環(huán)形小區(qū)在高空平臺通信系統(tǒng)中的應(yīng)用范文

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摘要：

受風(fēng)力等因素影響高空平臺（HAP）僅能維持在一種準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)是HAP攝動的重要一種。采用常規(guī)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)時，平臺旋轉(zhuǎn)會造成大量用戶鏈路的頻繁切換，嚴(yán)重影響通信性能。而環(huán)形小區(qū)可以有效地解決由于平臺旋轉(zhuǎn)造成的通信切換問題。本文通過仿真分析了平臺旋轉(zhuǎn)對高空平臺通信系統(tǒng)性能的影響，提出采用環(huán)形小區(qū)的必要性，并對HAP的環(huán)形小區(qū)覆蓋方案和復(fù)用方式進(jìn)行了設(shè)計，同時研究了環(huán)形小區(qū)的實(shí)現(xiàn)方式，對垂向陣列天線產(chǎn)生環(huán)形小區(qū)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了環(huán)形小區(qū)實(shí)現(xiàn)的可行性。

關(guān)鍵詞：

高空平臺；攝動；切換；環(huán)形小區(qū)；垂向陣列

1引言

高空平臺（HAP）通信系統(tǒng)也稱為臨近空間平臺通信系統(tǒng)或平流層通信系統(tǒng)，是近年來受到廣泛研究的新興無線通信系統(tǒng)。高空平臺通信系統(tǒng)利用HAP搭載一定有效載荷，提供類似低軌衛(wèi)星的通信服務(wù)。HAP一般飛行在平流層區(qū)域，高度在20～30km之間［1］，具有生存能力強(qiáng)、滯空工作時間長、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，可以增強(qiáng)高時效要求的緊急任務(wù)執(zhí)行能力，具有全天候工作能力及顯著的區(qū)域性應(yīng)用優(yōu)勢［2］。高空平臺通信系統(tǒng)作為未來空天信息網(wǎng)的重要一環(huán)，在通信需求與日劇增的今天，受到了世界各國越來越高的重視［3］。與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，其傳播距離短、傳播損耗少、延時小、所需發(fā)射功率低，有利于實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸和通信終端的小型化；與陸地通信系統(tǒng)相比，其機(jī)動靈活，可快速部署，迅速建立應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，因此具有很好的發(fā)展前景和潛力。由于HAP與低軌衛(wèi)星在覆蓋方式上的相似性，目前的HAP通信系統(tǒng)其地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案以蜂窩網(wǎng)絡(luò)為主，最有代表性的是ITU提出的兩種方案：均勻覆蓋和分層覆蓋［4］方案。很多文獻(xiàn)對ITU提出的方案進(jìn)行了改進(jìn)和研究［5－8］，但仍然屬于蜂窩網(wǎng)絡(luò)方案。HAP與地面基站不同，易受到風(fēng)力等自然因素的影響，不能長時間保持靜止?fàn)顟B(tài)，而是處在攝動狀態(tài)之中。平臺攝動將導(dǎo)致用戶通信鏈路質(zhì)量不穩(wěn)定，發(fā)生切換的概率和頻率增加［9］，這其中影響最大的攝動之一是平臺旋轉(zhuǎn)。常規(guī)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)對平臺旋轉(zhuǎn)的適應(yīng)性極差，會造成大量用戶的頻繁切換，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)性能。為了避免平臺旋轉(zhuǎn)引起的頻繁切換，一種理想的方案是采用環(huán)形小區(qū)［10］，目前國內(nèi)外對于環(huán)形小區(qū)的研究很少［11－12］。本文通過分析平臺旋轉(zhuǎn)對通信性能的影響提出在HAP通信系統(tǒng)中采用環(huán)形小區(qū)的優(yōu)越性，給出了HAP環(huán)形小區(qū)覆蓋方案，并對環(huán)形小區(qū)實(shí)現(xiàn)的可行性進(jìn)行了仿真，為HAP通信系統(tǒng)蜂窩網(wǎng)中難以解決的旋轉(zhuǎn)切換問題提供了一種可行的實(shí)現(xiàn)方案。

