（通信与信息系统专业论文）平流层通信系统研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名：圣! ：塾毽 ，本人承担一切相关责任。 日期：塑! ! ：兰：! 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：! ! ! ：兰：? _ 一 越来越受到人们 台( h a p s ，h i g h a l t i t u d ep l a t f o r ms t a t i o n s ) 与地面进行通信。平台一般位于距离地 面1 7 至2 2 k m 处，利用飞艇，无人飞机等作为载体。平流层通信 具有覆盖范围广，自由空间损耗小，建设成本低廉，多径效应引 起的衰落小等优点，是一种极具潜力的通信手段。尤其是近年来 多波束天线的发展，使高空平台可以实现对地面的蜂窝覆盖，提 供移动通信服务，宽带接入服务等。 正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 频谱利用率高，易于实现高速率的宽带传输，可以有效的抵抗多径效 应，改善h a p s 通信系统在低仰角处受多径效应的影响加剧的缺点。 综合考虑o f d m 在宽带传输和抗多径等方面的巨大优势，本文提出 的基于h a p s 的通信系统采用o f d m 作为物理层的关键技术。 本文的主要内容是研究平流层移动通信系统，即基于h a p s 的移 动通信系统。重点研究基于h a p s 的移动通信系统模型和基于h a p s 的o f d m 系统。 本文针对基于h a p s 的通信系统，研究了基于o f d m 技术的 h a p s 通信系统模型，包括系统组成，信道模型和链路级仿真模型等， 通过对系统的链路级仿真，理论上证明了该系统的可行性。针对基于 h a p s 的o f d m 系统对定时和频率偏移敏感的缺陷重点研究了基于 h a p s 平台的o f d m 同步方案。分析了几种联合定时估计和频偏估 计算法的性能和优缺点，设计了基于i - l a p s 的o f d m 同步方案。同 步方案包括具体的h a p s o f d m 的帧格式，帧到达检测策略，定时 同步算法，频偏估计。最后采用该同步方案进行了链路级仿真，仿真 结果表明应用了同步策略的h a p s o f d m 系统性能有了很大提高。 关键字平流层高空平台正交频分复用同步 。 t ob o t hm o b i l ea n df i x e du s e r so v e rab r o a dc o v e r a g ea r e au s i n g m u l t i p l e - b e a ma n t e n n a w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，u s e rn e e d s h i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c e s 0 f d ms y s t e m i sak i n do f o r t h o g o n a lm u l t i c a r d e rt r a n s m i s s i o n ；c a ne a s yt oa c h i e v eh i g h s p e e d b r o a d b a n dt r a n s m i s s i o n s ot h i sp a p e rp r e s e n t sah a p sp l a t f o r mf o r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mu s e so f d ma st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ep h y s i c a l l a y e r t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e r a r et o s t u d y t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s b a s e do nh a p s i n t h i s p a p e r ，t h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d e lb a s e do nh a p s ，i n c l u d i n gs y s t e m c o m p o n e n t s ，t h ec h a n n e lm o d e la n dt h es i m u l a t i o nm o d e l ，i sr e s e a r c h e d t h ep e r f o r m a n c ea