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摘要：

受風力等因素影響高空平臺（HAP）僅能維持在一種準靜止狀態，旋轉是HAP攝動的重要一種。采用常規的蜂窩網絡時，平臺旋轉會造成大量用戶鏈路的頻繁切換，嚴重影響通信性能。而環形小區可以有效地解決由于平臺旋轉造成的通信切換問題。本文通過仿真分析了平臺旋轉對高空平臺通信系統性能的影響，提出采用環形小區的必要性，并對HAP的環形小區覆蓋方案和復用方式進行了設計，同時研究了環形小區的實現方式，對垂向陣列天線產生環形小區進行了仿真，仿真結果驗證了環形小區實現的可行性。

關鍵詞：

高空平臺；攝動；切換；環形小區；垂向陣列

1引言

高空平臺（HAP）通信系統也稱為臨近空間平臺通信系統或平流層通信系統，是近年來受到廣泛研究的新興無線通信系統。高空平臺通信系統利用HAP搭載一定有效載荷，提供類似低軌衛星的通信服務。HAP一般飛行在平流層區域，高度在20～30km之間［1］，具有生存能力強、滯空工作時間長、效費比高等優點，可以增強高時效要求的緊急任務執行能力，具有全天候工作能力及顯著的區域性應用優勢［2］。高空平臺通信系統作為未來空天信息網的重要一環，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］。與衛星通信系統相比，其傳播距離短、傳播損耗少、延時小、所需發射功率低，有利于實現寬帶傳輸和通信終端的小型化；與陸地通信系統相比，其機動靈活，可快速部署，迅速建立應急通信網絡，因此具有很好的發展前景和潛力。由于HAP與低軌衛星在覆蓋方式上的相似性，目前的HAP通信系統其地面網絡覆蓋方案以蜂窩網絡為主，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。很多文獻對ITU提出的方案進行了改進和研究［5－8］，但仍然屬于蜂窩網絡方案。HAP與地面基站不同，易受到風力等自然因素的影響，不能長時間保持靜止狀態，而是處在攝動狀態之中。平臺攝動將導致用戶通信鏈路質量不穩定，發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。常規的蜂窩網絡對平臺旋轉的適應性極差，會造成大量用戶的頻繁切換，嚴重影響網絡性能。為了避免平臺旋轉引起的頻繁切換，一種理想的方案是采用環形小區［10］，目前國內外對于環形小區的研究很少［11－12］。本文通過分析平臺旋轉對通信性能的影響提出在HAP通信系統中采用環形小區的優越性，給出了HAP環形小區覆蓋方案，并對環形小區實現的可行性進行了仿真，為HAP通信系統蜂窩網中難以解決的旋轉切換問題提供了一種可行的實現方案。

2平臺旋轉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，其中又以旋轉造成的影響最為嚴重［13］。旋轉會造成短時間內用戶的大量切換，造成資源浪費并有可能使用戶掉話。如果采用蜂窩網絡，當平臺繞中心進行旋轉時，假設所有蜂窩形狀不變，大小不變，則中心波束的覆蓋范圍沒有發生變化，但外圍波束的覆蓋范圍會發生旋轉，造成用戶通信發生切換。距離平臺中心不同距離的子波束內可能引起的切換概率不同。由幾何知識可知，同等旋轉角度的條件下，越遠離平臺的波束受平臺旋轉的影響較大。建立簡化的平臺旋轉切換概率計算模型，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為平臺旋轉角度，A為旋轉前后兩個波束覆蓋邊界的交點，O為波束中心初始位置，O’為旋轉后的波束中心位置。OA與OO’之間的夾角為θ2。則有根據ITU議案，單個HAP的通信服務半徑應在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行仿真。方案一：按照最少的兩層蜂窩7個波束設計（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。設平臺旋轉角度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計，平臺旋轉1°時切換概率可以到達1．8％，而波束越小，外層波束中心距離平臺中心越遠，發生切換的概率越高，在采用10km半徑的小波束時，平臺旋轉1°時切換概率可以到達15．5％，需要浪費大量資源來保證用戶的切換，會大大降低系統容量。實際情況中，平臺不可能僅僅在1°范圍內旋轉，蜂窩小區的數量也在102數量級，可見平臺旋轉帶來的通信性能下降問題十分嚴重。除此之外，在多平臺組網時，平臺旋轉還會造成蜂窩網絡中原頻率復用機制失效，同頻干擾嚴重。目前，HAP控制技術還沒有辦法完全解決平臺的攝動，在這種情況下，采用環形小區方案可以降低對平臺控制精度的要求，有效解決旋轉引起的通信切換和掉話問題。

