1.2 空基協(xié)同傳輸系統(tǒng)概述

隨著當(dāng)前無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，越來越需要更高的頻譜利用率、更大的系統(tǒng)容量、更靈活的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和更低的建設(shè)成本等。然而目前的無線通信平臺(tái)主要有地面平臺(tái)和衛(wèi)星平臺(tái)，都存在各自的缺陷。例如，地面平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋的投資大、建設(shè)成本高、配置不靈活，在城市建設(shè)密集區(qū)存在嚴(yán)重的信道衰落；衛(wèi)星平臺(tái)則存在著終端成本高、星載設(shè)備更新維修困難、系統(tǒng)容量有限等問題。在這樣的背景下，全新的高空通信平臺(tái)的研究得到了日益廣泛的關(guān)注，成為無線通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[6]。

基于高空平臺(tái)的空基無線通信系統(tǒng)是目前國際上正處于研究階段的新型通信系統(tǒng)。高空平臺(tái)的載體主要有系留氣球和飛艇兩種，前者的高度一般在10 km以下，后者一般位于20～50 km高空的平流層。平流層位于大氣層中的對(duì)流層之上，這個(gè)區(qū)域空氣稀薄，密度為海平面的百分之幾，浮力很小，但氣流比較穩(wěn)定，且風(fēng)力較小，是比較理想的部署高空懸停飛艇的空域[7]。

平流層通信的概念提出于第二次世界大戰(zhàn)期間，20世紀(jì) 70年代開始引起廣大科技工作者的重視。隨著若干關(guān)鍵技術(shù)的突破和科技水平的整體進(jìn)步，近幾年形成了研究、開發(fā)熱點(diǎn)。美國NASA、SKYTOWER等公司在政府的大力支持下，計(jì)劃部署平流層平臺(tái)，用于安全等目的。日本以平流層通信平臺(tái)開發(fā)協(xié)會(huì)為主導(dǎo)，利用平流層平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字高清晰度電視轉(zhuǎn)播并進(jìn)行IMT-2000的網(wǎng)絡(luò)搭建。歐洲的平流層通信項(xiàng)目受到了歐洲航天局和各國政府的資助，進(jìn)行著平流層寬帶通信方面的研究。德國航空航天中心已于2004年成功實(shí)現(xiàn)從大氣平流層中飄浮的氣球到地面之間的大數(shù)據(jù)量傳輸。韓國與美國合作，將平流層通信的研究分為三個(gè)階段，進(jìn)展迅速。在我國，清華大學(xué)使用氦氣飛艇在300 m高空持續(xù)飛行2 h來演示視頻會(huì)議系統(tǒng)[8]。北京大學(xué)成立了專門研究太陽能飛行器的專業(yè)機(jī)構(gòu)，迄今已經(jīng)完成開發(fā)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太陽能平流層懸浮平臺(tái)系統(tǒng)。雖然在該領(lǐng)域的研究已有不少成果，但目前尚未推出統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。

和通信衛(wèi)星相比，平流層平臺(tái)與地面的距離是同步衛(wèi)星的1/1 800，自由空間衰減和延遲時(shí)間大為減少，利于通信終端的小型化、寬帶化，且成本低、建設(shè)快、可回收、維護(hù)和維修方便。與地面蜂窩系統(tǒng)相比，平流層平臺(tái)的覆蓋范圍遠(yuǎn)大于地面蜂窩系統(tǒng)，而且信道條件（按Rice衰減）優(yōu)于地面系統(tǒng)（按Rayleigh衰減）。平流層平臺(tái)既適用于城市，成為地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，也可用于海洋、山區(qū)等地面移動(dòng)通信系統(tǒng)不便部署的地區(qū)，還可以迅速轉(zhuǎn)移，用于戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域或者發(fā)生自然災(zāi)害地區(qū)（如洪水）的監(jiān)測(cè)和通信。從長遠(yuǎn)來看，高空平臺(tái)通信系統(tǒng)還有可能成為除地面移動(dòng)通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)之外的第三個(gè)無線通信系統(tǒng)。

目前的高空平臺(tái)移動(dòng)通信研究一般以第三代移動(dòng)通信（3G）技術(shù)為背景[9]，主要采用CDMA技術(shù)。第三代移動(dòng)通信在空中接口、系統(tǒng)架構(gòu)、開放性等諸多問題上仍然存在很多不足。隨著通信用戶數(shù)的不斷增多，業(yè)務(wù)量不斷上升以及對(duì)通信質(zhì)量的要求不斷提高，使得制定更高速率、更大容量、系統(tǒng)更加完備和開放的新一代移動(dòng)通信體制迫在眉睫，一般稱新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)為后三代（B3G）或四代（4G）。

圖1-2描述了一個(gè)典型的高空平臺(tái)通信場(chǎng)景，下面具體分析高空平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)[10]。