n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es t r a t o s p h e r i cc o m m u n i c a t i o n s y s t e mu s i n go f d m a r ea n a l y z e db ys i m u l a t i o n t h e nt h eo f d ms y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sr e s e a r c h e dt oi m p r o v e t h es h o r t c o m i n g so fh a p sp l a t f o r mb a s e do n0 f d mt h a ti ss e n s i t i v et o t h et i m i n ga n df r e q u e n c yo f f s e t t h ep e r f o r m a n c eo fs e v e r a lt i m i n g i l e s t i m a t i o na n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h ma r ea n a l y z e da n d o f d ms y n c h r o n i z a t i o ns t r a t e g yi sp r o p o s e db a s e do nh a p sp l a t f o r m s y n c h r o n i z a t i o ns t r a t e g yi n c l u d e st h ed e s i g no fas p e c i f i ch a p s 0 f d m f r a m ef o r m a t ，f r a m ea r r i v a ld e t e c t i o ns t r a t e g y , i m p r o v et h et i m i n g s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，f r e q u e n c y o f f s i e te s t i m a t i o n a tl a s t ，t h e l i n k - l e v e ls i m u l a t i o nu s i n gt h i ss y n c h r o n i z a t i o ns t r a t e g yi sd o n ea n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mp e r f o r m a n c eh a sg r e a t l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：s t r a t o s p h e r e ，h a p s ，o f d m ，s y n c h r o n i z a t i o n i i i 论文 2 2 1无线信道介绍1 0 2 2 2 信道统计模型介绍1 2 2 2 3 h a p s 无线信道1 4 2 3 h a p s 系统的多波束覆盖方案1 6 2 3 1 现有多波束覆盖方案介绍1 7 2 4 本章小结1 8 第三章o f d m 基本原理及其相关技术2 0 3 1 o f d m 背景和发展现状2 0 3 2 o f d m 基本原理2 l 3 3 o f d m 的f f t 实现原理2 2 3 4 o f d m 的保护间隔和循环前缀2 3 3 5 o f d m 的优缺点2 4 3 6 本章小结2 5 第四章基于h a p s 的o f d m 系统及其链路级仿真2 6 4 1 基于h a p s 的o f d m 系统2 6 4 2 h a p s o f d m 系统的链路预算2 6 4 3 链路级仿真2 8 4 4 仿真结果及性能分析2 9 1 1 l 3 3 3 4 4 6 8 8 o 1 北京邮i 乜人学硕l ：学位论文 4 5 本章小结3l 第五章h a p s o f d m 系统的同步算法研究3 2 5 1 o f d m 系统中所受i c i 的影响分析3 2 5 1 1 时变信道产生的i c i 3 2 5 1 2 频率偏移产生的i c i 3 3 5 1 3 定时偏差产生的i c i 3 3 5 2 o f d m 的同步技术介绍3 4 5 2 1 定时同步3 4 5 2 2 载波同步3 5 5 3 联合定时同步和频偏估计算法研究3 6 5 3 1 基于循环前缀的最大似然估计( m l ) 算法3 6 5 3 2 基于导频及训练序列的相关算法3 8 5 3 3 s c h m i d l & c o x 算法3 9 5 4 基于h a p s o f d m 的同步策略4 4 5 4 1 帧格式4 4 5 4 2 帧到达检测4 4 5 4 3 s c h m i d l & c o x 改进算法一4 5 5 4 4 算法流程4 6 5 4 5 仿真结果分析：。