的特點。陸地CDMA系統的功率控制主要解決“遠近效應”和對抗指數正態(tài)分布的掩蔽效應和瑞利衰落［13］，其中“遠近效應”造成的影響特別嚴重。高空平臺通信系統卻基本上不存在“遠近效應”。這是因為每一個點波束覆蓋的小區(qū)內的所有用戶到空中平臺的距離基本上是相等的，因而，傳播損耗也基本一致（低仰角通信時，同一波束內近平臺一端與遠離平臺一端的不同用戶的傳播損耗還是有較大差別的）。高空平臺通信網絡中，點波束覆蓋區(qū)域內的輻射場強是不一致的，表現為小區(qū)中心場強大，邊緣場強則小得多。另外，空中平臺與移動臺之間通常存在直視（LOS）關系，所以多徑效應造成的衰落多是萊斯衰落而非瑞利衰落。高空平臺通信系統CDMA功率控制要解決的問題主要是波束增益的不均勻性和萊斯衰落?？紤]不均勻波束增益函數和萊斯信道衰落共同作用的情況。為精確起見，作為一個影響不明顯的因素（傳播損耗）也把它考慮在內。這是考慮到在低仰角通信時，同一波束內近平臺一端與遠離平臺一端的不同用戶的傳播損耗還是有較大差別的。

假設共有 N 個波束：｛B1，B2，…，BN｝，每一個波束中的移動用戶數為Mi（i為波束編號）。取波束p內的第q個移動用戶（以下簡稱移動用戶 ［p，q］）分析上行鏈路的性能。為了分析方便，不妨假設移動用戶到高空平臺的傳播沒有延時，則點波束p接收到的信號為式（2）所示。式（2）中第一項是來自移動用戶［p，q］的有用信號，第二項和第三項分別是來自波束p內和波束p外的干擾信號總和，第四項是譜密度為N0的高斯白噪聲。

假設通過理想的功率控制，消除了傳播損耗、掩蔽效應、萊斯衰落和同一小區(qū)內的波束輻射場強不均勻造成的影響，同一小區(qū)內的所有移動用戶被該波束接收到的功率等于一個常數。對系統中其他的小區(qū)，這個功率是相等的。進一步，忽略高斯白噪聲的影響，由式（2）得到

為了評估誤碼率性能，需要考慮移動用戶的信號能量。移動用戶［i，j］的比特能量為

則接收信號能量為

只要確定點波束的指向和地平面的交點、各移動用戶位置及其波束歸屬關系，根據式（5）就可以計算出波束p的接收功率。

當不采用功率控制時，假定對任意一個移動用戶 ［i，j］，E（｜αi，j｜2）＝1，則由式（2）和（4）可以得到波束p在時間（n－1）Tb≤t≤nTb內接收到的平均功率。

式中，圖7、圖8中的覆蓋比（覆蓋率）是指在無線覆蓋區(qū)邊緣（或區(qū)內）終端與基站通信質量達到規(guī)定要求的概率。圖7說明了沒有控制條件下，給出了系統Eb／N0與覆蓋之間的關系，給定的信道誤碼率滿足10－5，當Eb／N0小于12dB時，系統覆蓋性能嚴重依賴信道質量Eb／N0，當Eb／N0大于12dB時，系統性能基本上不依賴信道質量Eb／N0.圖8考慮在功率控制下，系統Eb／N0與覆蓋面積的關系，從圖中可以明顯看出，系統所需要的Eb／N0減少了約7dB，即當Eb／N0小于5dB時，系統覆蓋性能依賴信道質量Eb／N0，當Eb／N0大于5dB時，系統性能基本上不依賴信道質量Eb／N0.當覆蓋小于76km時，系統性能受信道質量Eb／N0的影響很小，這也說明了在仰角小于30°時，系統覆蓋性能還需要通過天線等技術等來補償衰落。

對小區(qū)劃分方案的系統性能進行研究，比較不同小區(qū)劃分方式的特點。假定采用2GHz頻段作為載波頻段，盡量減少雨衰。濾波器為理想濾波器，

表2 系統參數

噪聲帶寬與信號帶寬相同。系統參數設定如表2.