（1）覆蓋范圍大（相對(duì)于地面移動(dòng)系統(tǒng)）

一般高空平臺(tái)覆蓋范圍的半徑為幾十千米，然而地面移動(dòng)系統(tǒng)的覆蓋范圍半徑為幾千米左右。

（2）靈活應(yīng)對(duì)大容量的需求

因?yàn)楦呖掌脚_(tái)可以在覆蓋范圍內(nèi)集中支持蜂窩系統(tǒng)架構(gòu)，并且可以靈活地進(jìn)行頻率復(fù)用和設(shè)置蜂窩尺寸大小。因此，在高空平臺(tái)系統(tǒng)中可以合理地采用分配資源的方式，以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)大容量的需求。

（3）成本較低（相對(duì)于衛(wèi)星系統(tǒng)）

相對(duì)于地球靜止軌道衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星組成的星座網(wǎng)絡(luò)，高空平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)組建和平臺(tái)發(fā)射的成本會(huì)大大降低。同時(shí)，對(duì)于某些需要建設(shè)大量基站設(shè)施的地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，高空平臺(tái)的成本也相對(duì)較低。

（4）迅速部署

高空平臺(tái)能夠在幾天之內(nèi)甚至幾小時(shí)之內(nèi)快速地發(fā)射和部署。這種優(yōu)勢(shì)使得高空平臺(tái)非常適合在應(yīng)急和受災(zāi)環(huán)境中使用。

（5）平臺(tái)和載荷更新升級(jí)

高空平臺(tái)能夠在平流層使用若干年，期間平臺(tái)可以降落至地面進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)，顯然這種優(yōu)勢(shì)在衛(wèi)星系統(tǒng)中較難實(shí)現(xiàn)。

然而，高空平臺(tái)的工程實(shí)現(xiàn)和商業(yè)化進(jìn)程也面臨著一些困難和挑戰(zhàn)。

（1）載荷的質(zhì)量和體積

相對(duì)于地面移動(dòng)系統(tǒng)，高空平臺(tái)系統(tǒng)有效載荷的體積和質(zhì)量非常有限。有效載荷的限制會(huì)使得高空平臺(tái)提供的系統(tǒng)容量受限，即使其能夠覆蓋較大的地理范圍。

（2）動(dòng)力供應(yīng)

對(duì)于任何航空系統(tǒng)，動(dòng)力供應(yīng)都是一個(gè)普遍的約束條件。對(duì)于無人機(jī)類型的高空平臺(tái)主要是靠燃料提供動(dòng)力。那么動(dòng)力系統(tǒng)如何滿足通信載荷的需要是高空平臺(tái)面臨的一大挑戰(zhàn)。長時(shí)間運(yùn)行的飛艇類型的高空平臺(tái)系統(tǒng)主要靠太陽能提供動(dòng)力。在白天，光能發(fā)電板會(huì)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能以維持高空平臺(tái)的穩(wěn)定性和通信載荷，多余的電量會(huì)存儲(chǔ)起來在夜間使用。然而，當(dāng)前的燃料電池技術(shù)還不夠成熟，光能發(fā)電板的效率也有待提高。

為了支持高空平臺(tái)的部署和實(shí)現(xiàn)，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）已經(jīng)將高空平臺(tái)通信系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)國際移動(dòng)電話系統(tǒng)-2000（International Mobile Telecom System-2000，IMT-2000）無線通信服務(wù)的備選方案。關(guān)于高空平臺(tái)的頻譜分配情況具體見表1-1，可以看出ITU已經(jīng)將48GHz頻段（世界范圍）和31/28GHz頻段（部分選定的國家）分配給高空平臺(tái)通信系統(tǒng)[11,12]。同時(shí)，ITU還將 3G 系統(tǒng)使用的頻段分配給高空平臺(tái)系統(tǒng)使用[13]。因此，將高空平臺(tái)融入最終的3G通信部署的網(wǎng)絡(luò)中是一項(xiàng)新興的、具有前瞻性的工作。

高空平臺(tái)能夠?yàn)楣潭ǖ幕蛞苿?dòng)的、個(gè)人的或集團(tuán)的用戶提供各種各樣的服務(wù)和應(yīng)用，因此也要符合現(xiàn)有的無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或是制定與自身相符的協(xié)議，這樣才能使得更多的用戶終端使用高空平臺(tái)。目前，關(guān)于高空平臺(tái)還沒有確定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，國際電信聯(lián)盟無線電通信組（ITU-R）規(guī)定了高空平臺(tái)在作為3G基站提供通信服務(wù)時(shí)的使用頻率為2GHz。然而，現(xiàn)實(shí)的寬帶固定接入和移動(dòng)無線接入的頻段都提高到了毫米波頻段。更確切地說，頻率是31/28GHz和48/47GHz。在這些頻段內(nèi)有一些候選標(biāo)準(zhǔn)可以采納[14]，特別是IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11、IEEE 802.16和IEEE802.20），數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（Data Over Cable Service Interface Specification，DOCSIS），包括多路微波分配系統(tǒng)（Multichannel Microware Distribution System，MMDS）和本地多點(diǎn)分布式業(yè)務(wù)（Local Multipoint Distribution Service，LMDS），此外還有一些數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting，DVB）標(biāo)準(zhǔn)，如DVB-S/S2和DVB-RCS。