3HAP環形小區覆蓋方案

環形小區覆蓋由N個同心環小區組成，其幾何結構如圖4所示，除了中心小區為圓形小區之外，其他每個小區均為環形小區。處在一個環形小區內的用戶使用同一頻段，不同環形小區間頻段不同。平臺旋轉時，波束覆蓋的小區范圍并不隨之旋轉，用戶位置無需更新，不存在越區的情況，這樣就可以有效地避免通信切換，從而從結構上解決了平臺旋轉帶來的一系列問題。類似于蜂窩網絡，當用戶數量增加時，環形小區也需要采取頻率復用以增大網絡容量，提高資源利用率。蜂窩網絡采用正六邊形作為基本覆蓋單元，受幾何結構的約束，其復用方式只有3色、4色和7色復用3種，圖5是7色復用示意圖，可以看出每個蜂窩小區有6個鄰居小區。環形小區則不同，在單平臺覆蓋下，網絡中每個環形小區通常只有2個鄰居小區，理論上它的復用因子最低可為2，即2色復用，此時資源利用率最高。實際設計時，復用因子能否為2主要考慮小區間的同頻干擾和鄰頻干擾，只有當干擾值小于門限值時才可使用2色復用，否則就需要增大復用因子，提高復用距離，采用3色復用、4色復用甚至更多。多平臺組網運行時，大的環形小區簇構成環形網絡，其復用可以采用蜂窩和環形結合的方式，平臺內采用環形結構，平臺間的位置結構采用蜂窩結構。考慮到多平臺組網時，3平臺交界處的小區頻率應當不同，此時的復用因子至少在3以上，即至少為3色復用。實際設計時同樣需要根據網絡參數計算各小區的同頻干擾和鄰頻干擾，結合網絡對通信質量的需求確定復用方式。圖6給出了一種6色復用方案，不同的數字代表使用不同頻率的小區，圖中可以看作是每個子平臺覆蓋下的最外層6個小區之間的位置關系。在這種方案中，平臺覆蓋內的小區同頻復用距離為6個小區半徑，平臺覆蓋間小區同頻復用距離為3個小區半徑。對環形小區的進一步分析可知，環形小區除了能夠解決平臺旋轉帶來的問題之外，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個小區組成（僅在多平臺組網時存在較少的3區切換場景），而不像蜂窩網絡中存在較多3小區相交的情況，因此其切換場景也比蜂窩網絡要更為簡單。并且由于各個環的寬度可以不等，使得它可以針對不同用戶密度區域設置不同寬度，具有一定的靈活性。在多平臺組網運行時，各平臺內小區寬度和數量可以獨立設計，而不影響系統構成。

4環形小區的實現方式

早期人們考慮采用多波束掃描天線來實現環形小區［10］。掃描天線的實際覆蓋為橢圓小區，當它按照一定速率旋轉（機械掃描）時，就可實現環形小區覆蓋。這種方式原理簡單，屬于早期的天線技術，它的缺點也很明顯：系統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形小區覆蓋之下，其通信本身就要不斷地接入－斷線－接入。所以盡管環形小區具有很好的性能，但由于其實現復雜，一直沒有在HAP平臺中得到應用。近期有人提出了利用垂向陣列天線實現環形小區［12］，本文對這種方式進行了仿真，以驗證可行性。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。假設信號入射俯仰角為θ，方位角為φ，得到其方向圖函數為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，由此可以產生圍繞Z軸均勻輻射的環形功率模型。假設天線陣元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行仿真，結果如圖8所示。可以看出，采用垂向陣列天線時，無需轉動天線，也可產生均勻環狀波束，從而實現環形小區形狀的覆蓋。相較于波束掃描天線，這種天線復雜度低，使得在HAP平臺上實現環形波束成為可能。

5結論

高空平臺通信系統相對于地面蜂窩通信系統和衛星通信系統相比具有其獨特的優勢，尤其是在應急通信領域，因此得到了各國的廣泛重視。但是，在HAP通信系統中面臨的難題之一就是平臺的不穩定。平臺的位移、擺動、旋轉等攝動會對通信性能造成重大影響。本文研究的環形小區覆蓋方式，可以有效地避免平臺旋轉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，保證系統容量與性能等方面具有重要的意義。

參考文獻

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作者：吳翔宇 金山 倪淑燕 單位：裝備學院光電裝備系