HAPS通信覆盖及链路特性分析

管明祥 郭 庆 顾学迈

（1.深圳信息职业技术学院电子通信技术系，广东 深圳518029；2.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨150001）

引 言

近20余年来，移动通信的发展非常迅速。移动通信要解决的根本问题是使人们在任何时间和任何地点都能进行各种通信问题，包括在运动中的通信问题。近来，又有一种新的移动通信手段出现，它就是高空平台站（HAPS，high altitude platform stations）通信［1－3］。一般来说，HAPS通信网络是指在近地空间的高度约20～100km，由长驻空间5～10年，准静止、可装载一定规模有效载荷的高空平台（HAP，high altitude platform）所构成的网络，在近地空间范围内使用稳定的通信平台作为微波中继站，与地面控制设备、入口设备以及多种无线用户构成的通信系统，高空平台既可以与卫星地面综合组网，也可以单独与地面组网（图1）。其中通信平台与地球自转保持同步，可长期驻留空中。由于高空平台通信系统具有费用低、部署快速、地面设备少、使用灵活、回收方便等特点，在战场上空可迅速建立起空中信息收集和交换通道，将战地信息迅速、准确地传输到作战指挥中心，从而达到实时指挥作战的目的。在一个高空平台覆盖范围内，仍然可以采用蜂窝网结构组织通信［4－6］。

图1 高空平台通信网络结构

作为一种新颖通信信息平台系统，HAPS通信系统以其与地面蜂窝网和卫星通信网相比，在系统造价、系统容量、覆盖面积、建设速度、信号衰落等方面的优势，近年来得到了越来越多的关注。高空平台通过使用多波束天线对覆盖区域进行分区覆盖，实现了CDMA和SDMA混合多址接入技术，使得宽带通信网系统容量和频谱利用率的大幅度提高成为可能。无疑天线技术、小区划分方案、覆盖方案、链路特性等都是高空平台通信系统的关键技术，因而对于无线通信系统的链路设计来说研究以上关键技术具有非常重要的意义［7－10］。其中上海交通大学的程月波等人提出了一种基于天线分集的天线收发模型，以改善HAPS通信数据链路性能［11］。清华大学吴佑寿院士，牛志升教授等人在高空平台通信多径信道模型建立等方面的研究［12］。目前，我们国家对HAPS通信的研究正处于论证与实验阶段。加强并推进高空平台通信的建设对于我国的科技创新、国防和国民经济建设有着十分重要的战略意义。由于目前的相关文献大多为技术综合分析，对HAPS通信的技术深入研究与实现涉及不多，或者孤立的分析HAPS通信的信道、天线设计等。因此，通过研究HAPS通信的基本特性，将覆盖特性、链路特性与小区划分方案结合起来考虑，提出一种适合HAPS通信场景的小区划分覆盖方案，为HAPS的工程实现提供重要参考。

1 平台覆盖特性研究

在高空平台高度确定后，高空平台的覆盖面积与最小通信仰角的大小成近似反比的关系。最小通信仰角越大，覆盖面积越小。根据几何关系，式（1）给出了直视情况下平台覆盖圆形区域直径表达式

式中：d表示覆盖区域的直径；R为地球半径；α为仰角。以平台高度22km为例，表1给出了覆盖面积与最小通信仰角以及最远通信距离的关系。

表1 最小通信仰角、覆盖面积与最远通信距离

由表1中数据可知，一个位于22km高空的HAP，最大可以覆盖直径为1 056km的圆形区域。考虑地形的遮挡，最小通信仰角应在5°左右才能保证通信质量，则单个HAP可覆盖直径为420km的圆形区域。如要覆盖更大的范围，需要多个HAP组成网络系统。例如，要无缝覆盖直径为600km的圆形范围，需要4个可覆盖直径430km圆型区域的HAP组网（图2）。

图2 4个HAP组网覆盖示意图

2 多波束地面小区划分研究

引言中指出，HAPS仍以蜂窝覆盖方式通信。本节中主要讨论小区划分的方式，分析小区划分方式的相应技术实现难点。目前有2种小区的分划方法，第1种方法借鉴地面蜂窝系统的划分方法，将覆盖区域分成数个大小相等的等边六边形，通过调整天线波束的形状对每个蜂窝进行覆盖（图3，4）。这种分划的优点是每个小区的大小相等，便于管理，不足是天线波束成型较难，容易形成波束间干扰。

