平流層通信系統

平流層通信系統由一個以上的平流層通信平台與多個地面交換/控制中心以及大量各種類型的用戶無線接入終端構成，整個系統構成一個無線接入網。

由於平流層通信系統使用的頻率較高，平台與地面終端之間的電波傳播方式可視為直線傳播方式，與衛星通信系統相同。而對一個高度一定的平流層平台所覆蓋的通信服務區域，可以用邊緣仰角來表示。當平流層平台高度為23km的時候，根據城市、郊區以及農村地區通信量的不同要求，可以將該平流層通信平台的全部覆蓋區域分成3個環形區域。

基本介紹

• 中文名：平流層通信系統
• 外文名：Stratospheric communication system

通信系統基本結構

和地面通信系統相比，平流層平台發出的電波具有可視直線傳播的特性，天線發出的電波能量可以較好地集中於平台覆蓋區中的某一個蜂窩小區。採用發射電波輪流掃描各個蜂窩小區的方式，可以用較小的天線發射功率，方便地實現多波束天線工作方式。同時，也減輕了通信系統中多徑效應的影響。平台發射的電波可以用周期性固定時間間隔的方式掃描每一個蜂窩小區，也可以用不定周期的隨機方式掃描某一個蜂窩小區。前者適用於對通信延時有比較高要求的實時通信業務，如電話、電視等。而後者則適用於非實時要求的通信業務，如網際網路接入等。當平台的波束指向某一個蜂窩小區時，該蜂窩小區內的用戶終端和平台的機載通信設備間便產生信息的交換。而在兩次掃描的間隔期間，通信平台和地面用戶終端將把下一次需發射的信息存儲在各自的緩衝暫存器里，直至收到平台上的控制信號顯示平台的天線波束正指向該蜂窩小區後，才以高速方式將蜂窩小區用戶終端緩衝暫存器里的內容送出，同時高速接收平台一側發來的信號。如果蜂窩小區數量較多，一個天線波束無法滿足對時延及容量的要求，則可以用兩個或更多個波束用交叉掃描方式來實現。

另一種波束掃描方式是採用一個主波束擔任信息傳遞，另一個副波束用來檢測和發現向平台發出呼叫的蜂窩小區。檢測波束以快速掃描方式對所有蜂窩小區進行依次掃描，一旦發現發出呼叫信號的目標，則引導主波束對準該蜂窩小區，接收該小區的上行信號。

按使用頻率與用途劃分，平流層通信系統可分為使用2GHz頻率、面向移動的語音信息傳輸並與第三代地面移動通信系統體制兼容的平流層移動通信系統以及使用47/48GHz、面向高速寬頻數據傳輸的平流層寬頻通信系統。

1．2GHz平流層移動通信系統

裝有2GHz相控陣天線的通信平台可以為1000km直徑範圍內的上百萬用戶提供寬頻移動業務。天線陣作為一個“高天線塔”發射數以百計甚至上千計的波束並可多次復用頻率，這就等於在地面建造了成百上千的地面天線塔。這樣，採用2GHz範圍內頻率的標準分配，一個通信平台加上幾個地球站就為覆蓋範圍內上百萬蜂窩和固定話音設備提供移動業務。系統不斷地動態分配容量，使系統容量指向最需要的地方，從而避免業務量大的地區出現業務阻塞。

使用平流層通信系統，任何一個國家或地區無需建造昂貴而麻煩的天線塔就可建立一個完整的蜂窩系統，或者為滿足擴展業務的需要而採用平流層通信平台來補充現有的天線塔系統。通信平台最小系統可以用非常低廉的造價完成，這為各國家和地區在地面覆蓋區實現第三代移動通信提供了一種令人振奮的新方法。此外，與地面天線塔和通信平台2GHz傳輸系統均兼容的用戶設備將我們的平台無縫集成到全球通信網路中。

2．47/48GHz平流層寬頻通信系統

裝有47 GHz負載的平流層通信平台位於主要城市上空21km左右，它能為覆蓋範圍19 000km提供業務。該系統可以為各種固定的、便攜的以及移動的終端提供數字電話、傳真、電子郵件、可視電話、網際網路接入等各種服務。由於使用頻率為毫米波，可使用高增益小尺寸天線。例如，直徑數厘米的片狀天線，其增益可達20dBi以上，對大部分固定或攜帶型用戶終端，可提供傳輸速率為25Mbit/s的服務。對於使用較大天線尺寸和較高天線增益的地面站，傳輸速率可達數百Mbit/s，而對於較難使用高增益天線的汽車行動電話等快速移動用戶終端，則可以提供傳輸率為144kbit/s的服務。通信平台的機載設備可以是簡單的多頻轉發器，也可以是ATM交換機。用戶信號直接發射到平台上進行機載交換，然後傳遞給平台支持的其他用戶。也可以通過地球站尋找路由，進入公共網路如PSDN。