2平臺旋轉(zhuǎn)對通信性能的影響分析

HAP攝動可以分為4類：水平位移、垂直位移、擺動和旋轉(zhuǎn)，其中又以旋轉(zhuǎn)造成的影響最為嚴(yán)重［13］。旋轉(zhuǎn)會造成短時間內(nèi)用戶的大量切換，造成資源浪費(fèi)并有可能使用戶掉話。如果采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)平臺繞中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時，假設(shè)所有蜂窩形狀不變，大小不變，則中心波束的覆蓋范圍沒有發(fā)生變化，但外圍波束的覆蓋范圍會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，造成用戶通信發(fā)生切換。距離平臺中心不同距離的子波束內(nèi)可能引起的切換概率不同。由幾何知識可知，同等旋轉(zhuǎn)角度的條件下，越遠(yuǎn)離平臺的波束受平臺旋轉(zhuǎn)的影響較大。建立簡化的平臺旋轉(zhuǎn)切換概率計算模型，如圖2所示。d0為外層波束中心距離平臺正下方投影中心的距離，R為波束覆蓋半徑，θ1為平臺旋轉(zhuǎn)角度，A為旋轉(zhuǎn)前后兩個波束覆蓋邊界的交點(diǎn)，O為波束中心初始位置，O’為旋轉(zhuǎn)后的波束中心位置。OA與OO’之間的夾角為θ2。則有根據(jù)ITU議案，單個HAP的通信服務(wù)半徑應(yīng)在150km以上［4］。在滿足此要求的情況下，按兩種波束覆蓋方案對切換概率進(jìn)行仿真。方案一：按照最少的兩層蜂窩7個波束設(shè)計（如圖1），每個波束半徑為60km，外層波束與中心的距離d0為90km；方案二：多層波束覆蓋方案，每個波束為半徑10km的小波束，最外層波束與中心距離d0為140km。設(shè)平臺旋轉(zhuǎn)角度θ1的取值為0．1～1°之間，得到兩種方案下的切換概率對擺動角度變化。可以看出，即使按最少的兩層波束設(shè)計，平臺旋轉(zhuǎn)1°時切換概率可以到達(dá)1．8％，而波束越小，外層波束中心距離平臺中心越遠(yuǎn)，發(fā)生切換的概率越高，在采用10km半徑的小波束時，平臺旋轉(zhuǎn)1°時切換概率可以到達(dá)15．5％，需要浪費(fèi)大量資源來保證用戶的切換，會大大降低系統(tǒng)容量。實(shí)際情況中，平臺不可能僅僅在1°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，蜂窩小區(qū)的數(shù)量也在102數(shù)量級，可見平臺旋轉(zhuǎn)帶來的通信性能下降問題十分嚴(yán)重。除此之外，在多平臺組網(wǎng)時，平臺旋轉(zhuǎn)還會造成蜂窩網(wǎng)絡(luò)中原頻率復(fù)用機(jī)制失效，同頻干擾嚴(yán)重。目前，HAP控制技術(shù)還沒有辦法完全解決平臺的攝動，在這種情況下，采用環(huán)形小區(qū)方案可以降低對平臺控制精度的要求，有效解決旋轉(zhuǎn)引起的通信切換和掉話問題。

3HAP環(huán)形小區(qū)覆蓋方案

環(huán)形小區(qū)覆蓋由N個同心環(huán)小區(qū)組成，其幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示，除了中心小區(qū)為圓形小區(qū)之外，其他每個小區(qū)均為環(huán)形小區(qū)。處在一個環(huán)形小區(qū)內(nèi)的用戶使用同一頻段，不同環(huán)形小區(qū)間頻段不同。平臺旋轉(zhuǎn)時，波束覆蓋的小區(qū)范圍并不隨之旋轉(zhuǎn)，用戶位置無需更新，不存在越區(qū)的情況，這樣就可以有效地避免通信切換，從而從結(jié)構(gòu)上解決了平臺旋轉(zhuǎn)帶來的一系列問題。類似于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)用戶數(shù)量增加時，環(huán)形小區(qū)也需要采取頻率復(fù)用以增大網(wǎng)絡(luò)容量，提高資源利用率。蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用正六邊形作為基本覆蓋單元，受幾何結(jié)構(gòu)的約束，其復(fù)用方式只有3色、4色和7色復(fù)用3種，圖5是7色復(fù)用示意圖，可以看出每個蜂窩小區(qū)有6個鄰居小區(qū)。環(huán)形小區(qū)則不同，在單平臺覆蓋下，網(wǎng)絡(luò)中每個環(huán)形小區(qū)通常只有2個鄰居小區(qū)，理論上它的復(fù)用因子最低可為2，即2色復(fù)用，此時資源利用率最高。實(shí)際設(shè)計時，復(fù)用因子能否為2主要考慮小區(qū)間的同頻干擾和鄰頻干擾，只有當(dāng)干擾值小于門限值時才可使用2色復(fù)用，否則就需要增大復(fù)用因子，提高復(fù)用距離，采用3色復(fù)用、4色復(fù)用甚至更多。多平臺組網(wǎng)運(yùn)行時，大的環(huán)形小區(qū)簇構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，其復(fù)用可以采用蜂窩和環(huán)形結(jié)合的方式，平臺內(nèi)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，平臺間的位置結(jié)構(gòu)采用蜂窩結(jié)構(gòu)。考慮到多平臺組網(wǎng)時，3平臺交界處的小區(qū)頻率應(yīng)當(dāng)不同，此時的復(fù)用因子至少在3以上，即至少為3色復(fù)用。實(shí)際設(shè)計時同樣需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算各小區(qū)的同頻干擾和鄰頻干擾，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)對通信質(zhì)量的需求確定復(fù)用方式。圖6給出了一種6色復(fù)用方案，不同的數(shù)字代表使用不同頻率的小區(qū)，圖中可以看作是每個子平臺覆蓋下的最外層6個小區(qū)之間的位置關(guān)系。在這種方案中，平臺覆蓋內(nèi)的小區(qū)同頻復(fù)用距離為6個小區(qū)半徑，平臺覆蓋間小區(qū)同頻復(fù)用距離為3個小區(qū)半徑。對環(huán)形小區(qū)的進(jìn)一步分析可知，環(huán)形小區(qū)除了能夠解決平臺旋轉(zhuǎn)帶來的問題之外，在其它攝動或者是終端移動造成切換時，由于切換邊界通常只由2個小區(qū)組成（僅在多平臺組網(wǎng)時存在較少的3區(qū)切換場景），而不像蜂窩網(wǎng)絡(luò)中存在較多3小區(qū)相交的情況，因此其切換場景也比蜂窩網(wǎng)絡(luò)要更為簡單。并且由于各個環(huán)的寬度可以不等，使得它可以針對不同用戶密度區(qū)域設(shè)置不同寬度，具有一定的靈活性。在多平臺組網(wǎng)運(yùn)行時，各平臺內(nèi)小區(qū)寬度和數(shù)量可以獨(dú)立設(shè)計，而不影響系統(tǒng)構(gòu)成。