第2种方法是固定天线波束大小，以椭圆环形的形式覆盖（图5）。这种分划要求的天线简单，但外圈的单波束覆盖范围比内圈大很多，覆盖范围过大可能导致信道容量不足。

环形小区方案相比蜂窝小区方案存在信噪比分布不均匀和覆盖面积相差悬殊的不足。但蜂窝小区同样存在问题，要使天线波束按照蜂窝小区的划分进行覆盖，要求天线波束成椭圆形，仰角越小时，曲率越大，这对天线的制造技术要求很高，极大地提高了成本。因此，考虑到前两种方法的局限性及HAPS通信特性，提出一种改进的小区划分方法，采用改进的环形小区方案，增大内圈波束宽度，减小外圈波束宽度，尽量缩小内外小区链路信噪比的差值。如采用5环覆盖方案，天线半波束宽由内到外分别为15°、15°、15°、0°、10°，其小区分划如图6所示。波束大小的选择需要根据容量，天线数目，波束成型难度等参数进行优化。

图6 五环小区分划方案

3 链路特性研究

与FDMA、TDMA相比，CDMA有一个明显的优势—高系统容量。CDMA是干扰受限系统，而且是自干扰系统。为提高系统容量，功率控制已成为CDMA系统中最重要的课题之一，许多研究者对陆地CDMA系统的功率控制进行了研究。功率控制同样对高空平台通信系统是至关重要的。与陆地CDMA系统相比较，高空平台通信系统功率控制有着不同的特点。陆地CDMA系统的功率控制主要解决“远近效应”和对抗指数正态分布的掩蔽效应和瑞利衰落［13］，其中“远近效应”造成的影响特别严重。高空平台通信系统却基本上不存在“远近效应”。这是因为每一个点波束覆盖的小区内的所有用户到空中平台的距离基本上是相等的，因而，传播损耗也基本一致（低仰角通信时，同一波束内近平台一端与远离平台一端的不同用户的传播损耗还是有较大差别的）。高空平台通信网络中，点波束覆盖区域内的辐射场强是不一致的，表现为小区中心场强大，边缘场强则小得多。另外，空中平台与移动台之间通常存在直视（LOS）关系，所以多径效应造成的衰落多是莱斯衰落而非瑞利衰落。高空平台通信系统CDMA功率控制要解决的问题主要是波束增益的不均匀性和莱斯衰落。考虑不均匀波束增益函数和莱斯信道衰落共同作用的情况。为精确起见，作为一个影响不明显的因素（传播损耗）也把它考虑在内。这是考虑到在低仰角通信时，同一波束内近平台一端与远离平台一端的不同用户的传播损耗还是有较大差别的。

假设共有 N 个波束：｛B1，B2，…，BN｝，每一个波束中的移动用户数为Mi（i为波束编号）。取波束p内的第q个移动用户（以下简称移动用户 ［p，q］）分析上行链路的性能。为了分析方便，不妨假设移动用户到高空平台的传播没有延时，则点波束p接收到的信号为式（2）所示。式（2）中第一项是来自移动用户［p，q］的有用信号，第二项和第三项分别是来自波束p内和波束p外的干扰信号总和，第四项是谱密度为N0的高斯白噪声。

假设通过理想的功率控制，消除了传播损耗、掩蔽效应、莱斯衰落和同一小区内的波束辐射场强不均匀造成的影响，同一小区内的所有移动用户被该波束接收到的功率等于一个常数。对系统中其他的小区，这个功率是相等的。进一步，忽略高斯白噪声的影响，由式（2）得到

为了评估误码率性能，需要考虑移动用户的信号能量。移动用户［i，j］的比特能量为

则接收信号能量为

只要确定点波束的指向和地平面的交点、各移动用户位置及其波束归属关系，根据式（5）就可以计算出波束p的接收功率。

当不采用功率控制时，假定对任意一个移动用户 ［i，j］，E（｜αi，j｜2）＝1，则由式（2）和（4）可以得到波束p在时间（n－1）Tb≤t≤nTb内接收到的平均功率。

式中，图7、图8中的覆盖比（覆盖率）是指在无线覆盖区边缘（或区内）终端与基站通信质量达到规定要求的概率。图7说明了没有控制条件下，给出了系统Eb／N0与覆盖之间的关系，给定的信道误码率满足10－5，当Eb／N0小于12dB时，系统覆盖性能严重依赖信道质量Eb／N0，当Eb／N0大于12dB时，系统性能基本上不依赖信道质量Eb／N0.图8考虑在功率控制下，系统Eb／N0与覆盖面积的关系，从图中可以明显看出，系统所需要的Eb／N0减少了约7dB，即当Eb／N0小于5dB时，系统覆盖性能依赖信道质量Eb／N0，当Eb／N0大于5dB时，系统性能基本上不依赖信道质量Eb／N0.当覆盖小于76km时，系统性能受信道质量Eb／N0的影响很小，这也说明了在仰角小于30°时，系统覆盖性能还需要通过天线等技术等来补偿衰落。

对小区划分方案的系统性能进行研究，比较不同小区划分方式的特点。假定采用2GHz频段作为载波频段，尽量减少雨衰。滤波器为理想滤波器，

表2 系统参数

噪声带宽与信号带宽相同。系统参数设定如表2.