4 7 5 5 本章小结4 8 第六章总结和展望5 0 参考文献5 2 致谢5 5 作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 6 v 北京邮电人学硕l ：学位论文 1 1研究背景和意义 第一章绪论 进入2 1 世纪以来，移动通信技术飞速发展。目前已有的移动通信，主要包 括两类，一类是地面蜂窝移动通信，它把整个大范围的服务区划分成许多小 区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，主要技 术有g s m ，c d m a ，3 g 技术，l t e 等。另一类是低轨卫星移动通信系统，利用 卫星转发地面用户信号，主要技术有铱( i r i d i u m ) 系统和全球星系统( g l o b a l s t a r ) 系统等。地面蜂窝网的缺点主要是不能或不适宜覆盖人烟稀少的高山，沙 漠，海洋和南北极等地方，受多径效应影响较大。卫星移动通信的缺点则是系统 复杂，成本较高，自由空间损耗大，地面用户的发射功率大等。n 2 ， 近些年来，平流层通信作为一种新的通信手段，越来越受到人们的重视和关 注。平流层通信是指在平流层空间使用准静止的长驻空飞行平台( 气球、飞机、 飞船、飞艇等) 作为高空通信平台，平台高度距地面1 7 2 2k m 。一方面与地面 控制设备、信息接口设备以及各种类型的无线用户终端进行通信，另一方面也可 以与平流层平台或卫星进行通信，从而构成完备的、自成体系的天地空一体化综 合信息移动通信网络系统。可以提供多用户、多用途的各种固定、移动、宽带、 窄带通信业务等。【3 】 4 5 1 平流层通信系统和卫星通信系统相比，它往返延迟短、自由空间衰耗小、费 用低廉、建设快、容量大，有利于实现通信终端的小型化、宽带化和对称双工的 无线接入口儿引，与地面蜂窝系统相比，平流层平台的作用距离远、覆盖区域大、 信道衰落小，不但大大降低了建设地面信息基础设施的费用，而且也降低了对基 站周围的辐射污染。因此，它是很有发展前途的一种通信手段。 1 2平流层通信系统发展现状 近些年来，平流层通信作为一种具有广阔发展和应用前景的通信技术，受到 众多国家的关注。2 0 0 0 年世界无线电通信大会( w r c 0 0 ) 已经规定h a p s 可以 用于第三代移动通信i m t - - 2 0 0 0 系统中。美、日、韩和欧盟等一些国家已经开 始了深入的研究工作，其中美国和日本走在前列。 北京邮电人学硕 ：学位论文 美国s s i ( s k ys t a t i o ni n t e r n a t i o n a l ) 研究公司于1 9 9 7 年最早提出建造平流层 通信平台的建议。后来欧空局、日本和韩国也都开展有关研究工作。 1 9 9 7 年，i t u r 成立高空平台通信课题组，专门对与平流层平台通信有关的 建议进行研究。1 9 9 7 年1 1 月，国际电信联盟：平流层平台通信可以合法的、并且 独家使用4 7 g h z 的无线频率。这一裁决使平流层业务合法化。1 9 9 9 年i t u r 通 过高空平台通信与其它业务的频率共享问题的决议。2 0 0 0 年i t u 规定h a p s 可 以用于第三代移动通信i m t - - 2 0 0 0 系统中。 在日本2 0 0 0 一 2 0 0 4 年的“千年计划 中，安排了2 次试验机( 试验艇长分 别为4 8m 和6 4m ) 的飞行试验， 对飞艇材料、结构，以及飞艇的放飞、回 收，以及测控系统的设计与运行等关键技术问题，进行试验和技术评估。同本 还于1 9 9 9 年5 月间召开了一次平流层平台系统研讨会s p s w 9 9 ，介绍了他们 的方案和计划。韩国政府在2 0 0 3 财政年度投入1 亿美元用于平流层平台和艇载 通信设备的预研。2 0 0 5 年8 月，德国首次成功实现位于2 2 k m 平流层高空的能发 射激光束的终端设备与地面每秒1 2 5 千兆的高速通信。另外英国、法国等欧洲 国家和以色列、印度、巴西等国也开始了本国的国家级预研计划。 7 踟 2 0 0 6 年1 0 月美国无线网络( s a n s w i r en e t w o r k s ) 公司展开对第一颗平流层 卫星s t r a t e l l i t e 无线2 a 的技术测试。该商用平流层飞艇长约7 4 米，配备有6 个 g p s 单元以及各种科研仪器：如用于因特网，高清晰数字电视，图像传播以及其 他通信网络的仪器。可以为半径2 0 0 英里范围的居民提供无线服务，这几乎是整 个德克萨斯的大小。口1 在我国，研制“平流层通信系统”的问题于1 9 9 7 年末提出，受到各界高度 重视。