一种发展中的新移动通信方式—— 平流层通信研发概况

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1、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

2、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。14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

3、AltitudePlatformstations)代替卫星作为基站的通信[1]，平台高度距地面在17～22km。可以用充氦飞艇、气球或太阳能动力飞机[2]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500km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。14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

4、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200km几至十几km大于1000km典型蜂窝半径1-10km微蜂窝0.1–1km大于500km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14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

5、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100m长，有效载荷可达800kg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（<400g/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–HighAltitudeLongEndurance）平台。这是一个太阳能飞机，它比飞艇小，不能携带很重的

6、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–UnmannedAerialVehicle)，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2214km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

7、留不动，它只好沿一个小圆圈飞行。国际电信联盟（ITU）已经将47.2–47.5GHz和47.9–48.2GHz频段分配给HAPS应用。在亚洲，由于受雨衰减的影响，可以用28/31GHz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150－200m翼展35－70m长»30m总重量»30吨»1吨»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»5年»8小时14不定（约6个月）定位范围（半径）»1km»3km£10