平流層通信

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　　平流層通信指利用位於平流層(距地20～50km)的高空平臺作為無線中繼或基站，通過與地面無線端站或無線用戶終端等裝置進行通信，從而實現向地面用戶提供寬頻通信、對地監測、導航定位、固定或移動業務等新型無線通信技術。位於20km的高空平臺可以實現地面覆蓋半徑約數百千米內的通信區域，多個高空平臺通過無線相互連接，可以構建地區性甚至全國乃至全球性的天、地、空一體化無線通信網路系統。

　　平流層通信與衛星通信系統相比，其優勢是高容量、高頻譜利用率以及時延小，而且由於距離地面較近，發射成本低，且比較容易建設維護和升級；與地面通信相比。地面覆蓋面積大，且不易受地形地貌和地面建築物對無線電波的影響，另外由於可以隨時起落，容易升級和快速建設，在發生嚴重災難時不易受到破壞。

　　1)位置靈活。高空平臺的位置不受地域限制．可以佈置在人口稠密的大城市．也可以佈置在鄉村和邊遠人El稀少的地區、海洋及山區。另外，高空平臺可以根據需要迅速轉移．用於有業務需求的區域，如自然災害的應急通信或監測等。

　　2)覆蓋範圍大。平流層的高空平臺由於位置高，不受地面建築的遮擋，通道衰落服從萊斯分佈，而地面通信系統的通道一般服從更惡劣的瑞利分佈。理論上，位於20km的高空平臺即可覆蓋半徑為500km的區域，遠比地面通信系統的覆蓋範圍大。

　　3)建設速度快。平流層通信的高空平臺承載一定的通信設備即可獨立運行．為較大的區域提供業務，因此建設速度快。

　　4)建設成本低。平流層高空平臺的發射、回收、監測可以利用一般的民用系統，不需要特殊、龐大的發射基地。據估算，1個平流層高空平臺的造價相當於1顆衛星的l／lO。

　　5)容量大、時延短。現在微波通信領域中，支持交叉極化干擾抵消器(Cross—PotarisationInter—ferenceCounteracter．XPIC)技術．採用256QAM的毫米波段商用設備，單載頻(56MHz)的傳送容量已達1．2Gbit／s，且有進一步提升的潛力。因此，HAPs將可採用毫米波段與地面實現大容量高速傳輸。此外，由於HAPs距地面很近，傳輸時延較低軌衛星更短．與地面通信迂迴數十到數百千米路徑的時延相差無幾。

　　6)承載業務豐富。平流層通信技術可以國內使用，也可以越洋國際使用。業務方式可以是數字電話、傳真、電子郵件、視頻視聽等，通過平流層通信技術的空中站網點，可使其無線業務與所有互聯網和公眾電信網互通，以滿足13後移動互聯網和泛在網高速發展的需要。

　　7)便於回收。平流層的高空平臺可以回收再使用，對環境不會產生污染，也不會像衛星失效後成為太空垃圾。另外，平臺若出現故障返回地面維修比衛星系統方便，衛星系統一旦發生故障．容易引發災難性後果。

　　平流層通信擁有巨大的優勢，目前也取得了可喜的研究成果，但仍然有一些關鍵技術問題有待解決。

　　1)平流層大氣特性：各地上空平流層大氣動態特性的調查分析及研究

　　2)系統水平需求：平流層網路作為寬頻通信服務將需要重新思考蜂窩類型服務的基本設計，主要是頻率計劃，頻率重用模式。這種網路體繫結構需要進一步開拓，包括終端間的交付，平流層平臺問的通信以及平臺和衛星的通信。平流層通信系統移動無線體繫結構和協議框架等。平流層通信系統所提供的業務與現有業務的兼容性。

　　3)資源分配和網路協議：在平流層環境下，通道和資源分配方案需要被研究．並且應該考慮系統的拓撲結構和模型代碼方案，最適當的MAC協議和網路協議等。

　　4)平臺穩定：在各種環境下，平臺保持穩定是一個主要的挑戰在各種通信服務中，也起著至關重要的影響。

　　5)雨雪衰落：毫米波段的雨雪衰落特性及解決辦法。

　　平流層通信的應用價值已經引起各國的重視，美國、歐洲、日本、以色列等國家和地區已經投入大量的經費，積極開展平流層通信的技術研究，一些發展中國家也積極響應，ITU也給出相關定義和工作頻段。從總體上看，國內外平流層通信技術還處於關鍵技術攻關和演示驗證階段。

