平流层通信系统学习心得

平流层通信系统学习总结0前言在这学期开设的课程中，我很荣幸地听取了蒋阳老师关于平流层通信系统和物联网知识的专题讲座。蒋老师深入浅出生动有趣地授课，使我对这两方面的知识内容有了进一步地认识了解，特别是关于平流层通信，我在这之前知道得甚少。课堂外，自己也查了一些资料，结合蒋老师所讲授的知识，此次着重谈谈对于平流层通信系统的认识。1平流层通信系统出现的背景随着科学技术的不断进步，移动通信已越来越广泛地渗透到人们的日常生活中。通信技术的迅速发展使人们对移动通信设备的要求也不断提高，在目前广泛应用的3G技术的基础上，将3G与WLAN（无线局域网）集于一体的第四代移动通信技术（4G）将会逐渐代替现有的3G网络。第四代通信系统可以提供高速传输率的多媒体，能够保证QOS的高速移动（至少2Mbps）无缝连接，覆盖面广，时延低，全球漫游，与3G相比拥有更高的容量和更低的成本。目前的通信系统中，路基系统传播延迟小，但频率选择和时间选择严重受限，而且不能覆盖较大的范围。卫星通信能及所见之处，但传播延迟大。LEO（低轨道卫星）的传播延迟小，但必须多颗LEO同时工作。因此，下一代的移动通信系统期待一种新的平台。2平流层通信系统简述平流层通信系统一般是指用位于平流层空间轻于空气的、准静止长驻空的飞艇作为平台，装载一定的有效信息载荷，配合各种地面通信和终端设备所构成的系统，简记为SCS。平流层平台所处的空间处于各种通信卫星和地面接力通信站之间，是地球上空一片尚未开垦的“处女地”，它的开发对未来通信发展具有极大的意义。平流层通信平台（一般高度为二十几公里）和通信卫星一样位于地球的上空，但它不属于卫星通信，因为按定义，“卫星是一个绕着另一个绝对质量占优势的物体运动，它的运动在初期而且以后，永远由那一个物体的引力所决定的物体”。平流层通信业务也不属于空间无线通信，因为国际电信联盟（ITU）定义的空间站是一种位于某一目标，且该目标超过或可能超过地球大气主要范围的站。平流层通信也不应属于移动通信，因为它的大多数用户终端的位置是固定的。有较多的理由把它看作是一种高密度固定业务（FS），因为它的功能很像高山顶的一个转发站。因而ITU建议把它叫做“高空平台站”(HighAltitudePlatformStations)，简记为HAPS。ITU考虑到它属于固定业务的范畴，因此决定把可能分配给这种业务的47GHz/48GHz波段分配给HAPS使用。目前这个波段已被认为是平流层通信系统的主要频段，但由于这个频段的雨雪衰减较大，问题较多，因而不少国家正在研究采用其它频段。3平流层通信系统特点及性能比较3.1平流层通信系统特点①和卫星通信相比，平台与地面的距离分别是同步卫星、中轨卫星和低轨卫星的1/1800、1/400和1/40，自由空间衰减分别减少65dB、52dB、32dB，延迟时间只有0．5ms，有利于通信终端的小型化、宽带化和双工数据流的对称传输和互操作，实现对称双工的无线接入。②与地面平台相比，高度为20km的平流层平台的作用距离远、覆盖地区大。作为一个高空接力站时作用距离约为1000km，比地面接力站约大10倍，信道衰落（按Ricean衰减特性）为20dB/10倍程，而地面系统（按Rayleigh衰减特性）的衰减为50dB/10倍程。发射功率可显著减少。作为探测平台时，比一般高度为1万米的飞机的探测距离远70%。③平流层平台的位置机动灵活，既适用于城市，也可用于海洋、山区，还可以迅速转移，用于发生自然灾害的地区，如洪水、火山的监测。④造价低，通信资费便宜，据估算，平流层平台的放飞、回收和日常的监测可利用一般的民航导航与气象系统，不需特殊的复杂庞大的发射基地，因而造价较低，估算每一平台造价只为通信卫星的1/10。而且每个平台都可以独立运行，建设周期短，初期投资少，一条2Mb/s信道每分钟只有几个美分，用户端机费100～200美元。⑤平台可以回收，不会像卫星那样失效后变成空间垃圾，有利于环境保护。此外，平台高度在民航高度以上，不会对空中航行安全造成影响。⑥平台位于国境之内，主权、使用权、管理权均属本国，所使用频段一般也不受国际规定的限制，有利于研制开发适用于本国的产品。3.2平流层通信性能比较平流层通信系统和卫星通信系统相比，费用低廉、延迟时间小、建设快、容量大；和蜂窝网相比，它的多径衰落小、覆盖面积大。所以，它是很有发展前途的一种通信手段。三者之间性能的详细比较如表1所示。表1平流层通信、蜂窝网和低轨道卫星网的性能比较平流层通信蜂窝网低轨道卫星传播延迟小小较大典型单个基站覆盖半径200km几至十几km大于1000km典型蜂窝半径1-10km微蜂窝0.1–1km大于500km建设时间有一个平台和相应的地面设施就可开以始运行需要建设大量基站在整个系统建后才能运行系统发展通过减小波束尺寸和增加平台数可以增大容量将小区分小可以增大容量设备容易升级和修理系统扩容需增加卫星硬件升级需更换卫星无线信道质量近似于有莱斯快衰落的自由空间信道瑞利衰落限制了通信距离和传输速率近似于有莱斯快衰落的自由空间信道手机辐射对身体的影响功率大小类似地面系统手机功率最小由于路径损耗大使手机功率大室内应用可以可以一般不行4.