工作頻率為60GHz、傳送速率達51.8Mbit/s的毫米波寬頻室內無線區域網路已經研製開發成功，而可以擴展到室外的毫米波寬頻無線接入網路系統也正在研究開發中，預期和光纖主幹網配合形成光纖/無線融合高速寬頻通信網路。同時，面向平流層通信平台的無線寬頻通信技術以及光纖/無線通信融合技術也正在研究開發中。通過擁有寬頻無線傳輸能力的衛星與多個平流層平台之間的雷射通信互聯，可以在空中形成一個立體的超高速、長距離全球骨幹數字通信網。為此，平流層平台的機載通信設備里應該包含ATM交換機以及光通信設備，以便實現和鄰近的平台或衛星的數據傳輸。

機載通信設備

平台機載設備包含用於發射和接收的分別集成的光控與光延時波束構成的兩個相控陣天線、用於連線地面網關站的兩個碟形天線以及與地面上的固定和移動用戶終端設備通信用的許多TDMA、FDMA或CDMA收發信機等。接收的信號首先被下變頻，然後用數字濾波器將其按相位、時間或頻率進行分割。

一個平流層通信平台的覆蓋區域的同一個小區內部的用戶呼叫採用機載光子放大器和光纖信道交換方式實現高速交換，不同小區之間的通信通過機載ATM交換機實現連線。同一小區內部所有主叫用戶共享的一個專用接入信道被用作帶外信令信道，採用7號信令進行呼叫建立、存儲轉發、尋呼、主叫號碼識別和功率控制等。不同的平流層通信平台覆蓋區域之間的通信連線，則是通過下行鏈路到地面網關控制站，直接與有重疊覆蓋的相鄰平流層通信平台連線，或者通過該控制站接入到PSTN和Internet幹線，與遠距離的平流層通信平台進行連線。用戶可以自由地改變QoS指數來選擇通信頻寬的大小，而平流層平台的非常小的時延特性以及一個平流層平台的頻率資源可以為覆蓋區的所有用戶共享的特性則為迅速有效地實現數據流管理以及網路擁塞控制提供了很好的條件。

如果地面用戶終端的平均速率為64kbit/s，TDMA/FDMA採用K=3的蜂窩頻率復用，CDMA採用K=1.33的蜂窩頻率復用模式並按S=3的扇形分區，則在理論上FDMA/TDMA方式可以同時支持300萬對信道，CDMA方式可以實現的信道數目要更多一些。而且，如果僅僅是話音通信，可以利用話音激活檢測將CDMA平流層通信系統的容量提高三倍。地面用戶與平流層平台之間的通信頻寬除了可以滿足ISDN-B速率指標的64kbit/s之外，用戶終端還可以得到最高為2.048Mbit/s的頻寬。而地面網關站用戶可以申請到45 Mbit/s或更大的頻寬服務。

除了可以使用的頻率資源之外，平流層通信系統的通信能力與平台可以提供的有效載荷電源功率有關。以前述2GHz的平流層移動通信系統為例，此時的傳輸速率為話音9.6kbit/s～16kbit/s，數據384kbit/s，構成單一信道需要的發射功率為25mW，平台可以提供的有效載荷電源為10kW，考慮到接收部分與各種信號處理子系統的消耗功率以及發射機射頻功放部分的效率，平台可允許的最大發射功率為8kW，同時支持32萬對通信信道。假定在給定的任一瞬間有平均10%的用戶占線，則一個平流層通信平台可以為大約有320萬用戶的高密度人口地區提供9.6kbit/s～16kbit/s的話音與384kbit/s的數據無線通信接入轉發服務。如果要擴大通信能力，必須進一步提高對通信載荷的供電能力。

為了實現平流層通信系統，一個平流層平台的覆蓋區域裡至少要配置一個地面交換中心。為了降低設備成本、減少平台的功率消耗以及平台通信載荷的複雜性，不同平台覆蓋區之間的通信、平台與PSTN以及網際網路之間的通信將通過平流層並以“彎管”的形式送至地面交換中心，使得大部分的路由交換都在地面交換中心完成。通常，地面交換中心還起到控制中心的作用。除了每個覆蓋區的一個交換中心外，還可以同時建立若干能夠提供與PSTN、增值網和網際網路連線的網關站。交換站使用極化與空間分集以及300MHz頻寬的載波，可實現1.2Gbit/s的最大信息傳輸能力，應當能夠充分滿足通常的通信要求。而普通的網關站則不具備交換中心的頻寬與交換能力。

