HAPS通信覆蓋及鏈路特性分析

管明祥 郭 慶 顧學(xué)邁

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子通信技術(shù)系，廣東 深圳518029；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

引 言

近20余年來(lái)，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(wèn)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(wèn)題，包括在運(yùn)動(dòng)中的通信問(wèn)題。近來(lái)，又有一種新的移動(dòng)通信手段出現(xiàn)，它就是高空平臺(tái)站（HAPS，high altitude platform stations）通信［1－3］。一般來(lái)說(shuō)，HAPS通信網(wǎng)絡(luò)是指在近地空間的高度約20～100km，由長(zhǎng)駐空間5～10年，準(zhǔn)靜止、可裝載一定規(guī)模有效載荷的高空平臺(tái)（HAP，high altitude platform）所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，在近地空間范圍內(nèi)使用穩(wěn)定的通信平臺(tái)作為微波中繼站，與地面控制設(shè)備、入口設(shè)備以及多種無(wú)線用戶構(gòu)成的通信系統(tǒng)，高空平臺(tái)既可以與衛(wèi)星地面綜合組網(wǎng)，也可以單獨(dú)與地面組網(wǎng)（圖1）。其中通信平臺(tái)與地球自轉(zhuǎn)保持同步，可長(zhǎng)期駐留空中。由于高空平臺(tái)通信系統(tǒng)具有費(fèi)用低、部署快速、地面設(shè)備少、使用靈活、回收方便等特點(diǎn)，在戰(zhàn)場(chǎng)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(zhǔn)確地傳輸?shù)阶鲬?zhàn)指揮中心，從而達(dá)到實(shí)時(shí)指揮作戰(zhàn)的目的。在一個(gè)高空平臺(tái)覆蓋范圍內(nèi)，仍然可以采用蜂窩網(wǎng)結(jié)構(gòu)組織通信［4－6］。

圖1 高空平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

作為一種新穎通信信息平臺(tái)系統(tǒng)，HAPS通信系統(tǒng)以其與地面蜂窩網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)相比，在系統(tǒng)造價(jià)、系統(tǒng)容量、覆蓋面積、建設(shè)速度、信號(hào)衰落等方面的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。高空平臺(tái)通過(guò)使用多波束天線對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行分區(qū)覆蓋，實(shí)現(xiàn)了CDMA和SDMA混合多址接入技術(shù)，使得寬帶通信網(wǎng)系統(tǒng)容量和頻譜利用率的大幅度提高成為可能。無(wú)疑天線技術(shù)、小區(qū)劃分方案、覆蓋方案、鏈路特性等都是高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，因而對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)的鏈路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)研究以上關(guān)鍵技術(shù)具有非常重要的意義［7－10］。其中上海交通大學(xué)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(shù)據(jù)鏈路性能［11］。清華大學(xué)吳佑壽院士，牛志升教授等人在高空平臺(tái)通信多徑信道模型建立等方面的研究［12］。目前，我們國(guó)家對(duì)HAPS通信的研究正處于論證與實(shí)驗(yàn)階段。加強(qiáng)并推進(jìn)高空平臺(tái)通信的建設(shè)對(duì)于我國(guó)的科技創(chuàng)新、國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著十分重要的戰(zhàn)略意義。由于目前的相關(guān)文獻(xiàn)大多為技術(shù)綜合分析，對(duì)HAPS通信的技術(shù)深入研究與實(shí)現(xiàn)涉及不多，或者孤立的分析HAPS通信的信道、天線設(shè)計(jì)等。因此，通過(guò)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(jié)合起來(lái)考慮，提出一種適合HAPS通信場(chǎng)景的小區(qū)劃分覆蓋方案，為HAPS的工程實(shí)現(xiàn)提供重要參考。

