1.2 空基协同传输系统概述

随着当前无线通信系统的快速发展，越来越需要更高的频谱利用率、更大的系统容量、更灵活的网络覆盖和更低的建设成本等。然而目前的无线通信平台主要有地面平台和卫星平台，都存在各自的缺陷。例如，地面平台实现大范围覆盖的投资大、建设成本高、配置不灵活，在城市建设密集区存在严重的信道衰落；卫星平台则存在着终端成本高、星载设备更新维修困难、系统容量有限等问题。在这样的背景下，全新的高空通信平台的研究得到了日益广泛的关注，成为无线通信领域的一个研究热点[6]。

基于高空平台的空基无线通信系统是目前国际上正处于研究阶段的新型通信系统。高空平台的载体主要有系留气球和飞艇两种，前者的高度一般在10 km以下，后者一般位于20～50 km高空的平流层。平流层位于大气层中的对流层之上，这个区域空气稀薄，密度为海平面的百分之几，浮力很小，但气流比较稳定，且风力较小，是比较理想的部署高空悬停飞艇的空域[7]。

平流层通信的概念提出于第二次世界大战期间，20世纪 70年代开始引起广大科技工作者的重视。随着若干关键技术的突破和科技水平的整体进步，近几年形成了研究、开发热点。美国NASA、SKYTOWER等公司在政府的大力支持下，计划部署平流层平台，用于安全等目的。日本以平流层通信平台开发协会为主导，利用平流层平台进行数字高清晰度电视转播并进行IMT-2000的网络搭建。欧洲的平流层通信项目受到了欧洲航天局和各国政府的资助，进行着平流层宽带通信方面的研究。德国航空航天中心已于2004年成功实现从大气平流层中飘浮的气球到地面之间的大数据量传输。韩国与美国合作，将平流层通信的研究分为三个阶段，进展迅速。在我国，清华大学使用氦气飞艇在300 m高空持续飞行2 h来演示视频会议系统[8]。北京大学成立了专门研究太阳能飞行器的专业机构，迄今已经完成开发具有独立知识产权的太阳能平流层悬浮平台系统。虽然在该领域的研究已有不少成果，但目前尚未推出统一的国际标准。

和通信卫星相比，平流层平台与地面的距离是同步卫星的1/1 800，自由空间衰减和延迟时间大为减少，利于通信终端的小型化、宽带化，且成本低、建设快、可回收、维护和维修方便。与地面蜂窝系统相比，平流层平台的覆盖范围远大于地面蜂窝系统，而且信道条件（按Rice衰减）优于地面系统（按Rayleigh衰减）。平流层平台既适用于城市，成为地面移动通信系统的有效补充，也可用于海洋、山区等地面移动通信系统不便部署的地区，还可以迅速转移，用于战场区域或者发生自然灾害地区（如洪水）的监测和通信。从长远来看，高空平台通信系统还有可能成为除地面移动通信系统和卫星通信系统之外的第三个无线通信系统。

目前的高空平台移动通信研究一般以第三代移动通信（3G）技术为背景[9]，主要采用CDMA技术。第三代移动通信在空中接口、系统架构、开放性等诸多问题上仍然存在很多不足。随着通信用户数的不断增多，业务量不断上升以及对通信质量的要求不断提高，使得制定更高速率、更大容量、系统更加完备和开放的新一代移动通信体制迫在眉睫，一般称新一代的移动通信系统为后三代（B3G）或四代（4G）。

图1-2描述了一个典型的高空平台通信场景，下面具体分析高空平台的优势[10]。

（1）覆盖范围大（相对于地面移动系统）

一般高空平台覆盖范围的半径为几十千米，然而地面移动系统的覆盖范围半径为几千米左右。

（2）灵活应对大容量的需求

因为高空平台可以在覆盖范围内集中支持蜂窝系统架构，并且可以灵活地进行频率复用和设置蜂窝尺寸大小。因此，在高空平台系统中可以合理地采用分配资源的方式，以应对系统网络大容量的需求。

（3）成本较低（相对于卫星系统）

相对于地球静止轨道卫星和低轨卫星组成的星座网络，高空平台在网络组建和平台发射的成本会大大降低。同时，对于某些需要建设大量基站设施的地面移动通信网络，高空平台的成本也相对较低。

（4）迅速部署

高空平台能够在几天之内甚至几小时之内快速地发射和部署。这种优势使得高空平台非常适合在应急和受灾环境中使用。

（5）平台和载荷更新升级

高空平台能够在平流层使用若干年，期间平台可以降落至地面进行维护和升级，显然这种优势在卫星系统中较难实现。

然而，高空平台的工程实现和商业化进程也面临着一些困难和挑战。

（1）载荷的质量和体积

相对于地面移动系统，高空平台系统有效载荷的体积和质量非常有限。有效载荷的限制会使得高空平台提供的系统容量受限，即使其能够覆盖较大的地理范围。

（2）动力供应

对于任何航空系统，动力供应都是一个普遍的约束条件。对于无人机类型的高空平台主要是靠燃料提供动力。那么动力系统如何满足通信载荷的需要是高空平台面临的一大挑战。长时间运行的飞艇类型的高空平台系统主要靠太阳能提供动力。在白天，光能发电板会将太阳能转换为电能以维持高空平台的稳定性和通信载荷，多余的电量会存储起来在夜间使用。然而，当前的燃料电池技术还不够成熟，光能发电板的效率也有待提高。