目前，世界上已有多個(gè)國家積極地開展高空平臺(tái)的科研項(xiàng)目，包括已經(jīng)完成的HeliNet項(xiàng)目[15]和正在進(jìn)行的CAPANINA項(xiàng)目[16]。其中，HeliNet項(xiàng)目從2000年1月開始實(shí)施，到2003年5月結(jié)束，其成果已經(jīng)寫入了第五次歐盟委員會(huì)框架計(jì)劃。同時(shí)一個(gè)名為Heliplat 的大規(guī)模計(jì)劃也已經(jīng)開始實(shí)施，主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)試驗(yàn)性應(yīng)用：寬帶通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程遙感。這也是有史以來歐盟第一次資助關(guān)于高空平臺(tái)的項(xiàng)目。CAPANINA項(xiàng)目是由歐洲委員會(huì)資助，為了進(jìn)一步開發(fā)適用于高空平臺(tái)系統(tǒng)的無線和光學(xué)的寬帶技術(shù)。它的目標(biāo)是能夠?yàn)樵谄h(yuǎn)地理位置的用戶、遠(yuǎn)離地面通信設(shè)施的用戶和在高速運(yùn)行的列車上的用戶提供有效的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和低成本的寬帶通信服務(wù)。同時(shí)該項(xiàng)目要求在 60 km 的覆蓋范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)達(dá)到120 Mbit/s，毫米波技術(shù)和自由空間的光通信技術(shù)成為該項(xiàng)目的研究重點(diǎn)。

高空平臺(tái)目前的角色是作為候選技術(shù)，為世界上最好的兩個(gè)通信系統(tǒng)——地面移動(dòng)通信系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)提供支持和補(bǔ)充。這就要求高空平臺(tái)系統(tǒng)具有高效的頻譜復(fù)用技術(shù)以保證系統(tǒng)的高頻譜效率。因此，將高空平臺(tái)融入移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用是高空平臺(tái)研究的熱點(diǎn)。另外，上述高空平臺(tái)使用的頻段也會(huì)被其余的系統(tǒng)使用，因此也有學(xué)者研究了高空平臺(tái)與其余系統(tǒng)頻譜共享的問題[17]。值得強(qiáng)調(diào)的是，陣列天線幾乎是實(shí)現(xiàn)高空平臺(tái)的最優(yōu)選擇。只有通過天線陣列實(shí)現(xiàn)多波束指向，才能保證在高空平臺(tái)存在隨機(jī)飄動(dòng)情況下實(shí)現(xiàn)多小區(qū)的穩(wěn)定覆蓋。因此，為了讓高空平臺(tái)為地面提供通信服務(wù)，更關(guān)鍵的是合理地設(shè)計(jì)高空平臺(tái)的多波束天線陣列以及基于天線陣列的多小區(qū)規(guī)劃。與其他系統(tǒng)略有區(qū)別的是，高空平臺(tái)將會(huì)面臨更差的穩(wěn)定性和空中定位，這就需要更加精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)高空平臺(tái)和地面接收端，以保證天線的波束能夠維持正確的指向，從而維持穩(wěn)定的通信鏈路。

相對(duì)于地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，高空平臺(tái)最顯著的優(yōu)勢(shì)便是它生成的蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以定期地在一定區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，因此其覆蓋范圍不會(huì)受到地理?xiàng)l件的約束。由于高空平臺(tái)的覆蓋面積大，因此多個(gè)蜂窩小區(qū)可以同時(shí)來源于同一個(gè)高空平臺(tái)，這樣可以有效提高通信資源的利用率。另外，高空平臺(tái)與地面無線網(wǎng)絡(luò)共存系統(tǒng)將會(huì)帶來無線電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和避免系統(tǒng)間干擾等新的課題。地面蜂窩的網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要會(huì)受到建筑物、樹木和丘陵等物體的影響，然而高空平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋僅由天線的方向決定。因此，高空平臺(tái)雖然可以作為輔助通信系統(tǒng)，但代價(jià)是它會(huì)對(duì)地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)造成更強(qiáng)的干擾。這些問題最近被廣泛地研究和討論，比較主流的解決思路是采用認(rèn)知無線電技術(shù)和動(dòng)態(tài)頻譜感知技術(shù)。這兩種技術(shù)在避免干擾問題上是極具潛力的解決方案，因此該領(lǐng)域研究發(fā)展也會(huì)促進(jìn)高空平臺(tái)系統(tǒng)的商用化進(jìn)程。