1 平臺(tái)覆蓋特性研究

在高空平臺(tái)高度確定后，高空平臺(tái)的覆蓋面積與最小通信仰角的大小成近似反比的關(guān)系。最小通信仰角越大，覆蓋面積越小。根據(jù)幾何關(guān)系，式（1）給出了直視情況下平臺(tái)覆蓋圓形區(qū)域直徑表達(dá)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(tái)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(yuǎn)通信距離的關(guān)系。

表1 最小通信仰角、覆蓋面積與最遠(yuǎn)通信距離

由表1中數(shù)據(jù)可知，一個(gè)位于22km高空的HAP，最大可以覆蓋直徑為1 056km的圓形區(qū)域。考慮地形的遮擋，最小通信仰角應(yīng)在5°左右才能保證通信質(zhì)量，則單個(gè)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(gè)HAP組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。例如，要無(wú)縫覆蓋直徑為600km的圓形范圍，需要4個(gè)可覆蓋直徑430km圓型區(qū)域的HAP組網(wǎng)（圖2）。

圖2 4個(gè)HAP組網(wǎng)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(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)。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(tǒng)的劃分方法，將覆蓋區(qū)域分成數(shù)個(gè)大小相等的等邊六邊形，通過(guò)調(diào)整天線波束的形狀對(duì)每個(gè)蜂窩進(jìn)行覆蓋（圖3，4）。這種分劃的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)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(jiǎn)單，但外圈的單波束覆蓋范圍比內(nèi)圈大很多，覆蓋范圍過(guò)大可能導(dǎo)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(wèn)題，要使天線波束按照蜂窩小區(qū)的劃分進(jìn)行覆蓋，要求天線波束成橢圓形，仰角越小時(shí)，曲率越大，這對(duì)天線的制造技術(shù)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(jìn)的小區(qū)劃分方法，采用改進(jìn)的環(huán)形小區(qū)方案，增大內(nèi)圈波束寬度，減小外圈波束寬度，盡量縮小內(nèi)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(nèi)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(jù)容量，天線數(shù)目，波束成型難度等參數(shù)進(jìn)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(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)—高系統(tǒng)容量。CDMA是干擾受限系統(tǒng)，而且是自干擾系統(tǒng)。為提高系統(tǒng)容量，功率控制已成為CDMA系統(tǒng)中最重要的課題之一，許多研究者對(duì)陸地CDMA系統(tǒng)的功率控制進(jìn)行了研究。功率控制同樣對(duì)高空平臺(tái)通信系統(tǒng)是至關(guān)重要的。與陸地CDMA系統(tǒng)相比較，高空平臺(tái)通信系統(tǒng)功率控制有著不同的特點(diǎn)。陸地CDMA系統(tǒng)的功率控制主要解決“遠(yuǎn)近效應(yīng)”和對(duì)抗指數(shù)正態(tài)分布的掩蔽效應(yīng)和瑞利衰落［13］，其中“遠(yuǎn)近效應(yīng)”造成的影響特別嚴(yán)重。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)卻基本上不存在“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。這是因?yàn)槊恳粋€(gè)點(diǎn)波束覆蓋的小區(qū)內(nèi)的所有用戶到空中平臺(tái)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(shí)，同一波束內(nèi)近平臺(tái)一端與遠(yuǎn)離平臺(tái)一端的不同用戶的傳播損耗還是有較大差別的）。高空平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)中，點(diǎn)波束覆蓋區(qū)域內(nèi)的輻射場(chǎng)強(qiáng)是不一致的，表現(xiàn)為小區(qū)中心場(chǎng)強(qiáng)大，邊緣場(chǎng)強(qiáng)則小得多。另外，空中平臺(tái)與移動(dòng)臺(tái)之間通常存在直視（LOS）關(guān)系，所以多徑效應(yīng)造成的衰落多是萊斯衰落而非瑞利衰落。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)CDMA功率控制要解決的問(wèn)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(shù)和萊斯信道衰落共同作用的情況。為精確起見(jiàn)，作為一個(gè)影響不明顯的因素（傳播損耗）也把它考慮在內(nèi)。這是考慮到在低仰角通信時(shí)，同一波束內(nèi)近平臺(tái)一端與遠(yuǎn)離平臺(tái)一端的不同用戶的傳播損耗還是有較大差別的。

