高空平臺通信及網絡部署技術分析

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2017年7月19日，在《國務院辦公廳關于印發國家突發事件應急體系建設“十三五”規劃的通知》中提OSID：掃描二維碼與作者交流出我國綜合應急保障能力目標是：“應急平臺保障能力進一步增強，天地一體、互通共享的立體化應急通信服務保障網絡基本形成”[1]?？梢钥闯觯⑻斓匾惑w化應急通信服務保障網絡、確保在緊急情況下第一時間做出響應，對提高我國綜合應急保障能力至關重要。目前應急通信系統主要基于地面基礎設施建立，當重大自然災害發生時，易被嚴重毀壞，短時間內難以恢復。相比之下，空基和天基通信網絡由于不受地理條件限制，在應急通信中具有不可代替的優勢。目前，空中通信主要有低空無人機通信和衛星通信兩種方式。無人機可以憑借固有的靈活性和機動性優勢來為地面設備提供無線覆蓋，但是首先無人機在空中飛行時間受到機載能量的限制，其次廣域覆蓋時，需要部署大規模無人機群，而無人機群協同、飛控和資源管理將變得極為復雜。盡管衛星可以提供廣域覆蓋，但是其長時延、大鏈路損耗、高動態拓撲、高造價等特點對于提供快速、穩定、靈活部署的應急通信并不是最佳選擇。因此，面向廣域應急場景，亟需一種快速覆蓋、機動部署、穩定可靠的應急通信方式。平流層HAP（HighAltitudePlatform，高空平臺）作為一種新型空中通信載體，兼具機動性和廣域覆蓋特點，在應急通信領域受到國內外高度重視。一般來說，高空平臺有飛艇、氣球、固定翼無人機等形式，可以根據目標區域特點、部署成本和網絡需求選擇合適的平臺形式。由于高空平臺部署于平流層，同時具有水平和豎直方向兩個自由度，因此，可以根據地形特點、用戶分布、業務類型和通信需求等條件設計高空平臺組網構架，通過優化高空平臺部署位置和運行路徑提升高空平臺網絡性能。

