环形小区在高空平台通信系统中的应用范文

摘要：

受风力等因素影响高空平台（HAP）仅能维持在一种准静止状态，旋转是HAP摄动的重要一种。采用常规的蜂窝网络时，平台旋转会造成大量用户链路的频繁切换，严重影响通信性能。而环形小区可以有效地解决由于平台旋转造成的通信切换问题。本文通过仿真分析了平台旋转对高空平台通信系统性能的影响，提出采用环形小区的必要性，并对HAP的环形小区覆盖方案和复用方式进行了设计，同时研究了环形小区的实现方式，对垂向阵列天线产生环形小区进行了仿真，仿真结果验证了环形小区实现的可行性。

关键词：

高空平台；摄动；切换；环形小区；垂向阵列

1引言

高空平台（HAP）通信系统也称为临近空间平台通信系统或平流层通信系统，是近年来受到广泛研究的新兴无线通信系统。高空平台通信系统利用HAP搭载一定有效载荷，提供类似低轨卫星的通信服务。HAP一般飞行在平流层区域，高度在20～30km之间［1］，具有生存能力强、滞空工作时间长、效费比高等优点，可以增强高时效要求的紧急任务执行能力，具有全天候工作能力及显著的区域性应用优势［2］。高空平台通信系统作为未来空天信息网的重要一环，在通信需求与日剧增的今天，受到了世界各国越来越高的重视［3］。与卫星通信系统相比，其传播距离短、传播损耗少、延时小、所需发射功率低，有利于实现宽带传输和通信终端的小型化；与陆地通信系统相比，其机动灵活，可快速部署，迅速建立应急通信网络，因此具有很好的发展前景和潜力。由于HAP与低轨卫星在覆盖方式上的相似性，目前的HAP通信系统其地面网络覆盖方案以蜂窝网络为主，最有代表性的是ITU提出的两种方案：均匀覆盖和分层覆盖［4］方案。很多文献对ITU提出的方案进行了改进和研究［5－8］，但仍然属于蜂窝网络方案。HAP与地面基站不同，易受到风力等自然因素的影响，不能长时间保持静止状态，而是处在摄动状态之中。平台摄动将导致用户通信链路质量不稳定，发生切换的概率和频率增加［9］，这其中影响最大的摄动之一是平台旋转。常规的蜂窝网络对平台旋转的适应性极差，会造成大量用户的频繁切换，严重影响网络性能。为了避免平台旋转引起的频繁切换，一种理想的方案是采用环形小区［10］，目前国内外对于环形小区的研究很少［11－12］。本文通过分析平台旋转对通信性能的影响提出在HAP通信系统中采用环形小区的优越性，给出了HAP环形小区覆盖方案，并对环形小区实现的可行性进行了仿真，为HAP通信系统蜂窝网中难以解决的旋转切换问题提供了一种可行的实现方案。

2平台旋转对通信性能的影响分析

HAP摄动可以分为4类：水平位移、垂直位移、摆动和旋转，其中又以旋转造成的影响最为严重［13］。旋转会造成短时间内用户的大量切换，造成资源浪费并有可能使用户掉话。如果采用蜂窝网络，当平台绕中心进行旋转时，假设所有蜂窝形状不变，大小不变，则中心波束的覆盖范围没有发生变化，但波束的覆盖范围会发生旋转，造成用户通信发生切换。距离平台中心不同距离的子波束内可能引起的切换概率不同。由几何知识可知，同等旋转角度的条件下，越远离平台的波束受平台旋转的影响较大。建立简化的平台旋转切换概率计算模型，如图2所示。d0为外层波束中心距离平台正下方投影中心的距离，R为波束覆盖半径，θ1为平台旋转角度，A为旋转前后两个波束覆盖边界的交点，O为波束中心初始位置，O’为旋转后的波束中心位置。OA与OO’之间的夹角为θ2。则有根据ITU议案，单个HAP的通信服务半径应在150km以上［4］。在满足此要求的情况下，按两种波束覆盖方案对切换概率进行仿真。方案一：按照最少的两层蜂窝7个波束设计（如图1），每个波束半径为60km，外层波束与中心的距离d0为90km；方案二：多层波束覆盖方案，每个波束为半径10km的小波束，最外层波束与中心距离d0为140km。设平台旋转角度θ1的取值为0．1～1°之间，得到两种方案下的切换概率对摆动角度变化。可以看出，即使按最少的两层波束设计，平台旋转1°时切换概率可以到达1．8％，而波束越小，外层波束中心距离平台中心越远，发生切换的概率越高，在采用10km半径的小波束时，平台旋转1°时切换概率可以到达15．5％，需要浪费大量资源来保证用户的切换，会大大降低系统容量。实际情况中，平台不可能仅仅在1°范围内旋转，蜂窝小区的数量也在102数量级，可见平台旋转带来的通信性能下降问题十分严重。除此之外，在多平台组网时，平台旋转还会造成蜂窝网络中原频率复用机制失效，同频干扰严重。目前，HAP控制技术还没有办法完全解决平台的摄动，在这种情况下，采用环形小区方案可以降低对平台控制精度的要求，有效解决旋转引起的通信切换和掉话问题。