對于平臺天線，假設采用圓形孔徑天線，其天線增益表達式為

式中：η為天線效率；D為天線直徑；λ為輻射波長。而對于場在孔徑上呈拋物線分布時，半功率點束寬為

則，可得天線增益與半功率點束寬的關系

晴空下，鏈路的載噪比可由下式求得

式中：EIRP為載波功率；L為天線跟蹤損耗和大氣衰減之和；I為自由空間損耗；G為天線增益；T為系統等效噪聲溫度；k為波爾茲曼常數；B為噪聲帶寬。EIRP可由下式求得，即

式中：P為天線饋源載波功率；G為發(fā)射天線增益。載噪比的表達式可寫成dB的形式，即

設HAP發(fā)射功率為2W，天線跟蹤損耗與大氣衰減L＝1dB.結合上面的數據可以得到蜂窩方式和環(huán)形方式小區(qū)劃分的上行鏈路載噪比（表3至表6）。

由表3至表6中數據可以看出，兩種小區(qū)劃分方案的上行鏈路載噪比特性存在較大差異。蜂窩小區(qū)方案的覆蓋地區(qū)中心點和邊緣的載噪比相差不大，約為3dB，加上小區(qū)大小相等，適用于業(yè)務量分布較平均的應用。而橢圓環(huán)形小區(qū)方案的覆蓋地區(qū)中心點和邊緣載噪比相差較大，約為16dB，且環(huán)形小區(qū)方案的小區(qū)分布也是中心密集，外環(huán)則每個小區(qū)覆蓋面積較大，適用于中心業(yè)務量大，外圈業(yè)務量小的地區(qū)，如中心城市外部鄉(xiāng)村的應用。

表3 蜂窩方式3km小區(qū)中心上行鏈路載噪比

表4 蜂窩方式3km小區(qū)邊緣上行鏈路載噪比

表5 橢圓環(huán)形方式中心上行鏈路載噪比

表6 橢圓環(huán)形方式邊緣上行鏈路載噪比

考慮小區(qū)半徑對鏈路載噪比的影響。為對比3 km半徑的蜂窩小區(qū)系統，計算半徑為2km的蜂窩小區(qū)系統載噪比。因小區(qū)半徑變小，覆蓋同樣面積的區(qū)域，小區(qū)數目必然增大，而HAP平臺可提供的功率有限，所以HAP天線波束的發(fā)射功率應相應的減小，設天線發(fā)射功率為1W.結果如表7，8所示。對比表3，4與表7，8的數據可以看出，隨著小區(qū)半徑變小，上行鏈路載噪比提高。

表7 蜂窩方式2km小區(qū)中心上行鏈路載噪比

表8 蜂窩方式2km小區(qū)邊緣上行鏈路載噪比

對于本文建議采用改進的環(huán)形小區(qū)方案，當增大內圈波束寬度時，表5、6中得到的中心和邊緣載噪比等數據也會發(fā)生變化。我們給出波束寬度增大時的對比結果。通過采用中心半波束寬為40°的寬波束覆蓋，因為通信距離短、仰角高、信道較好可以滿足通信需要，邊緣地區(qū)采用半波束寬為5°的波束，盡量提高天線增益彌補通信距離長和低仰角的影響。該鏈路的特性見表9和表1 0.其中當同一通信距離存在不同大小天線波束時，以增益較小的大波束為標準進行計算。由表中數據可知，在中心地區(qū)，鏈路的誤碼率特性完全滿足通信需要。在邊緣地區(qū)，由于自由空間損耗增大很多，即使采用半波束寬為5°的天線波束覆蓋，同時增大用戶終端的功率到1W，其上行鏈路余量較小，對于過低仰角的通信來說有些不足。此時，進一步加大天線尺寸和用戶終端的功率已經比較困難，用戶終端采用弱定向天線（波瓣較大，提供增益較小，但對定向要求較低的天線）是較好的解決方案。