为了支持高空平台的部署和实现，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）已经将高空平台通信系统作为实现国际移动电话系统-2000（International Mobile Telecom System-2000，IMT-2000）无线通信服务的备选方案。关于高空平台的频谱分配情况具体见表1-1，可以看出ITU已经将48GHz频段（世界范围）和31/28GHz频段（部分选定的国家）分配给高空平台通信系统[11,12]。同时，ITU还将 3G 系统使用的频段分配给高空平台系统使用[13]。因此，将高空平台融入最终的3G通信部署的网络中是一项新兴的、具有前瞻性的工作。

高空平台能够为固定的或移动的、个人的或集团的用户提供各种各样的服务和应用，因此也要符合现有的无线标准协议或是制定与自身相符的协议，这样才能使得更多的用户终端使用高空平台。目前，关于高空平台还没有确定的标准协议，国际电信联盟无线电通信组（ITU-R）规定了高空平台在作为3G基站提供通信服务时的使用频率为2GHz。然而，现实的宽带固定接入和移动无线接入的频段都提高到了毫米波频段。更确切地说，频率是31/28GHz和48/47GHz。在这些频段内有一些候选标准可以采纳[14]，特别是IEEE 802系列标准（IEEE 802.11、IEEE 802.16和IEEE802.20），数据业务接口规范标准（Data Over Cable Service Interface Specification，DOCSIS），包括多路微波分配系统（Multichannel Microware Distribution System，MMDS）和本地多点分布式业务（Local Multipoint Distribution Service，LMDS），此外还有一些数字视频广播（Digital Video Broadcasting，DVB）标准，如DVB-S/S2和DVB-RCS。

目前，世界上已有多个国家积极地开展高空平台的科研项目，包括已经完成的HeliNet项目[15]和正在进行的CAPANINA项目[16]。其中，HeliNet项目从2000年1月开始实施，到2003年5月结束，其成果已经写入了第五次欧盟委员会框架计划。同时一个名为Heliplat 的大规模计划也已经开始实施，主要实现三个试验性应用：宽带通信、环境监测和远程遥感。这也是有史以来欧盟第一次资助关于高空平台的项目。CAPANINA项目是由欧洲委员会资助，为了进一步开发适用于高空平台系统的无线和光学的宽带技术。它的目标是能够为在偏远地理位置的用户、远离地面通信设施的用户和在高速运行的列车上的用户提供有效的网络覆盖和低成本的宽带通信服务。同时该项目要求在 60 km 的覆盖范围内传输数据达到120 Mbit/s，毫米波技术和自由空间的光通信技术成为该项目的研究重点。

高空平台目前的角色是作为候选技术，为世界上最好的两个通信系统——地面移动通信系统和卫星系统提供支持和补充。这就要求高空平台系统具有高效的频谱复用技术以保证系统的高频谱效率。因此，将高空平台融入移动蜂窝网络实现频率复用是高空平台研究的热点。另外，上述高空平台使用的频段也会被其余的系统使用，因此也有学者研究了高空平台与其余系统频谱共享的问题[17]。值得强调的是，阵列天线几乎是实现高空平台的最优选择。只有通过天线阵列实现多波束指向，才能保证在高空平台存在随机飘动情况下实现多小区的稳定覆盖。因此，为了让高空平台为地面提供通信服务，更关键的是合理地设计高空平台的多波束天线阵列以及基于天线阵列的多小区规划。与其他系统略有区别的是，高空平台将会面临更差的稳定性和空中定位，这就需要更加精准地设计高空平台和地面接收端，以保证天线的波束能够维持正确的指向，从而维持稳定的通信链路。

相对于地面移动网络，高空平台最显著的优势便是它生成的蜂窝网络可以定期地在一定区域内移动，因此其覆盖范围不会受到地理条件的约束。由于高空平台的覆盖面积大，因此多个蜂窝小区可以同时来源于同一个高空平台，这样可以有效提高通信资源的利用率。另外，高空平台与地面无线网络共存系统将会带来无线电网络规划和避免系统间干扰等新的课题。地面蜂窝的网络覆盖主要会受到建筑物、树木和丘陵等物体的影响，然而高空平台的网络覆盖仅由天线的方向决定。因此，高空平台虽然可以作为辅助通信系统，但代价是它会对地面蜂窝网络造成更强的干扰。这些问题最近被广泛地研究和讨论，比较主流的解决思路是采用认知无线电技术和动态频谱感知技术。这两种技术在避免干扰问题上是极具潜力的解决方案，因此该领域研究发展也会促进高空平台系统的商用化进程。