3HAP环形小区覆盖方案

环形小区覆盖由N个同心环小区组成，其几何结构如图4所示，除了中心小区为圆形小区之外，其他每个小区均为环形小区。处在一个环形小区内的用户使用同一频段，不同环形小区间频段不同。平台旋转时，波束覆盖的小区范围并不随之旋转，用户位置无需更新，不存在越区的情况，这样就可以有效地避免通信切换，从而从结构上解决了平台旋转带来的一系列问题。类似于蜂窝网络，当用户数量增加时，环形小区也需要采取频率复用以增大网络容量，提高资源利用率。蜂窝网络采用正六边形作为基本覆盖单元，受几何结构的约束，其复用方式只有3色、4色和7色复用3种，图5是7色复用示意图，可以看出每个蜂窝小区有6个邻居小区。环形小区则不同，在单平台覆盖下，网络中每个环形小区通常只有2个邻居小区，理论上它的复用因子最低可为2，即2色复用，此时资源利用率最高。实际设计时，复用因子能否为2主要考虑小区间的同频干扰和邻频干扰，只有当干扰值小于门限值时才可使用2色复用，否则就需要增大复用因子，提高复用距离，采用3色复用、4色复用甚至更多。多平台组网运行时，大的环形小区簇构成环形网络，其复用可以采用蜂窝和环形结合的方式，平台内采用环形结构，平台间的位置结构采用蜂窝结构。考虑到多平台组网时，3平台交界处的小区频率应当不同，此时的复用因子至少在3以上，即至少为3色复用。实际设计时同样需要根据网络参数计算各小区的同频干扰和邻频干扰，结合网络对通信质量的需求确定复用方式。图6给出了一种6色复用方案，不同的数字代表使用不同频率的小区，图中可以看作是每个子平台覆盖下的最外层6个小区之间的位置关系。在这种方案中，平台覆盖内的小区同频复用距离为6个小区半径，平台覆盖间小区同频复用距离为3个小区半径。对环形小区的进一步分析可知，环形小区除了能够解决平台旋转带来的问题之外，在其它摄动或者是终端移动造成切换时，由于切换边界通常只由2个小区组成（仅在多平台组网时存在较少的3区切换场景），而不像蜂窝网络中存在较多3小区相交的情况，因此其切换场景也比蜂窝网络要更为简单。并且由于各个环的宽度可以不等，使得它可以针对不同用户密度区域设置不同宽度，具有一定的灵活性。在多平台组网运行时，各平台内小区宽度和数量可以独立设计，而不影响系统构成。

4环形小区的实现方式

早期人们考虑采用多波束扫描天线来实现环形小区［10］。扫描天线的实际覆盖为椭圆小区，当它按照一定速率旋转（机械扫描）时，就可实现环形小区覆盖。这种方式原理简单，属于早期的天线技术，它的缺点也很明显：系统性能受到扫描速率和波束重访时间的限制，且用户始终是近似的处于环形小区覆盖之下，其通信本身就要不断地接入－断线－接入。所以尽管环形小区具有很好的性能，但由于其实现复杂，一直没有在HAP平台中得到应用。近期有人提出了利用垂向阵列天线实现环形小区［12］，本文对这种方式进行了仿真，以验证可行性。均匀垂向阵列天线示意图如图7所示［14］，在垂直方向上放置了N个阵元，阵元间距为d。假设信号入射俯仰角为θ，方位角为φ，得到其方向图函数为θ0为波束中心指向俯仰角。从上式可以看出，在波束指向确定后，方向图与方位角φ无关，由此可以产生围绕Z轴均匀辐射的环形功率模型。假设天线阵元20，阵元间距d为1／4波长，θ0为π／3，对垂向阵列的方向图进行仿真，结果如图8所示。可以看出，采用垂向阵列天线时，无需转动天线，也可产生均匀环状波束，从而实现环形小区形状的覆盖。相较于波束扫描天线，这种天线复杂度低，使得在HAP平台上实现环形波束成为可能。

5结论

高空平台通信系统相对于地面蜂窝通信系统和卫星通信系统相比具有其独特的优势，尤其是在应急通信领域，因此得到了各国的广泛重视。但是，在HAP通信系统中面临的难题之一就是平台的不稳定。平台的位移、摆动、旋转等摄动会对通信性能造成重大影响。本文研究的环形小区覆盖方式，可以有效地避免平台旋转造成的通信切换问题，同时也简化了在其他摄动时的切换场景，对减小平台位置保持与修正，减小平台功率控制，保证系统容量与性能等方面具有重要的意义。

参考文献

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［2］张海林，周林，马骁，等．临近空间飞行器发展现状及军事应用研究［J］．飞航导弹，2014（7）：3－7．

［3］金山，吴翔宇，倪淑燕．两种接入协议在临近空间通信网中的应用分析［J］．电子测量技术，2015，38（7）：135－138

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［7］管明详，王乐，郭庆．HAPS通信多层环形小区结构设计［J］．北京邮电大学学报，2014，37（2）：48－52．

［8］游思晴．平流层CDMA移动通信蜂窝网的性能研究［D］．北京：北京邮电大学，2012．

［9］管明祥，郭庆，顾学迈．高空平台不稳定性对HAPS通信性能影响建模与分析［J］．电子学报，2012，10：1948－1953．

［14］何楠．基于MATLAB仿真的均匀直线阵列天线信号处理研究［C］／／2010中国仪器仪表与测控技术大会论文集，2010：164－166．

作者：吴翔宇 金山 倪淑燕 单位：装备学院光电装备系