1高空平臺通信發展現狀

1.1基本概念。高空平臺通信是指在平流層中，以飛艇、無人機或氣球等駐空平臺作為無線中繼或空中基站，為地面用戶提供無線信息傳輸和網絡覆蓋的通信方式。如圖1所示，高空平臺通信系統主要由空中部分和地面部分組成，空中部分主要是機載系統，即平臺搭載基站設備，機載系統主要包括三個子系統[2]：通信有效載荷系統、飛行控制系統和能量系統。通信有效載荷主要包括全向天線或定向天線、濾波器、功率放大器等。飛行控制系統主要是為了控制平臺的穩定性，調整平臺高度，同時與地面的控制系統保持聯系。能量系統包括太陽能板和氫燃料電池等。高空平臺位于平流層，太陽能資源豐富，平臺配備太陽能板，白天吸收太陽能，將其轉化成電能提供平臺能源，同時存儲電能為平臺夜間飛行提供能量。地面系統包括測控站、網關和地面網絡。測控站主要監測高空平臺位置并將測控數據發送給高空平臺，還承擔著管理高空平臺網絡資源分配的任務。網關主要通過饋電鏈路實現高空平臺站之間的互聯。地面網絡包括地面蜂窩網絡和地基網絡，運營管理中心負責網絡分配管理，核心網負責所有網絡的接入和評估網絡性能。1.2高空平臺分類。高空平臺可作為空中基站、中繼站或交換中心，與地面控制設備、網關以及不同類型無線用戶終端構成移動通信系統[3]。根據為高空平臺提供升力的物理原理，可以將高空平臺分為空氣靜力學平臺和空氣動力學平臺?？諝忪o力學平臺主要包括氣球和飛艇，它們都是由太陽能為其提供能源動力，并帶有推進系統，具有攜帶數噸質量的有效載荷并實現定點、主動控制和機動的能力[4]。最早的AP（AerialPlatform，空中平臺）是氣球，主要用于軍事偵察和天氣監測。由于氣球制作工藝、囊體材料和球體載荷的不同，可將氣球分為零壓氣球、超壓氣球和系留氣球。零壓氣球是一種無動力，主要靠浮力和風力飛行，氣囊內外壓差基本為零的自由氣球。超壓氣球是一種內部氣壓高于外部氣壓的氣球，在飛行過程中一般不排出氣囊內部的氦氣，能夠實現長時間的飛行，像谷歌使用的超壓氣球，其最長駐空時間達到312天[5]。系留氣球是一種可以利用地面纜繩控制飛行高度的氣球，能夠實現較長的駐空時間。和氣球類似，飛艇也是利用浮力漂浮在空中，國外已經完成了多次平流層飛艇飛行試驗，并在囊體材料的選取、能源和動力方面取得了很大進展。另一方面，空氣動力學平臺主要包括固定翼高空無人機，機翼表面通常裝備大面積太陽能電池板，白天依靠太陽能轉化電能提供能源，夜間靠白天存儲的電能維持高空飛行。駐空時間根據部署需要從幾天到幾周不等。1.3國內外發展現狀。近年來高空平臺通信得到國內外越來越多的關注?？罩衅脚_的歷史可以追溯到1783年法國的蒙戈費埃兄弟發明的載人熱氣球[6]，而最早的高空平臺通信是由美國貝爾實驗室（BellLab）在1960年發射Echo號大型氣球試驗完成的。早在20世紀60年代，美國、加拿大、日本開展了很多平流層平臺的研究，但是受限于平臺控制技術和能量供應問題，一直處于停滯階段。直到20世紀90年代，美國、日本以及多個大型企業共同組成的平流層平臺開發協會提出了多個大型平流層飛艇計劃，可以提供的總功率達到數百千瓦，在空中停留數年，同樣由于技術原因這些設想都無法按計劃轉入工程應用[7]。但是在平臺的設計和開發、能源子系統（包括太陽能電池）、天線子系統、無線通信技術和方法、通信有效載荷、應用甚至商業模型方面都取得了顯著的成就[8]。21世紀初期，高空平臺的研究主要集中在如何在平流層保持平臺穩定、平臺能量供應和子系統開發等問題上。近些年來，以臉書和谷歌為代表的互聯網公司考慮用平流層平臺為偏遠地區用戶提供無線網絡連接，其中，啟動于2013年的Loon項目是通過向平流層部署大量氣球為用戶提供無線通信服務。2020年7月，肯尼亞因為疫情對遠程網絡的需求日益增加，宣布與谷歌氣球合作開展4G互聯網服務，項目利用35個氣球組網覆蓋肯尼亞中西部地區5萬平方公里的范圍。與谷歌氣球不同的是，臉書“天鷹”計劃研發的是大型固定翼無人機，不僅要求有起降跑道，還需要在平流層中沿著以3千米為半徑的圓形軌跡飛行來維持固定高度。但是由于平流層飛行控制、飛機著陸、空中避碰和成本過高等關鍵問題無法得到很好解決，“天鷹”計劃于2018年6月被叫停。此外，表1展示了過去和最近的一些高空平臺項目，這些項目都已經通過試驗完成了一些測試目標，揭示和證明了高空平臺在擴大全球無線連接方面的巨大潛力。我國自上世紀九十年代就開展了平流層平臺相關研究，在飛艇安全回收、飛行控制、鋰硫電池、柔性太陽能電池和蒙皮材料等方面取得了一系列技術突破[12]。國家在“十五”期間啟動了大陸臨近空間飛艇研究項目，由國內眾多高校、研究單位和企業參加了方案論證、可行性研究以及關鍵技術攻關[7]。此外，中國移動、華為、中興通訊等公司在中國通信標準化協會聯合牽頭開展“高空基站系統設備技術要求”的研究，并于2012年行業標準（YDB103-2012），規定了利用高空載體承載基站，實現高空基站系統、基站分系統和浮空器平臺分系統等相關的技術要求[13]，并在2015年成功發射“圓夢號”飛艇，完成了囊體耐壓測試、能源循環測試、長航時持續動力飛行、臨近空間高速通信等一系列試驗驗證活動[7]，是臨近空間平流層通信的一大突破。自2015年以來，國內進行了多項關于超壓氣球、太陽能無人機的試驗。2017年10月，我國自主研制的“旅行者”3號飛行器成功攜帶活體烏龜進入臨近空間，完成了多項試驗任務和數據采集。為解決飛艇在平流層中可能的蒙皮破裂與“超重”問題，我國于2019年8月成功研發出仿“僧帽水母”平流層飛艇，這次研發為日后我國在平流層通信研究提供了參考借鑒。1.4發展趨勢與挑戰。高空平臺通信系統在應急通信、軍事作戰等領域具有廣闊的發展前景，多個高空平臺共同為地面用戶服務能夠實現更大的覆蓋范圍。盡管如此，高空平臺距離完全的投入商用，實現互通互聯的目標還存在著一些挑戰。（1）高空平臺與現有通信系統的兼容性問題。未來的無線通信是空天地一體組網，空中有限的頻譜資源對信號多路傳輸提出挑戰，大量用戶在異構環境中會產生嚴重的干擾，需要研究相應的干擾管理技術、資源分配方案。（2）平流層大氣環境復雜。在應急通信場景中，平流層突如其來的大風可能會導致傳輸信號的中斷，這會嚴重影響用戶的服務質量。此外，平流層中紫外線對高空平臺表體材料的輻射、電磁波對傳輸信號的干擾，這些問題都需要根據實際場景提出相應的解決方案。（3）高空平臺室內覆蓋率低。與地面基站相比，高空平臺的天線仰角更高，在人口密集地區，傾斜的信號大概率會在地面或墻面相交，導致室內通信中斷，需要考慮新的技術來克服高空平臺有限的覆蓋。