假設(shè)共有 N 個(gè)波束：｛B1，B2，…，BN｝，每一個(gè)波束中的移動(dòng)用戶數(shù)為Mi（i為波束編號(hào)）。取波束p內(nèi)的第q個(gè)移動(dòng)用戶（以下簡(jiǎn)稱移動(dòng)用戶 ［p，q］）分析上行鏈路的性能。為了分析方便，不妨假設(shè)移動(dòng)用戶到高空平臺(tái)的傳播沒(méi)有延時(shí)，則點(diǎn)波束p接收到的信號(hào)為式（2）所示。式（2）中第一項(xiàng)是來(lái)自移動(dòng)用戶［p，q］的有用信號(hào)，第二項(xiàng)和第三項(xiàng)分別是來(lái)自波束p內(nèi)和波束p外的干擾信號(hào)總和，第四項(xiàng)是譜密度為N0的高斯白噪聲。

假設(shè)通過(guò)理想的功率控制，消除了傳播損耗、掩蔽效應(yīng)、萊斯衰落和同一小區(qū)內(nèi)的波束輻射場(chǎng)強(qiáng)不均勻造成的影響，同一小區(qū)內(nèi)的所有移動(dòng)用戶被該波束接收到的功率等于一個(gè)常數(shù)。對(duì)系統(tǒng)中其他的小區(qū)，這個(gè)功率是相等的。進(jìn)一步，忽略高斯白噪聲的影響，由式（2）得到

為了評(píng)估誤碼率性能，需要考慮移動(dòng)用戶的信號(hào)能量。移動(dòng)用戶［i，j］的比特能量為

則接收信號(hào)能量為

只要確定點(diǎn)波束的指向和地平面的交點(diǎn)、各移動(dòng)用戶位置及其波束歸屬關(guān)系，根據(jù)式（5）就可以計(jì)算出波束p的接收功率。

當(dāng)不采用功率控制時(shí)，假定對(duì)任意一個(gè)移動(dòng)用戶 ［i，j］，E（｜αi，j｜2）＝1，則由式（2）和（4）可以得到波束p在時(shí)間（n－1）Tb≤t≤nTb內(nèi)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(wú)線覆蓋區(qū)邊緣（或區(qū)內(nèi)）終端與基站通信質(zhì)量達(dá)到規(guī)定要求的概率。圖7說(shuō)明了沒(méi)有控制條件下，給出了系統(tǒng)Eb／N0與覆蓋之間的關(guān)系，給定的信道誤碼率滿足10－5，當(dāng)Eb／N0小于12dB時(shí)，系統(tǒng)覆蓋性能嚴(yán)重依賴信道質(zhì)量Eb／N0，當(dāng)Eb／N0大于12dB時(shí)，系統(tǒng)性能基本上不依賴信道質(zhì)量Eb／N0.圖8考慮在功率控制下，系統(tǒng)Eb／N0與覆蓋面積的關(guān)系，從圖中可以明顯看出，系統(tǒng)所需要的Eb／N0減少了約7dB，即當(dāng)Eb／N0小于5dB時(shí)，系統(tǒng)覆蓋性能依賴信道質(zhì)量Eb／N0，當(dāng)Eb／N0大于5dB時(shí)，系統(tǒng)性能基本上不依賴信道質(zhì)量Eb／N0.當(dāng)覆蓋小于76km時(shí)，系統(tǒng)性能受信道質(zhì)量Eb／N0的影響很小，這也說(shuō)明了在仰角小于30°時(shí)，系統(tǒng)覆蓋性能還需要通過(guò)天線等技術(shù)等來(lái)補(bǔ)償衰落。

對(duì)小區(qū)劃分方案的系統(tǒng)性能進(jìn)行研究，比較不同小區(qū)劃分方式的特點(diǎn)。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(tǒng)參數(shù)

噪聲帶寬與信號(hào)帶寬相同。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如表2.

