平流層通信

基本介紹

• 中文名：平流層通信
• 外文名：High Altitude Platform Stations
• 高度：在20km
• 縮寫：HAPS

簡介

則可以實現地面覆蓋半徑約500km的通信區。若在平流層安置250個充氦飛艇，可以實現覆蓋全球90%以上人口的地區。平流層通信系統和衛星通信系統相比，費用低廉、延遲時間小、建設快、容量大。它是在研究中的一種通信手段

平流層信息系統

平流層信息系統一般是指用位於平流層空間輕於空氣的、準靜止長駐空的飛艇作為平台，裝載一定的有效信息載荷，配合各種地面通信和終端設備所構成的系統，簡記為SCS。平流層平台所處的空間處於各種通信衛星和地面接力通信站之間，是地球上空一片尚未開墾的“處女地”，它的開發對未來通信發展具有極大的意義。

平流層信息平台（一般高度為二十幾公里）和通信衛星一樣位於地球的上空，但它不屬於衛星通信，因為按定義，“衛星是一個繞著另一個絕對質量占優勢的物體運動，它的運動在初期而且以後，永遠由那一個物體的引力所決定的物體”。平流層通信業務也不屬於空間無線通信，因為ITU定義的空間站是一種位於某一目標，且該目標超過或可能超過地球大氣主要範圍的站。平流層通信也不應屬於移動通信，因為它的大多數用戶終端的位置是固定的。有較多的理由把它看作是一種高密度固定業務（FS），因為它的功能很像高山頂的一個轉發站。因而ITU建議把它叫做“高空平台站”，簡記為HAPS。

把平流層通信系統的屬性弄清楚在管理上是很必要的。考慮到它屬於固定業務的範疇，因此ITU決定把可能分配給這種業務的47GHz/48GHz波段分配給HAPS使用。目前這個波段已被認為是平流層通信系統的主要頻段，但由於這個頻段的雨雪衰減較大，問題較多，因而不少國家正在研究採用其它頻段。

平流層信息平台研究驟然升溫

利用高空氣球或氣艇進行通信的想法由來已久，為什麼最近幾年驟然升溫，一些已開發國家競相投資進行研究呢?

80年代是衛星技術日益成熟並廣泛套用於通信廣播以及導航和定位領域的時代。因此人們很容易認為，衛星網路將是未來通信，特別是移動通信的主要手段。但科技人員早就知道，雖然同步通信衛星覆蓋範圍寬、通信容量大，能夠傳送大量的數據並組成跨越各大洲的數據通路，但是它的延時大，建造費用高。和地面網路相比，它不適用於把正在迅速興起的“通信計算機”和骨幹網連線起來，提供實時、互動的寬頻業務；它能夠提供大容量的下行通道，但地面用戶終端的上行通道卻很難拓寬，因為費用太高，一般用戶，如小辦公室或家庭辦公室甚至中小企業都難以負擔。在這種情況下低軌通信衛星網的方案應運而生。近十年來這種方案似乎是能夠實現“隨時隨地在任何人之間互通信息”的個人通信的唯一可行方案，可把全球各處每個用戶都連線起來。但是隨著研究工作的深入開展，問題不斷顯露。這種系統不但費資巨大，組成及操作複雜，效率不高，各個衛星運行的大部分時間都在海洋、荒漠或人煙稀少地區。而且終端機的價格昂貴，技術上也具有較大風險。不少問題事先較難預料，只能在整個衛星星座組成、系統運行之後才可能被發現、被認識，對於系統的維護與完善來說，這顯然是太遲了。在設計系統時，不可避免的一些局部毛病或某些環節的問題都將對整個系統的運行產生影響，從而難以實現預期收益。正在建造的銥星系統所遇的困難就是“前車之鑑”。

平流層信息系統就是在上述情況下提出的。從理論上說，這種新型的通信體制基本上具有已有各種通信體制的優點，而沒有它們的缺點。它的延時小、造價低，只用一個平台就可以獨立地實現一個地區的通信，也可以由若干個平台構成地區性的，甚至是全球性的信息網路，提供實時、互動式的寬頻通信。當然要使這種系統付諸實用，也還有不少技術和組織問題需要解決。但在科學技術高度發展的今天，這些技術問題有的已經解決了，有的在近期內也是可以解決的。因而，一些技術先進國家先後成立機構，開展研究，預計3～5年內將把這種新通信系統投入套用。這種情況我們應該重視。