2高空平臺部署

未來6G通信將建立面向空天地海的一體化信息網絡，高空平臺位于平流層，可以向上連接不同軌道高度的衛星，向下連接地面網絡和無人機自組網，是空天地海一體化網絡重要的中間層空中基礎設施，能夠實現廣域覆蓋和快速投用，以滿足軍事作戰、應急搜救和臨時網絡覆蓋需求。高空平臺部署就是在滿足特定場景通信需求的情況下，合理地選擇平臺部署位置與數量，通過更好地分配系統資源，以提升系統性能。高空平臺部署關乎整個通信網絡的服務質量，它需要考慮很多因素，如平臺數量、部署高度、水平位置、地面用戶分布、信道特性、通信體制、傳輸方案、平臺間/平臺內干擾等。2.1部署分類。根據應用場景和部署目標，對高空平臺部署分類是十分必要的。根據目標區域范圍需求，將高空平臺部署分為單高空平臺部署和多高空平臺部署。單高空平臺系統需要注意覆蓋范圍內用戶間干擾，多高空平臺系統還需要注意平臺間干擾和碰撞避免。此外，我們還可以根據在不同場景下高空平臺位置和用戶的動態特性，將高空平臺部署分為靜態高空平臺部署、半動態高空平臺部署和動態高空平臺部署。靜態高空平臺部署是指在目標區域內，用戶位置已知且不發生改變，在平流層中選擇固定點部署平臺對目標區域進行無線覆蓋或數據中繼。靜態高空平臺部署的目標是根據目標區域范圍確定所需高空平臺數量，進而根據用戶分布和服務質量需求確定高空平臺的最佳水平位置和豎直高度。半動態高空平臺部署是指目標區域內用戶位置固定，高空平臺根據系統通信需求，優化平臺水平路徑和豎直高度，對目標區域進行無線覆蓋或數據中繼。半動態部署應用了高空平臺的可移動性，可以顯著提升整個系統的服務質量。因此，半動態高空平臺部署的目標是根據目標區域范圍確定所需高空平臺數量，進而根據用戶分布和服務質量需求確定高空平臺的動態部署路徑。動態高空平臺部署是指在用戶移動的情況下，高空平臺通過實時改變部署位置來實現對目標區域的無線覆蓋或數據中繼。動態高空平臺部署中用戶位置每時每刻都在發生變化，這將導致高空平臺與用戶間以及用戶與用戶之間的信道狀態實時變化，高空平臺必須不斷地更新位置來滿足移動用戶的服務質量。因此，動態高空平臺部署的目標是按照目標區域范圍確定所需高空平臺數量，進而根據用戶移動狀態和服務質量需求動態調整高空平臺位置，并設計高空平臺運動路徑實現對移動用戶的動態跟蹤同時滿足通信需求。綜上所述，靜態高空平臺部署、半動態高空平臺部署和動態高空平臺部署的目標都是在高空平臺通信能力范圍內，在滿足用戶服務質量的前提下，通過優化手段設計高空平臺的空間位置（靜態位置或者動態路徑）以提升網絡性能。高空平臺主要部署主要面向兩個通信場景：高空平臺輔助覆蓋、高空平臺輔助中繼。高空平臺輔助覆蓋是通過部署高空平臺為目標區域提供無線覆蓋，高空平臺輔助中繼則是通過部署高空平臺為沒有直接通信鏈路的遠程用戶建立與外部網絡的無線連接。2.2部署技術。為了滿足應急通信中快速獲取用戶信息的要求并保證用戶的服務質量，采取合適的部署技術尤為重要。其中，無線傳輸技術、空地一體組網技術和網絡優化部署技術是高空平臺部署的熱點技術。（1）無線傳輸技術高空平臺在體現廣域覆蓋優勢的同時，還可以廣泛采用當前先進的無線通信技術以進提升系統性能。表2比較了OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復用技術）、GFDM（GeneralizedFrequencyDivisionMultiplexing，廣義頻分復用）、NOMA（Non-OrthogonalMultipleAccess，非正交多址接入）、MIMO（MultiInputMultiOutput，多天線技術）和D2D（Device-to-Device，設備到設備）的基本特性，說明了以上技術的優勢與缺點。高空平臺的可用頻段受限，考慮采用OFDM進一步提高系統頻譜利用率。由于OFDM旁瓣泄露較大、對功放線性工作區要求較高，因此近幾年有學者證實包括GFDM在內的新型多載波調制技術能夠有效處理這些問題，并適用于大規模接入場景。