4環(huán)形小區(qū)的實(shí)現(xiàn)方式

早期人們考慮采用多波束掃描天線來實(shí)現(xiàn)環(huán)形小區(qū)［10］。掃描天線的實(shí)際覆蓋為橢圓小區(qū)，當(dāng)它按照一定速率旋轉(zhuǎn)（機(jī)械掃描）時，就可實(shí)現(xiàn)環(huán)形小區(qū)覆蓋。這種方式原理簡單，屬于早期的天線技術(shù)，它的缺點(diǎn)也很明顯：系統(tǒng)性能受到掃描速率和波束重訪時間的限制，且用戶始終是近似的處于環(huán)形小區(qū)覆蓋之下，其通信本身就要不斷地接入－斷線－接入。所以盡管環(huán)形小區(qū)具有很好的性能，但由于其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，一直沒有在HAP平臺中得到應(yīng)用。近期有人提出了利用垂向陣列天線實(shí)現(xiàn)環(huán)形小區(qū)［12］，本文對這種方式進(jìn)行了仿真，以驗(yàn)證可行性。均勻垂向陣列天線示意圖如圖7所示［14］，在垂直方向上放置了N個陣元，陣元間距為d。假設(shè)信號入射俯仰角為θ，方位角為φ，得到其方向圖函數(shù)為θ0為波束中心指向俯仰角。從上式可以看出，在波束指向確定后，方向圖與方位角φ無關(guān)，由此可以產(chǎn)生圍繞Z軸均勻輻射的環(huán)形功率模型。假設(shè)天線陣元20，陣元間距d為1／4波長，θ0為π／3，對垂向陣列的方向圖進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。可以看出，采用垂向陣列天線時，無需轉(zhuǎn)動天線，也可產(chǎn)生均勻環(huán)狀波束，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形小區(qū)形狀的覆蓋。相較于波束掃描天線，這種天線復(fù)雜度低，使得在HAP平臺上實(shí)現(xiàn)環(huán)形波束成為可能。

5結(jié)論

高空平臺通信系統(tǒng)相對于地面蜂窩通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，尤其是在應(yīng)急通信領(lǐng)域，因此得到了各國的廣泛重視。但是，在HAP通信系統(tǒng)中面臨的難題之一就是平臺的不穩(wěn)定。平臺的位移、擺動、旋轉(zhuǎn)等攝動會對通信性能造成重大影響。本文研究的環(huán)形小區(qū)覆蓋方式，可以有效地避免平臺旋轉(zhuǎn)造成的通信切換問題，同時也簡化了在其他攝動時的切換場景，對減小平臺位置保持與修正，減小平臺功率控制，保證系統(tǒng)容量與性能等方面具有重要的意義。

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作者：吳翔宇 金山 倪淑燕 單位：裝備學(xué)院光電裝備系