平流層通信系統及其特點

平流層通信系統具有一些重要的特點：

（1）和衛星通信相比，平台與地面的距離分別是同步衛星、中軌衛星和低軌衛星的1/1800、1/400和1/40，自由空間衰減分別減少65dB、52dB、32dB，延遲時間只有0．5ms，有利於通信終端的小型化、寬頻化和雙工數據流的對稱傳輸和互操作，實現對稱雙工的無線接入。

（2）與地面平台相比，高度為20km的平流層平台的作用距離遠、覆蓋地區大。作為一個高空接力站時作用距離約為1 000km，比地面接力站約大10倍，信道衰落（按Ricean衰減特性）為20dB/10倍程，而地面系統（按Rayleigh衰減特性）的衰減為50dB/10倍程。發射功率可顯著減少。作為探測平台時，比一般高度為1萬米的飛機的探測距離遠70%。

（3）平流層平台的位置機動靈活，既適用於城市，也可用於海洋、山區，還可以迅速轉移，用於發生自然災害的地區，如洪水、火山的監測。

（4）造價低，通信資費低，據估算，平流層平台的放飛、回收和日常的監測可利用一般的民航導航與氣象系統，不需特殊的複雜龐大的發射基地，因而造價較低，估算每一平台造價只為通信衛星的1/10。而且每個平台都可以獨立運行，不像低軌通信衛星那樣需發射幾十甚至上百顆衛星並組成星座之後才能工作，因而建設周期短，初期投資少。一般端機價格很低，通信資費也可以不高於已有的公眾電話。

（5）平台可以回收，不會像衛星那樣失效後變成空間垃圾，有利於環境保護。此外，平台高度在民航高度以上，不會對空中航行安全造成影響。

（6）平台位於國境之內，主權、使用權、管理權均屬本國，所使用頻段一般也不受國際規定的限制，有利於研製開發適用於本國的產品。

國外平流層通信研究概況

利用氣球、飛艇或無人駕駛飛機在2萬米以上高空從事軍事偵察或科學探測的工作已經有很長的歷史。這裡只討論近年來正在發展中的高空平台系統HAPS的情況。

1997年以來，美、日、西歐和南韓先後成立了幾個公司或專門機構從事平流層通信系統的研究。這些公司的領導人不少是各已開發國家退職的軍政要人（如美國的黑格將軍）、大企業家和大投資商，歐洲由歐空局（ESA）負責，日本則由郵政省與科技廳聯合領導，參加單位除東京大學、京都大學和一些研究所外，不少大企業，如川崎重工、富士重工、日立、東芝、石川島播磨重工等也都擔負了研發任務，加、澳、法、英等國的一些航天、電子企業，如義大利的Alenia、法國的Thomson公司等也都積極參與。

據報導，SSI公司計畫於2000年夏季進行長度為110m、直徑20m的飛艇縮尺試驗（高度7～18km），2001年定型，2002年推出第一代產品20～30台，2005年前完成建立250個台的計畫，用於寬頻移動通信、無線Internet和地球環境監測等方面。日本的計畫是：在2001年之前進行幾次“小尺寸”試驗，2005年開始商業試用，建立幾至幾十個平台，用於國內通信、災害監測、廣播和IMT—2000等領域，使用2GHz和10GHz頻段；歐空局和南韓只做了可行性論證，尚未有具體計畫。

美SSI、日本、ESA和韓國等國各平流層平台的主要參數。這幾種系統的信息有效載荷重量都是1噸，功耗10kW，但平台容積和總重量差別較大。SSI的容積和重量分別是170 000m3和10．4噸；日本的是4．8×105m3和32．4噸；ESA的各項參數與日本較為接近；韓國設計的平台和重量都很小。這些平台雖然大都通過了可行性論證，但仍屬“紙上談兵”，目前還沒有做成1∶1的樣機，近兩三年內主要工作是做小尺寸平台試驗和主要部件與關鍵技術研究工作。現在來討論哪一種設計比較合理為時尚早，但可以肯定：能量供應系統是一個決定性的因素。SSI公司最初設計的平台採用效率高的離子推進器來平衡平流層風力，以保持平台的位置穩定。據報導，這種推進器採用離子為介質產生推進力，設備簡單、效率高，因而平台所需的能量供給系統總重量只需4．9噸（含通信有效載荷1噸）。日本的平台採用3台螺旋槳推進器，平台所需能量由太陽能電池板及燃料電池等提供，總重量為11．2噸。ESA平台也採用螺旋槳推進器（設計平流層風速為25m/s），能量裝置總重量為10．15噸。後兩者所採用的推進器類型相同，平台能量估算也較相近。1998年SSI公司正式宣布，鑒於離子推進器技術尚不成熟，該公司設計的平台也決定採用螺旋槳推進器，氣艇長度也增加至200m。