8 6 3 通信主题组，原电子科学研究院和教育部等部门，先后拨款支持进 行软课题研究。有关单位，如航天总公司、信息产业部各研究所、清华大学、 上海交通大学和北航等都积极参与有关研究工作。在信息产业部电科院领导下， 先后参加在日本召开的平流层信息平台国际会议，并对国内有关情况进行调研； 6 0 5 研究所和上海交通大学等单位，分别提出了飞艇的初步设计方案和测控系 统。6 0 5 研究所还为清华大学制作了一个长为1 5m 直径为4m 的概念性演示艇， 主要进行对地观察，无线i n t e m e t 接入和无线多媒体通信三方面的试验。飞艇 于2 0 0 1 年4 月间在清华园试飞，并和地面各种设备连接，取得了一些结果，如 拍摄并制作了清华园的平面图。此次演示虽然规模小，仍然能够反映出高空平 台通信系统的一些问题，并取得了飞艇放飞、回收控制的初步经验，对今后的 工作有一定参考价值。但我国目前的研究仍处在技术跟踪、原理设计的预研阶段。 缺乏第一手实验数据是与国外最主要的差距。此外，在平流层平台载体方面，即 飞艇，无人飞机的制造技术方面，也与国外有着明显差距。 2 北京邮l l 王人学硕i ：学位论文 1 3平流层通信简介 平流层通信系统是指在平流层中下部区域( 距地面1 7 2 2 公罩) 建立通信平 台，与地面控制设备、入口设备以及多种无线用户构成的完备的、自成体系的移 动通信网络，提供多用户、多用途，各种固定、移动、宽带、窄带通信业务。 1 3 1 平流层的气象条件 平流层，亦称同温层，是地球大气层里上热下冷的一层，此层被分成不 同的温度层，其中高温层置于顶部，而低温层位于低部。它与位于其下贴 近地表的对流层刚好相反，对流层是上冷下热的。在中纬度地区，平流层 位于离地表1 0 公里至5 0 公里的高度，而在极地，此层则始于离地表8 公 里左右。平流层是夹于对流层与中问层之间。 平流层与对流层相比有很多优点：温度随高度不变或微升；没有强烈的 对流运动，气流平稳；水气、尘埃等非常少，很少出现云和降水。而对流 层位于地球大气的最底层，对流层内集中了约7 5 的大气质量和9 0 以上的 水气，同时对流与湍流十分强烈。h 1 平流层通信平台通常位于1 7 - 2 2 k m 之间，该区域空气稀薄、气温低，有严重 的臭氧腐蚀和强烈的紫外线破坏，但气象状况远不如航空空间那样复杂，雷暴闪 电较少，也没有云、雨和大气湍流现象，由于它比太空低很多，到达那里的难度、 费用和风险自然也就小得多；而它比“天空又高很多，对于雷达探测、侦察监 视、提供移动通信服务以及等，都有很好发展潜力。嘲 迄今为止，这部分区域还没有得到很好的利用，具有非常广阔的发展前景。 1 3 2 平流层平台载体介绍 平流层通信的实现，需要建立一个稳定的高空通信平台。所谓高空通信平台， 是指长时间、准静止运动于平流层中下部( 距离地面约1 7 - - - , 2 2 k r n ) ，并可承载一定 规模有效载荷的空中信息平台。以下对常见的几种平流层通信平台进行简单介 绍：嘲 平流层飞艇，采用航空飞行器设计思想，具有较大的气囊，充满轻质气体( 如 氦气) ，可依靠空气浮力来平衡飞行器重力，一般靠太阳能提供动力，靠螺旋 桨推力来克服阻力，可定点悬停，能低速水平飞行，机动性能较好。 热气球，具有较大气囊，可充灌轻质气体，无推进动力装置，依靠空气浮力 进入临近空间。其特点是制作简单、成本低，但易受风力影响，定点和机动性 能差。 北京邮电人学硕i ：学位论文 无人飞机，可采用太阳能、氢燃料电池等新型能源，依靠空气动力达到临近 空间。其特点是：可快速机动，可替代低轨道侦察卫星，执行高空持久监视、 情报搜集和通信中继等任务。 亚轨道飞行器，是指在高度上抵达临近空间顶层、但速度尚不足以完成绕地 球轨道运转的飞行器，其速度一般在5 一1 5 马赫之间，任务完成后可返回地球， 能够重复使用。 其他种类的航空平台是无人航空工具u a v ( u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ) 。比如， 小的带燃料的无人航空器，它们有短期的任务，并且工作在适当的高度，主要用 于军事监视。但是它们作为通信中继结点似乎能力有限，主要是由于它们相对短 的持续时间。 1 3 3 平流层通信的频段划分 国际电信联盟( i t u ) 在1 9 9 7 年，2 0 0 0 年，2 0 0 3 年的世界无线电大会中对平 流层通信的可用频率进行了规划。 1 9 9 7 年世界无线电大会( w r c 9 7 ) 划分4 7 2 g h z - - - 4 7 5 g h z ( 下行) ， 4 7 9 g h z - - - 4 8 2 g h z ( 上行) 共计6 0 0 m h z 为可用频率，应用于固定业务。2 0 0 0 年世界无线电通信大会( w r c 0 0 ) 规定h a p s 可以用于第三代移动通信i m t 一 2 0 0 0 系统中。