HAPS資源管理及容量估算研究.pdf

1、隨著地面無線接力、衛(wèi)星和地面蜂窩等傳輸技術(shù)的突破，無線通信得到了飛速發(fā)展。近二十多年來，無線和有線兩種通信系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成了幾乎覆蓋全球的現(xiàn)代通信網(wǎng)，形成了信息事業(yè)蓬勃發(fā)展的大好形勢(shì)。但是，目前已有的通信系統(tǒng)仍各有弱點(diǎn)。有線通信只適用于固定用戶。蜂窩移動(dòng)通信需要建設(shè)大量的基站和天線，才能有足夠大的覆蓋范圍；同步衛(wèi)星的覆蓋范圍雖然很大，但它離地面太遠(yuǎn)，傳輸損耗很大，延時(shí)長(zhǎng)；中低軌衛(wèi)星必須采用幾十顆星組成星座才能持續(xù)為一個(gè)區(qū)域服務(wù)。正在發(fā)展

2、中的高空平臺(tái)站(HAPS)，其高度介于地面和各種通信衛(wèi)星之間。它利用良好的電波傳輸特性，通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)地面用戶之間、平臺(tái)之間或平臺(tái)與衛(wèi)星之間的通信連接，具有布局靈活、應(yīng)用廣泛、成本低廉、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。由高空平臺(tái)構(gòu)成的信息系統(tǒng)將是新一代的無線通信系統(tǒng)，它融合了陸地和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，又不同程度地避免了兩者的缺點(diǎn)，在通信領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛認(rèn)同，是現(xiàn)有通信方式的有效補(bǔ)充。積極開展高空平臺(tái)與有關(guān)信息系統(tǒng)的研究，有助于我國(guó)在通信事業(yè)上與國(guó)際先

3、進(jìn)技術(shù)保持同步，為通信事業(yè)開拓一個(gè)新的領(lǐng)域。
　　高空平臺(tái)通過使用多波束天線對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行分區(qū)覆蓋，實(shí)現(xiàn)了CDMA和SDMA混合多址接入技術(shù)，使得寬帶通信網(wǎng)系統(tǒng)容量和頻譜利用率的大幅度提高成為可能。天線技術(shù)，小區(qū)劃分，覆蓋方案，鏈路特性，干擾特性等都是高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于HAPS通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有非常重要的意義。在此背景下，本文重點(diǎn)對(duì)高空平臺(tái)通信的小區(qū)劃分，覆蓋，鏈路特性及小區(qū)干擾等從理論給予推導(dǎo)和數(shù)值分析，并在

4、此基礎(chǔ)上對(duì)高空平臺(tái)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)的呼叫接入控制(CAC)，熱點(diǎn)區(qū)域通信及系統(tǒng)容量估算等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入和系統(tǒng)的研究。
　　首先，本文給出了HAPS通信的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)HAPS通信覆蓋和鏈路特性做了大量的研究。通過給出3種小區(qū)劃分方法并對(duì)其性能和實(shí)現(xiàn)等方面給予比較。分析了功率控制對(duì)小區(qū)鏈路的影響，給出了有無功率控制下對(duì)系統(tǒng)性能的分析。為下一步的研究工作做充分的鋪墊。
　　其次，由于高空平臺(tái)的準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)致平臺(tái)接收信號(hào)的變化，要實(shí)現(xiàn)信

5、號(hào)動(dòng)態(tài)變化情況下的呼叫接入控制機(jī)制，并且保證各種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，需要采取特定的措施來避免平臺(tái)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)對(duì)接入控制機(jī)制的影響。針對(duì)現(xiàn)階段對(duì)HAPS研究基本都假設(shè)平臺(tái)靜止不動(dòng)或調(diào)整波束指向能夠補(bǔ)償由于高空平臺(tái)移動(dòng)造成的剩余指向誤差。本文重點(diǎn)研究高空平臺(tái)通信的準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，并在鏈路特性中反應(yīng)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)帶來的影響。本文通過建模把平臺(tái)的不穩(wěn)定特性通過上行鏈路的非理想功率控制來體現(xiàn)。為解決平臺(tái)不穩(wěn)定等造成接收信號(hào)隨機(jī)變化很大導(dǎo)致接入困難的問題，本文提

6、出了基于平均Eb/N0測(cè)量值的呼叫接入控制策略，與基于瞬時(shí)Eb/N0測(cè)量值相比，準(zhǔn)確真實(shí)的反映平臺(tái)接收信號(hào)的情況，消除平臺(tái)準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)而導(dǎo)致信號(hào)變化對(duì)呼叫接入控制的影響。同時(shí)通過對(duì)每種業(yè)務(wù)的新呼叫和切換呼叫設(shè)置不同的Eb/N0接入門限，該CAC機(jī)制很好的支持了多媒體業(yè)務(wù)。
　　再次，在高空平臺(tái)通信系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)高空平臺(tái)為同一區(qū)域服務(wù)或覆蓋區(qū)域有重疊的時(shí)候，位于覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶可以和多個(gè)高空平臺(tái)進(jìn)行通信。利用高空平臺(tái)通信結(jié)構(gòu)這種獨(dú)有的

7、優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)能夠極大的增加系統(tǒng)服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動(dòng)用戶容量，解決由于負(fù)載不均衡造成的無線信道資源無法滿足用戶需求的情況，為熱點(diǎn)區(qū)域通信問題提供很好的解決方案。本文提出了基于資源代理的資源分配算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能，處理資源分配過程中出現(xiàn)的各種情況，解決由于負(fù)載不均衡造成的無線資源無法滿足用戶需求的問題。本文對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域移動(dòng)用戶群的通信做了擴(kuò)展研究，通過對(duì)移動(dòng)用戶群采用業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)與呼叫量變化預(yù)測(cè)的方法，可以為移動(dòng)用戶群預(yù)留合適的資

8、源，避免了移動(dòng)用戶群切換時(shí)所需要大量資源而系統(tǒng)無法提供導(dǎo)致移動(dòng)群通信中斷的問題，具有很好的應(yīng)用前景。
　　最后，在當(dāng)前的無線通信體制中，系統(tǒng)容量主要受到來自帶寬與功率這兩方面物理?xiàng)l件的制約。HAPS作為無線通信的一個(gè)分支，系統(tǒng)容量主要也是受到上面兩個(gè)物理指標(biāo)的約束。而且在不同的系統(tǒng)和不同的技術(shù)體制下均需要建立相似但又不同的估算模型，涉及到大量的參量，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，工作量巨大。本文基于高空平臺(tái)通信的特點(diǎn)，在聯(lián)合帶寬和功率下給出了系統(tǒng)在頻