平台位置穩定問題

平流層中的氣流隨季節和地域而變化，夏季低緯度地區氣流比較穩定，平均風速為10m/s～40m/s。平台將隨風飄動，必須設法平衡風力作用使平台保持穩定，這是平流層平台和衛星的根本差別，也是輕於空氣的氣艇一直未能用於通信系統的基本原因。

對平流層位置穩定度的要求目前還沒有確定。1997年SSI公司曾提出穩定度為±40m，這是很高的指標，實際上很難做到。如何對平台三維穩定度提出合理要求是一個必須研究的課題。對地面用戶而言，平台位置變化對用戶接收電平有直接影響，接收天線有效面積越大，方向性越好，則接收電平隨平台位置變化也越大。在整體設計時對各個子系統的要求應合理安排，不能對某一指標（例如平台穩定度）要求過高。目前一般認為平台位置穩定度以幾百米的量級計比較合適。日本計畫於2005年前投入套用的平台，其穩定度暫定為±1 000m；2008年爭取提高至±200m。

平流層通信的發展

實際上，在高空大氣層建立有源或無源的通信平台早已不是一個新的想法。早在1960年美國的貝爾實驗室(Bell Lab.)曾發射Echo號大型氣球，利用它對信號的反射提供長距離電話服務。後來，美國國家宇航局(NASA，National Aeronautics Space Administration)的國家噴氣推進實驗室又計畫採用由地面發射微波束供電的無人駕駛飛機構造平流層無線中繼系統，但它存在微波傳輸的效率低、地面站的成本高以及大功率微波輻射對經過該空間的其他飛行物可能造成傷害等一系列問題。除此之外，加拿大的通信研究中心(CRC，Communication Research Center)、美國的NASA和日本的通信研究實驗室(CRL，Communication Research Laboratory)都對平流層平台開展了許多研究，但由於當時對平流層平台的位置穩定和能源問題一直無法解決，所以有關平流層通信系統的研究也一直沒能獲得實質性進展。直到最近，由於高效率離子推進器的發明加上GPS技術的使用以及燃料電池性能的不斷完善，建立平流層通信系統的規劃重新引起了美國、日本等世界各國政府與研究者的重視和關注。美國的Sky Station Inc.已經向美國聯邦通信委員會(FCC)申請了47/48GHz的600MHz頻帶作為平流層通信的上行和下行使用頻率。該公司計畫共發射250個平流層平台覆蓋全球範圍，為每個用戶提供從64kbit/s到1Mbit/s的接入服務。在日本，成立了由郵政省與科學技術廳以及多個大型企業共同組成的平流層平台開發協會，通過了平流層通信的國家立項，並已提出了平流層無線系統的可行性報告，準備用長度達300m重量為30t的氦氣充填飛艇組成平流層平台。允許有效載荷1t，需要消耗電能10kW。他們計畫用50個平流層平台構成覆蓋日本全國的空中通信網，5年後進入實用化階段。美國的Angel公司則提出了用飛行器的高空遙控(HALO)網的結構及其操作的概念。飛行器是經過改裝專門用來運載HALO網路中心部分的。它能運載大約1t重的物體在平流層飛行。這種飛行器實際上是用來提供無線商業服務的裝備車。為了提供連續的服務，一隊飛行器將輪流循環服務。每次在站上要工作約8小時。飛行器將保持工作站在海拔15.5km的高度，而它的空間形狀像一個扭曲的圓環，標準直徑小於14.8km。它的垂直仰角將大於20°，信號區域將覆蓋約2000到3000km。韓國的一項關於平流層通信系統在技術上的可行性研究完成於1998年，它是由韓國信息和通信部提供資助，韓國的兩個政府研究所和一個私人研究所參加了這項工作。目前的研究工作集中在國際標準化和平流層通信系統的關鍵技術的發展。在我國，平流層通信技術也已開始引起人們的重視和注意，從1998年開始，上海交通大學現代通信研究所平流層通信小組在上海市科委以及國家自然科學基金委的資助下開展了平流層通信的可行性預研以及平流層通信系統的關鍵技術研究。此外，國家信息產業部下屬的平流層平台小組目前也在進行平流層平台的可行性預研工作以及小型平台的研製工作。