在平流層通信系統的發射與接收設備中，使用前向糾錯(FEC)信道編碼技術，以增強抗信道噪聲的能力。無線ATM的信頭使用2/3速率的卷積內碼編解碼器、RS外碼編解碼器以及14位元組的交織編解碼器。而短RS編解碼器專用於無線ATM有效載荷以提高信息吞吐量。

為了管理全球範圍的註冊移動用戶，所有的平流層地面交換中心都含有歸屬位置暫存器(HLR)，並不斷地執行數據刷新。移動用戶必須定期向平流層通信系統提供有關自己所處位置的信息來更新位置歸屬暫存器的內容。訪問位置暫存器(VLR)資料庫的內容是臨時的，它記錄了正處於自己登記的歸屬位置暫存器區域之外的移動用戶的臨時位置。漫遊者通過離自己位置最近的地面交換中心自動登記並且通知訪問位置暫存器自己的到達，接到該信息的地面交換中心會分配有關漫遊號碼給該移動用戶，使他可以進行通信。負責統一監視、控制和維護全球平流層通信普通網路的是有關中心網管機構。

CDMA中繼轉發器

平流層平台根據套用的具體目的不同，存在多種系統構造方式。對平台機載設備的共同要求是高可靠性、低功耗、重量輕以及體積小。在可能的情況下，應儘可能將系統的功能與設備放在地面而不是空中。最簡單的情況下，機載通信設備僅限於多通道轉發器、天線以及接口，它們構成一個“彎管”式中繼轉發器。DMA基站主要由控制器、交換中心、用戶鑒權記帳中心、註冊用戶歸屬暫存器和訪問用戶暫存器等組成。基站控制器完成用戶終端的移動管理和越區切換等功能，交換中心完成覆蓋區內用戶之間的信號交換以及與地面公共交換網的接口功能，鑒權記帳中心完成系統的安全管理和用戶通信費的記錄。

與地面無線通信和衛星通信相比，平流層通信系統具有良好的電波傳播損耗特性。對平流層通信和衛星通信，電波的自由空間傳播損耗和距離的平方r成正比，其衰減可表示為－20dB/10倍頻程。而地面通信電波的傳播損耗受具體環境影響較大，通常認為其正比於距離的2.7～3.6次方，即～，相應的衰減表示為–27～–36dB/10倍頻程。

除了電波傳播衰減較小之外，與地面無線通信系統相比，平流層通信系統還具有較高的天線增益。因此，平流層通信平台只需較小的發射功率以及較簡單的接收處理設備便可以與通常的行動電話終端進行通信。為此，我們將一個高度為22km的平流層通信平台與一個高度為46m的地面無線發射天線作一比較。前者在覆蓋區域邊緣仰角為10°的情況下，覆蓋半徑可達到120km，天線增益可達30～35dB。而高度46m的地面發射天線在同樣的邊緣仰角條件下，覆蓋半徑大約為260m，天線的增益也僅為10～17dB。

此外，信噪比SNR也是一個重要的指標。眾所周知，從平流層通信平台發射的電波到達覆蓋區域邊緣的距離明顯比到達覆蓋區域中心部的距離大的多，要保證整個覆蓋區域內的通信服務質量不低於一般地面通信系統的質量，應使得覆蓋區域邊緣的信噪比足夠高，至少不得低於地面無線通信系統的指標。

平流層CDMA通信容量分析

通信容量是無線通信系統的關鍵性能指標之一。由於頻率資源的緊缺性，如何在一個固定的頻段內給儘可能多的用戶提供具有相當滿意度的服務是研究者一直努力的目標。

CDMA系統是一種干擾受限系統，它的干擾主要來自於通信系統自身，也就是說，它是一個“自干擾”系統。通過減少接收信號中的干擾可以帶來容量的上升。CDMA系統的優良特性之一是軟容量，也就是說，它沒有一個固定的系統容量閾值。我們可以通過適度降低所提供服務的質量來增加系統可以服務的用戶的數量。但是由於各個用戶信號的非完全正交性，當系統的用戶多於系統允許的容量時，系統性能會急劇下降。系統性能隨用戶個數的變化有一個轉折點，我們稱這個轉折點為CDMA閾值。這樣，CDMA閾值定義為共享同一個直接序列擴譜頻帶，在不引起系統性能發生轉折性下降的前提下可以同時進行通信的用戶的最大數目。我們可以定義這個CDMA閾值為系統容量C。