对于平台天线，假设采用圆形孔径天线，其天线增益表达式为

式中：η为天线效率；D为天线直径；λ为辐射波长。而对于场在孔径上呈抛物线分布时，半功率点束宽为

则，可得天线增益与半功率点束宽的关系

晴空下，链路的载噪比可由下式求得

式中：EIRP为载波功率；L为天线跟踪损耗和大气衰减之和；I为自由空间损耗；G为天线增益；T为系统等效噪声温度；k为波尔兹曼常数；B为噪声带宽。EIRP可由下式求得，即

式中：P为天线馈源载波功率；G为发射天线增益。载噪比的表达式可写成dB的形式，即

设HAP发射功率为2W，天线跟踪损耗与大气衰减L＝1dB.结合上面的数据可以得到蜂窝方式和环形方式小区划分的上行链路载噪比（表3至表6）。

由表3至表6中数据可以看出，两种小区划分方案的上行链路载噪比特性存在较大差异。蜂窝小区方案的覆盖地区中心点和边缘的载噪比相差不大，约为3dB，加上小区大小相等，适用于业务量分布较平均的应用。而椭圆环形小区方案的覆盖地区中心点和边缘载噪比相差较大，约为16dB，且环形小区方案的小区分布也是中心密集，外环则每个小区覆盖面积较大，适用于中心业务量大，外圈业务量小的地区，如中心城市外部乡村的应用。

表3 蜂窝方式3km小区中心上行链路载噪比

表4 蜂窝方式3km小区边缘上行链路载噪比

表5 椭圆环形方式中心上行链路载噪比

表6 椭圆环形方式边缘上行链路载噪比

考虑小区半径对链路载噪比的影响。为对比3 km半径的蜂窝小区系统，计算半径为2km的蜂窝小区系统载噪比。因小区半径变小，覆盖同样面积的区域，小区数目必然增大，而HAP平台可提供的功率有限，所以HAP天线波束的发射功率应相应的减小，设天线发射功率为1W.结果如表7，8所示。对比表3，4与表7，8的数据可以看出，随着小区半径变小，上行链路载噪比提高。

表7 蜂窝方式2km小区中心上行链路载噪比

表8 蜂窝方式2km小区边缘上行链路载噪比

对于本文建议采用改进的环形小区方案，当增大内圈波束宽度时，表5、6中得到的中心和边缘载噪比等数据也会发生变化。我们给出波束宽度增大时的对比结果。通过采用中心半波束宽为40°的宽波束覆盖，因为通信距离短、仰角高、信道较好可以满足通信需要，边缘地区采用半波束宽为5°的波束，尽量提高天线增益弥补通信距离长和低仰角的影响。该链路的特性见表9和表1 0.其中当同一通信距离存在不同大小天线波束时，以增益较小的大波束为标准进行计算。由表中数据可知，在中心地区，链路的误码率特性完全满足通信需要。在边缘地区，由于自由空间损耗增大很多，即使采用半波束宽为5°的天线波束覆盖，同时增大用户终端的功率到1W，其上行链路余量较小，对于过低仰角的通信来说有些不足。此时，进一步加大天线尺寸和用户终端的功率已经比较困难，用户终端采用弱定向天线（波瓣较大，提供增益较小，但对定向要求较低的天线）是较好的解决方案。

表9 改进小区划分方案中心链路载噪比

表10 改进小区划分方案小区边缘链路载噪比

由本节分析可以得出，环形小区方案相比蜂窝小区方案存在信噪比分布不均匀和覆盖面积相差悬殊的不足。但蜂窝小区同样存在问题，要使天线波束按照蜂窝小区的划分进行覆盖，要求天线波束成椭圆形，仰角越小时，曲率越大，这对天线的制造技术要求很高，极大地提高了成本。因此，考虑采用改进的环形小区方案，增大内圈波束宽度，减小外圈波束宽度，尽量缩小内外小区链路信噪比的差值，同时增大了内圈小区的面积，缩小外圈小区的面积。在设计覆盖方案时，还要考虑通过合理分配波束，减少小区的数目，便于HAPS通信的工程实现。

4 结 论

随着无线移动通信的进一步发展，HAPS通信作为其中一个分支，受到越来越多的关注。重点分析了HAPS通信覆盖、多波束小区划分、链路特性及功率控制的作用等关键问题。通过实际分析、计算与仿真，提出了一种适合HAPS通信场景下的多波束小区划分方式。并进一步比较了该方式的链路特性，分析了覆盖、链路特性及功率控制的关系，为HAPS通信的工程实现提供了参考。

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