表9 改進小區(qū)劃分方案中心鏈路載噪比

表10 改進小區(qū)劃分方案小區(qū)邊緣鏈路載噪比

由本節(jié)分析可以得出，環(huán)形小區(qū)方案相比蜂窩小區(qū)方案存在信噪比分布不均勻和覆蓋面積相差懸殊的不足。但蜂窩小區(qū)同樣存在問題，要使天線波束按照蜂窩小區(qū)的劃分進行覆蓋，要求天線波束成橢圓形，仰角越小時，曲率越大，這對天線的制造技術要求很高，極大地提高了成本。因此，考慮采用改進的環(huán)形小區(qū)方案，增大內圈波束寬度，減小外圈波束寬度，盡量縮小內外小區(qū)鏈路信噪比的差值，同時增大了內圈小區(qū)的面積，縮小外圈小區(qū)的面積。在設計覆蓋方案時，還要考慮通過合理分配波束，減少小區(qū)的數目，便于HAPS通信的工程實現。

4 結 論

隨著無線移動通信的進一步發(fā)展，HAPS通信作為其中一個分支，受到越來越多的關注。重點分析了HAPS通信覆蓋、多波束小區(qū)劃分、鏈路特性及功率控制的作用等關鍵問題。通過實際分析、計算與仿真，提出了一種適合HAPS通信場景下的多波束小區(qū)劃分方式。并進一步比較了該方式的鏈路特性，分析了覆蓋、鏈路特性及功率控制的關系，為HAPS通信的工程實現提供了參考。

［1］GRACE D，CAPSTICK M H，MOHORCIC M，et al.Integrating users into the wider broadband network via high altitude platforms［J］.IEEE Wireless Communications，2005，12（5）：98－105.

［2］LIU Yiming，GRACE D，MITCHELL P D.Exploiting platform diversity for GoS improvement for users with different High Altitude Platform availability［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8（1）：196－203.

［3］BAYHAN S，GIIR G.，ALAGOZ F.High altitude platform（HAP）driven smart radios：A novel concept［C］／／International Workshop on Satellite and Space Communications，2007，9：201－205.

［4］WIDIAWAN A K，TAFAZOLLI R.Analytical investigation on sharing band overlaid high altitude platform station terrestrial CDMA system［J］.IEEE Electronics Letters，2005，41（2）：77－79.

［5］HUANG Jengji，WANG Weiting.Interference reduction for terrestrial cellular CDMA systems via high altitude platform station［C］／／IEEE 65th Vehicular Technology Conference，Dublin，2007，4：1350－1354.

［6］TAHA－AHMED B，CALVO－RAMON M.High altitude platforms（HAPs）W－CDMA system over cities［C］／／IEEE 61st Vehicular Technology Conference，Atlanta，2005，5：2673－2677.

［7］ANASTASOPOULOS M P，COTTIS P G.High altitude platform networks：A feedback suppression algorithm for reliable multicast／broadcast services［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8（4）：1639－1643.

［8］PANAGOPOULOS A D，GEORGIADOU E M，KANELLOPOULOS J D.Selection combining site diversity performance in high altitude platform networks［J］.IEEE Communications Letters，2007，11（10）：787－789.

［9］HOLIS J，PECHAC P.Elevation dependent shadowing model for mobile communications via gigh altitude platforms in built－up areas［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56（4）：1078－1084.

［10］MIURA R，SUZUKI M.Preliminary flight test program on telecom and broadcasting using high altitude platform stations［J］.IEEE Wireless Personal Communications Journal，2003，24（2）：341－361.

［11］程月波，金榮洪，耿軍平，等.平流層通信系統的收發(fā)鏈路性能研究［J］.電波科學學報，2005，20（5）：666－670.CHENG Yuebo，JIN Ronghong，GENG Junping，et al.Linkage performances for communication systems for HAPS［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，20（5）：666－670.（in Chinese）

［12］牛志升，劉 嵩，吳佑壽.基于多建筑阻擋概率的平流層多徑信道模型［J］.電子學報，2004，32（12）：132－135.NIU Zhisheng，LIU Song，WU Youshou.A blockage based channel model for high altitude platform communications［J］.Chinese of Journal Electronics，2004，32（12）：132－135.（in Chinese）

［13］HORAK P，PECHAC P.A study on the possibilities of providing signal coverage for wireless systems from high altitude platforms［C］／／The 3rd European Conference on Antennas and Propagation，2009：1395－1398.