此外，與以往OFDM不同，NOMA允許多個用戶共用同一資源塊，并在接收端使用SIC（SuccessiveInterferenceCancellation，串行干擾消除）技術去除干擾、恢復用戶信息，能夠進一步提升系統容量。盡管SIC復雜度較高，但是可以通過在高空平臺一側使用SIC技術，并設計高效SIC和用戶分簇算法，以有效減輕用戶軟硬件負擔和提升系統性能。不同于低空小型無人機受到尺寸、重量和能量的限制，由于較大的平臺尺寸、較強的平臺信號處理和能量供應能力，高空平臺可以使用MIMO提升系統頻譜效率。盡管高空平臺相對于地面系統境缺乏豐富的散射條件，但是得益于大的平臺尺寸，可以根據載波頻率和鏈路距離精心設計天線間距來獲得高的空間復用增益[14]。值得指出的是，高空平臺特別適合在大范圍內覆蓋稀疏分布的地面用戶，這樣，只要用戶間角度間隔超過高空平臺天線陣列的角度分辨率，高空平臺就可以獲得MIMO空間復用增益。此外，D2D通信和高空平臺結合可以減少高空平臺的通信業務負荷，實現在高空平臺覆蓋范圍下不同小區內近鄰用戶間的信號傳輸，提升系統性能。當存在地面基礎設施（如地面基站）的情況下，高空平臺還可以與地面基站組成混合網絡，協助地面基站對熱點地區進行流量卸載。同樣可以通過設計高空平臺的部署位置或者動態運行路徑來實現最佳網絡性能。（2）空地一體組網技術空地一體組網技術通過高空平臺通信網絡與地面基站通信網絡聯合組網，構建空地一體化通信系統，為地面用戶和空中用戶提供服務，實現網絡的互連互通。1）天線設計。高空平臺與地面網絡的協同組網需要設計合適的天線，地面小區間信號的交換極大的依賴平臺的多波束天線。多波束天線能夠產生定向波束，從而覆蓋地面特定區域，多波束天線一般采取下行波束中多種固定波束與完全波束掃描結合的工作模式，減少信號處理的時延同時降低計算成本。2）高空平臺信道建模。與傳統地面通信相比，高空平臺通信具有更強的視距傳播，且變化速率快，信道環境復雜。高空平臺的信道建模與平臺的飛行高度，用戶的位置狀態和頻帶的劃分有關，大多的文獻都是基于地面通信系統和衛星通信系統來刻畫高空平臺的信道特性，在實際的建模環境中需要考慮多種因素進行全面分析。3）切換技術?？盏匾惑w組網技術允許多個高空平臺站同時服務地面用戶，為了保證用戶在高移動狀態下的服務質量，需要用戶考慮平臺間的切換和平臺與地面基站的切換，避免出現鏈路中斷。研究切換技術需要關注切換頻率、時延和頻譜利用率等方面。（3）網絡優化部署技術高空平臺通信網絡優化部署就是對不同場景需求，在滿足系統約束的條件下（如能量存儲、任務時間、平臺速度、用戶信干噪比和避碰等），通過優化平臺部署位置、平臺運行路徑、用戶發射功率、上下行鏈路時間、平臺-用戶關聯、平臺多天線發射波束成形矢量等，使系統期望的服務質量條件最佳（如最大化系統上/下行和速率、最大化最小用戶速率、最大化系統能效和最小化任務執行時間等）。相應地，可以將設計的方案制定成為相應的優化問題。一般來說，這些優化問題通常都是包含不同類型變量的復雜的非凸問題，難以直接求解。而解決這類復雜非凸問題，可以將原問題通過錐優化理論等手段將原問題轉化為凸問題，或者借助塊坐標下降和連續凸優化技術，通過設計低復雜度的交替迭代算法求解原問題的近似最優解。

3結束語

由于兼具廣域覆蓋、機動性高和通信時延短等特點，平流層高空平臺通信能夠有力支撐空天地一體化信息網絡、解決當前應急通信面臨的問題。本文首先深入闡述了建立高空平臺通信網絡的重大意義；然后，介紹了高空平臺通信的概念和網絡優勢、給出了高空平臺的分類；進而，給出了近幾年國內外在高空平臺通信網絡部署領域的研究、試驗和測試現狀；最后，結合高空平臺部署需求與部署特點，對高空平臺部署進行了分類，給出了先進無線通信技術在高空平臺部署中的應用建議。

作者:王怡 那振宇 修露嬋 林彬 管明祥 單位:1.大連海事大學信息科學技術學院 2.深圳信息職業技術學院