與陸地CDMA系統相比較，平流層CDMA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用來解決“遠近效應”、對抗瑞利衰落和指數常態分配的掩蔽效應，其中“遠近效應”造成的影響特別嚴重。平流層通信系統卻基本上不存在真正意義上的“遠近效應”。這是因為每一個點波束覆蓋的小區內的所有用戶到空中平台的距離基本上是相等的，因而傳播損耗也基本一致。另一方面，平流層通信中，點波束覆蓋區域內的輻射場強是不一致的，表現為小區中心場強大，邊緣場強則小得多。另外，空中平台與移動用戶之間通常存在直視(Line of Sight)關係，所以多徑效應造成的衰落多是萊斯衰落而非瑞利衰落。綜上所述，平流層CDMA功率控制要解決的問題主要是波束增益分布的不均勻性、掩蔽效應和萊斯衰落造成的用戶信乾比的不公平性。

雖然平流層CDMA蜂窩通信與陸地CDMA蜂窩通信有著不同的特點，但是它們功率控制的目的是一致的，採用的技術也可以完全相同。在實際的系統中，已經使用了開環和定步長的閉環功率控制方案來調整用戶功率。就減少干擾的技術而言，除了扇區化技術之外，陸地CDMA蜂窩通信採用的技術都可以在平流層CDMA蜂窩通信中實施。我們對平流層CDMA蜂窩系統容量的分析是在採用功率控制，並著重考慮功率控制誤差的前提下進行的。在這一節，我們將顯示，由於點波束的良好方向特性，平流層CDMA蜂窩系統具有比陸地CDMA蜂窩系統更加優越的容量性能。在功率控制條件下考慮外圍小區干擾時，平流層CDMA蜂窩系統中外圍小區用戶干擾功率的對數方差和本小區用戶的很接近，而陸地CDMA蜂窩系統中外圍小區用戶干擾功率的對數方差比本小區用戶的大得多，這使得平流層CDMA蜂窩系統的容量比地面系統高得多。

1．城市、市郊和農村覆蓋區通信容量分析

根據城市、郊區和農村地區通信量的不同要求，可以將一個平流層信息平台的覆蓋範圍分成三個環形區域，分別是城市覆蓋區、市郊覆蓋區和農村覆蓋區。假設平流層平台的高度為23km，中心區域為城市覆蓋區，邊緣仰角為30°，該區域覆蓋半徑為40km；而市郊覆蓋區和農村覆蓋區的邊緣仰角分別為10°和3°，覆蓋半徑分別為130km和439km。當然上述三個區域的大小、仰角及相關參數是人為設定的，可以根據實際情況而改變。

移動通信系統需要給各種用戶提供無線接入服務。用戶的運動速度越高，功率控制的誤差就越大。高速用戶的信號低於期望強度的機率比低速用戶要大，為了給高速用戶與低速用戶提供質量相同的服務，需要提高前者的功率均值。為了簡化問題的討論，我們假設所有的用戶已經採用了相同的交織和糾錯編碼技術。提高高速用戶的發射功率均值的後果是高速用戶給系統提供了比低速用戶更高的干擾，這導致系統容量降低。在平流層通信系統的不同覆蓋區，用戶速度的分布是不同的。比如在農村覆蓋區，由於視野開闊，用戶平均速度要比處於城市覆蓋區用戶要高一些。所以，僅就這一點而言，農村覆蓋區的單個小區通信容量要比城市覆蓋區的通信容量低一些。由於分析的原理和方法很明確，在這裡就不給出相應的曲線了。

2．外部小區干擾因子

單個小區提供的通信容量是有限的。在陸地CDMA蜂窩通信系統中，在地面上分開布置的相鄰小區使用相同的頻段提供無線接入，系統可以服務的用戶數目隨著小區的增加而同比例增長。這稱為頻率的空分復用。因為相鄰小區使用同一頻段，外圍小區用戶的發射功率被中心小區基站天線收到，提高了該小區的干擾水平，降低了具有干擾受限特性的CDMA系統的容量。在每個點波束對應一個地面小區的平流層CDMA蜂窩通信中，由於點波束的方向特性不可能是銳截止的，相鄰小區用戶的發射功率通過本小區波束的主瓣邊緣和旁瓣到達本小區的接收機，同樣因此而提高了本小區的干擾功率。我們用頻譜重用因子來描述單個小區的容量因為頻譜空分復用而下降的程度。假設CDMA系統內有較多用戶，那么系統內其他用戶的干擾功率比自然噪聲大得多，我們可以忽略自然噪聲。