對(duì)于平臺(tái)天線，假設(shè)采用圓形孔徑天線，其天線增益表達(dá)式為

式中：η為天線效率；D為天線直徑；λ為輻射波長(zhǎng)。而對(duì)于場(chǎng)在孔徑上呈拋物線分布時(shí)，半功率點(diǎn)束寬為

則，可得天線增益與半功率點(diǎn)束寬的關(guān)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(tǒng)等效噪聲溫度；k為波爾茲曼常數(shù)；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(dá)式可寫成dB的形式，即

設(shè)HAP發(fā)射功率為2W，天線跟蹤損耗與大氣衰減L＝1dB.結(jié)合上面的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(diǎn)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(wù)量分布較平均的應(yīng)用。而橢圓環(huán)形小區(qū)方案的覆蓋地區(qū)中心點(diǎn)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(gè)小區(qū)覆蓋面積較大，適用于中心業(yè)務(wù)量大，外圈業(yè)務(wù)量小的地區(qū)，如中心城市外部鄉(xiāng)村的應(yīng)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(duì)鏈路載噪比的影響。為對(duì)比3 km半徑的蜂窩小區(qū)系統(tǒng)，計(jì)算半徑為2km的蜂窩小區(qū)系統(tǒng)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(shù)目必然增大，而HAP平臺(tái)可提供的功率有限，所以HAP天線波束的發(fā)射功率應(yīng)相應(yīng)的減小，設(shè)天線發(fā)射功率為1W.結(jié)果如表7，8所示。對(duì)比表3，4與表7，8的數(shù)據(jù)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(duì)于本文建議采用改進(jìn)的環(huán)形小區(qū)方案，當(dāng)增大內(nèi)圈波束寬度時(shí)，表5、6中得到的中心和邊緣載噪比等數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生變化。我們給出波束寬度增大時(shí)的對(duì)比結(jié)果。通過(guò)采用中心半波束寬為40°的寬波束覆蓋，因?yàn)橥ㄐ啪嚯x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(bǔ)通信距離長(zhǎng)和低仰角的影響。該鏈路的特性見(jiàn)表9和表1 0.其中當(dāng)同一通信距離存在不同大小天線波束時(shí)，以增益較小的大波束為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。由表中數(shù)據(jù)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(shí)增大用戶終端的功率到1W，其上行鏈路余量較小，對(duì)于過(guò)低仰角的通信來(lái)說(shuō)有些不足。此時(shí)，進(jìn)一步加大天線尺寸和用戶終端的功率已經(jīng)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(duì)定向要求較低的天線）是較好的解決方案。

表9 改進(jìn)小區(qū)劃分方案中心鏈路載噪比

表10 改進(jìn)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(wèn)題，要使天線波束按照蜂窩小區(qū)的劃分進(jìn)行覆蓋，要求天線波束成橢圓形，仰角越小時(shí)，曲率越大，這對(duì)天線的制造技術(shù)要求很高，極大地提高了成本。因此，考慮采用改進(jìn)的環(huán)形小區(qū)方案，增大內(nèi)圈波束寬度，減小外圈波束寬度，盡量縮小內(nèi)外小區(qū)鏈路信噪比的差值，同時(shí)增大了內(nèi)圈小區(qū)的面積，縮小外圈小區(qū)的面積。在設(shè)計(jì)覆蓋方案時(shí)，還要考慮通過(guò)合理分配波束，減少小區(qū)的數(shù)目，便于HAPS通信的工程實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

隨著無(wú)線移動(dòng)通信的進(jìn)一步發(fā)展，HAPS通信作為其中一個(gè)分支，受到越來(lái)越多的關(guān)注。重點(diǎn)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(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際分析、計(jì)算與仿真，提出了一種適合HAPS通信場(chǎng)景下的多波束小區(qū)劃分方式。并進(jìn)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(guān)系，為HAPS通信的工程實(shí)現(xiàn)提供了參考。

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