平台覆蓋區及其套用

高空平台作為一個承載工具可以有各種套用，如通信、廣播、遙感或科學探測等等。本文以通信為例介紹有關特點和問題。

平台通信業務的覆蓋區域決定於覆蓋區邊緣至平台的仰角，仰角越小，覆蓋區越大，但覆蓋區內不同地點的用戶至平台之間的距離差別也越大。SSI公司把平台視線所及的整個覆蓋區分為市區、近郊區和遠郊區，各區邊緣至平台的仰角分別為θ=30°、10°和0°，各區半徑分別為0、125和540km，每個覆蓋區又分為700個蜂窩小區，三個覆蓋區共有2 100個小區，按7個小區可重複使用同一個頻率計算，頻段再用率為300。在ITU所指定的47～48GHz頻段中其可使用的頻帶為300MHz，按每赫茲1比特的調製效率計算，可提供150萬個64kbit/s的實時信道。假定每個用戶平均每天通話2．4小時，則一個平台可有600萬個64kbit/s的數字電話用戶，或150萬個碼率為256kbit/s的寬頻用戶，或18．75萬個碼率為2Mbit/s的E1用戶。

日本提出一種把平流層系統與其它地面寬頻系統（如美國ATM Fo-rum建議的“無線ATM系統”和日本的MMAC系統）相結合的方案。計畫用100～200個平台構成一個覆蓋日本全境的格線形網路，每個平台覆蓋面積為40×40km2（劃分為64個直徑5km的蜂窩），相鄰的平台用光通道相連，通信容量極大，魯棒性也好，因為從信源至任何終端都可以有很多路由可供選擇。這種網路的用途也很廣，採用30GHz頻段時，可以適用於144kbit/s的移動終端、32Mbit/s的攜帶型終端，或高於620Mbit/s的固定終端。他們認為：這種平台系統還可以實現通過無線接入直接把信息送達各種用戶終端，解決“最後一公里”的問題，其價格遠低於光纖到戶，是一種具有極高競爭力的建設信息基礎設施的新型通信體系。

1997年ITU通過把47GHz～48GHz頻段、寬度為600MHz的頻帶分配給平台固定業務使用。這個頻段的特點是波長短，天線尺寸小，但雨雪衰減大。目前美日有關機構都在努力爭取ITU的2000年會議上能安排其它頻段，如2、10、20、30GHz等供平台系統使用。

小結

平流層信息平台的營建是一個巨大的系統工程，涉及能源、材料、大氣環境、和空氣動力學（稀薄氣體條件下的），以及平台的位置保持、姿態穩定等控制技術和放飛、回收等問題。平台的有效載荷是各種電子信息系統。與平台本身相比，信息技術比較成熟，但作為一種新的通信體制卻仍有許多重要問題需深入研究。頻段的確定是關鍵問題之一。此外電子系統如何與平台的能源、溫度壓力和保持穩定等支持系統相適應，如何與其它各種通信系統，如地面通信系統，衛星通信系統等相兼容，構成能互連互通互操作的信息基礎設施，都是必須研究解決的問題。這些問題大多需要從基礎研究著手，從理論上加以解決。

平台的建造也是一個實踐性很強的項目，不少問題必須在實踐中反覆試驗，不斷改進，才能使系統更為完善。近幾年來國外有關單位圍繞平台的建造，投入了巨大的人力，物力，組織了幾乎涉及全社會各方面的機構（包括科研，金融，製造廠商等），開展了範圍廣泛的多學科研究和多行業的協作配合，開發這個可用於通信的尚未開墾的“處女地”。

可以預期，這種新通信體系的建立已指日可待。我們可及早抓住機會，開展有關工作，爭取這種新型的通信系統能早日套用，為中國信息基礎建設增添一份力量。