平流层通信系统平台的分类及性能比较平流层通信系统平台可以分为3种：①带推进系统的无人充氦飞艇。它通常很大，有100m长，有效载荷可达800kg以上，用太阳能提供动力。飞艇可以是半刚性的或非刚性的，其基本结构材料是有弹性的、防氦泄漏的层压塑料。在飞艇表面上覆盖有重量轻（400g/m2）的太阳能电池。②无人飞机。它是一种高高度持久（HALE–HighAltitudeLongEndurance）平台。这是一个太阳能飞机，它比飞艇小，不能携带很重的有效载荷，功率也有限，特别是在夜间。另一种无人飞机是用燃料的，称为无人飞行器(UAV–UnmannedAerialVehicle)，它通常飞行在中等高度，用于短时间军事侦察。③有人飞机。它是普通的燃油飞机，有效载荷约有1吨。这3种平台的性能比较如表2所示。表23种平台的性能比较飞艇（无人）太阳能无人飞机有人飞机尺寸长150－200m翼展35－70m长30m总重量30吨1吨2.5吨能源太阳能电池（＋燃料电池）太阳能电池（＋燃料电池）石油留空时间5年不定（约6个月）8小时定位范围（半径）1km3km10km有效载荷1000－2000kg50－300kg1000kg任务功率10kw3kw20kw5平流层通信系统平台的关键技术问题5.1要实现平流层得通信必须解决的几个问题①载体材料的强度、韧性、重量及抗紫外线性能。②载体的封装与姿态控制，如制造工艺，放飞与回收的问题。③太阳能电池的效率、再生电池方面的能源问题。④网络体系结构、交换路由方式、通信和广播与遥感的融合等问题。5.2平台建成之后将可以承载的业务①固定业务：宽带无线接入和高速无线因特网。②移动业务：IMT-2000和第四代移动通信。③广播业务：高清晰度数字电视和遥感信息。④监视业务：无线电波、气象、地面交通监视和火灾等紧急通信。6平流层通信技术在军事通信中的应用6.1区域性通信和中继平流层通信系统用于区域性通信时主要由空间段和地面段构成。空间段由一个或几个飞艇组成，根据业务量情况，飞艇既可利用多波束天线在覆盖区域内形成小区，也可采用大区制。采用多波束天线时，飞艇要求具有艇上交换功能，能转接两个小区间的话务。地面段主要由平流层通信地面站和用户终端组成。每个飞艇覆盖的区域内一般有一个地面站，它起控制、交换的作用，并且地面站还是飞艇与蜂窝网和公用电话网(PSTN)的接口。用户终端可以是固定台、车载台或手持台。平流层通信平台也可作为一个作用距离很大的微波中继站，其单艇中继距离可达1000km。地面用户可以通过平流层中继站收发信息，也可以通过地面站连接到PSTN，蜂窝网或数据库。若干个平流层通信平台互相连接，可构成高空接力通信网。6.2区域性探测由于平流层通信平台位于20km～24km的高度，可算是定点悬空式装备，除有关的高频头与直接控制、感知天线指向设备等设备外，大部分其他处理设备都可放在地面，可很容易地组成空地结合式的探测设备。它适于观测低空或超低空的远距离目标，对海平面目标的极限探测距离为620km左右。平流层通信平台可完成的探测任务有：远海的海/空情报探测、远海战术数据通信、军政要地防空信息网、探测隐身飞机、探测弹道导弹与巡航导弹等。6.3其他应用基于平流层通信的特点，平流层通信平台特别适用于在敏感地区应用。例如用于东南沿海及近海海面，西南地区等，这些平台可完成预警探测、情报侦察、指挥、控制、引导、通信、战损评估、目标识别等。6.4平流层通信具有重要的军事应用前景基于平流层通信的特点，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。另外，系统还可以对1000km地段，方圆近百万平方公里的地面和天空进行不间断的监视。7小结平流层通信平台——天地空一体化综合信息系统，其有效载荷是各种电子信息系统。与平台本身相比，信息技术比较成熟，但作为一种新的通信体制却仍有许多重要问题需深入研究。如：频段的确定，电子系统如何与平台的能源、温度压力和保持稳定等支持系统相适应，如何与其它各种通信系统相兼容以构成能互连互通互操作的信息基础设施等。尽管平流层通信面临许多挑战，但是由于它固有的优势，在军事通信领域，有着非常可观的应用前景。随着技术和应用的推动，各国研究地不断深入，相信，平流层通信一定会点亮未来的通信世界。最后，非常感谢蒋老师耐心生动地讲解，让我在您的课堂上快乐地学到知识！谢谢！但是由于自己只是浅尝辄止，对于平流层通信的认识还很肤浅，所以还请老师您谅解！祝老师新年快乐，阖家幸福！