　　2005年，美國空軍航天司令部在亞利桑那州上空對戰鬥天星(CombatSkySat)的簡易樣機進行了l2次飛行試驗，並取得成功。試驗中，2個充氦自由氣球在20km的高空飛行了8h，將美國空軍信息作戰實驗室研製的藍軍跟蹤轉發器PRC148的通信距離由18．5km擴展到555km．覆蓋範圍與伊拉克國土面積相當。試驗表明，這種平流層通信能夠提供近空間通信支援。可作為衛星和無人機的補充。

　　日本提出把平流層系統與其他地面寬頻系統相結合的方案。計劃用100—200個平臺構成一個覆蓋日本全境的網格形網路，每個平臺覆蓋面積為40~d0km(劃分為64個直徑5km的蜂窩)，相鄰的平臺用光通道相連，通信容量極大，魯棒性好，因為從信源至任何終端都有很多路由可供選擇。這種網路的用途也很廣，採用30GHz頻段時，可適用於144kbit／s的移動終端、32Mbit／s的攜帶型終端、高於620Mbit／s的固定終端。這種平臺系統還可以實現通過無線接入直接把信息送達各種用戶終端，解決“最後～千米”問題，其價格遠低於光纖到戶，是一種具有極高競爭力的建設信息基礎設施的新型通信體系。

　　我國一些單位已經能夠研製較小的氣球或飛艇，利用氣球或飛艇進行高空探測、武警巡邏及國防應用等。如北航研製的飛艇曾作為特種起重工具用於架運葛洲壩的過江設備、物資。中科院空間中心也研製過飛艇的能力和經驗，以用於高空探測。

　　平流層通信系統由於其獨特的技術優點和良好的性價比。將具有廣闊的應用前景平流層通信系統可以在通信業務繁忙、電磁波場強變化複雜、網路規劃與移動基站配置日益困難的大城市使用，以緩解急劇膨脹的通信業務量對現有通信設施的壓力，進而滿足寬頻移動多媒體通信的需要。

　　在地形複雜、人煙稀少的欠發達地區，由於成本高、施工困難、投資回報周期長等原因，常規地面通信系統不可能很快部署，此時可以採用平流層通信系統，提供大範圍、低費用的無線接入服務。解決當地通信條件落後的狀況，縮短與發達地區的差距。

　　1.寬頻無線接入

　　隨著無線通信技術的迅速發展，一種提供容量接近於有線光纖的新型無線通信技術異軍突起，這就是固定寬頻無線接入技術。由於固定寬頻無線接入技術具有更高帶寬和雙向數據傳輸的特點，可提供多種寬頻互動式數據及多媒體業務，剋服傳統的本地環路的瓶頸．能滿足用戶高速率數據和圖像通信日益增長的要求，因此是解決通信網接入的利器。

　　在平流層通信系統中，一方面由於平臺使用的通信頻譜較高(通常為47／48GHz)，另一方面由於平臺能實現較高的頻率復用(信息平臺可以產生700個六邊形蜂窩小區，若每7個小區重覆使用一次頻段．則頻段再用率可達100)，因此其帶寬較大；同時平臺相對穩定．所以平流層通信系統是一種理想的同定寬頻接人技術，可以滿足寬頻移動多媒體通信的需要。

　　2.手機通信

　　平流層通信對發展下一代移動通信(3G、4G)，及當前的移動通信(2G)提供了機會。一個單一的平臺能夠比地面基站提供更大範圍的服務．特別在地形複雜、人煙稀少的欠發達地區，由於成本高、施工困難、投資回報周期長等原因，常規地面通信系統不可能很快部署．此時可以採用平流層通信系統．在一個大的地區可以快速部署，不需要大量地面基站的安裝，提供大範圍、低費用的無線接入服務，解決當地通信條件落後的狀況，縮短與發達地區的差距。

　　3.緊急事件或災難事件中的應用

　　由於平流層平臺具有快速部署的特點，因此特別適合於緊急事件或災難事件，例如遇到自然災害或突發事件，可以臨時升空或緊急調度一個平流層通信平臺到事發地上空，為散佈在現場的工作人員提供迅速可靠的通信聯絡保障。

　　4.軍事通信

　　平流層通信用於軍事通信的優勢是明顯的，因為它們有快速部署的能力。在已經存在的軍事網路中，平流層平臺可以作為一個節點，或者作為一個替代衛星(在這種情況下，攜帶衛星負載並且和傳統的衛星通信終端通信)。除了提供通信能力外，另一個好處是距離地面較近，因此終端需要較少的能源，有利於終端小型化。

　　隨著感測器技術、新材料技術領域取得進展，平流層通信的軍事利用價值越來越大。平流層通信平臺在情報、監視、偵察、通信中繼、預警與導航、電子戰方面比地面系統和衛星系統更具優勢。