根据w r c - - 2 0 0 0 第2 2 1 号决议，在第一区和第三区的1 8 8 5 m h z - - , 1 9 8 0 m h z 、2 0 1 0 m h z 2 0 2 5 m h z 和2 1 1 0 m h z 2 1 7 0 m h z 频带，第二区的 1 8 8 5 m h z - - 1 9 8 0 m h z 和2 1 1 0 m h z 、一2 1 6 0 m h z 频带，可以利用h a p s 提供i m t - - 2 0 0 0 业务，即移动业务，中国属于第三区。由于4 7 4 8 g h z 频段受雨衰影响比 较大，因此i t u 建议在亚洲可以用2 8 3 1 g h z 代替4 7 4 8 g h z ，特别是使用 2 7 5 g h z 2 8 3 5 g h z 、31 0 g h z - 31 3 g h z 频段。 在这些频段当中，2 g h z 频段的电波能够穿透建筑物或其它障碍物而在移动终 端间建立通信链路，因而该频段广泛地应用于陆地或卫星移动通信系统。 4 7 4 8 g h z 频段受雨衰影响比较大，难以保证通信链路的通信可靠性。而频段越 高，穿透建筑物的损耗就越大。因此在平流层通信系统中可以首先采用传播特性 和通信可靠性分析以及应用都比较成熟的2 g h z 频段，然后在技术条件成熟时再 选用18 - 3 2 g h z 或4 7 4 8 g h z 频段。 1 3 4 平流层通信的优势和发展前景 平流层通信与卫星技术和地面移动通信技术相比都有很明显的优势：嘲 ( 1 ) 延迟小：与卫星技术相比，平流层信息平台与地面的距离只有卫星高度 1 1 8 0 0 ( 高轨) 、1 5 0 0 ( 中轨) 、1 5 0 ( 低轨) ，因此无线信号传播延迟小( 从 4 北京邮电人学硕 ：学位论文 2 5 0 m s 减少到0 5 m s ) 、自由空间衰耗小( 分别减少6 5 d b 、5 4 d b 和3 4 d b ) ，有利 于通信终端的小型化、宽带化。 ( 2 ) 覆盖区域大：与地面系统相比，平流层信息平台作用距离远，覆盖区域 大，无线信道衰落小。 ( 3 ) 容量大：平流层通信平台能实现较高的频率复用( 信息平台可以产生7 0 0 个六边形蜂窝小区，若每7 个小区重复使用一次频段，则频段再用率可达1 0 0 ) ， 用作因特网接口可向1 5 亿多个6 4 k b i t s 数字通信用户提供优质服务，或者向 3 7 5 亿个用户提供2 5 6 k b i t s 的视频业务。当然随着调制效率的提高、波束形 成技术的进一步发展，可服务的用户数将大幅度增加。 ( 4 ) 适用性广：既适合于城市人口密集区，也适合于农村人口稀少区：既适 合于固定业务，也适合于移动业务：既适合于窄带业务，也适合于宽带业务。 ( 5 ) 系统造价低，通信资费便宜：通信平台可自行升空、移动并定点，可进行 地面维修、回收、更新和再部署，因此空间平台的制造、发射、维护、回收的费 用比较低，大概只有卫星平台的1 1 0 ：而用户终端的费用仅有1 0 0 - - - 2 0 0 美元， 有可能把电信业务费用普遍降低一个数量级，为世界各地的用户提供每分钟费 用仅几美分的w w w 业务及便携式可视电话业务。 ( 6 ) 快速部署：平流层平台从发送至部署完毕，只需要几天，甚至几个小时， 这在紧急事件中特别有用。比如说自然灾难，执行军事任务，陆地网络被破坏时， 发生重大事件时。7 平流层通信在以下方面有应用前景：嗨1 1 提供移动通信服务。平流层通信平台可以提供3 g 服务 ( w c d m a ，t d s c d m a ，c d m a ，) 或是2 g 服务( i s - 9 5 ，g s m ) 。平流层通信平台既可以单 独提供覆盖一定区域的无线接入服务，也可以作为现有移动通信系统的补充。可 以在人烟稀少的不发达区域部署，可以提供快速部署，可以作为人口密集的发达 地区的后备和补充。平流层通信平台覆盖范围大，因此不需要大量的地面基站的 部署，节省费用，可以提供大范围，低费用的移动通信服务 2 可以提供w i m a x 等无线宽带接入服务，满足宽带移动多媒体通信的需要。 3 可以应用于紧急事件和灾难事件。由于平流层平台具有快速部署的特点， 因此特别适合于紧急事件或灾难事件，例如遇到自然灾害或突发事件，可以临 时升空或紧急调度一个平流层通信平台到事发地上空，为散布在现场的工作人 员提供迅速可靠的通信联络保障。 4 军事应用。在已经存在的军事网络中，平流层平台可以作为一个节点，或 者作为一个替代卫星( 在这种情况下，携带卫星负载并且和传统的卫星通信终 端通信) 。除了提供通信能力外，另一个好处是距离地面较近，因此终端需要 5 北京邮i 乜人学硕j ：学位论文 较少的能源，有利于终端小型化。随着传感器技术、新材料技术领域取得进展， 平流层通信的军事利用价值越来越大。平流层通信平台在情报、监视、侦察、通 信中继、预警与导航、电子战方面比地面系统和卫星系统更具优势。 5 可以为不发达地区，人烟稀少地区提供高质量的数字电视广播服务，甚至 可以提供按需点播的电视业务等。 6 处于飞机航线上，可与雷达相结合，支持侦查任务，并通过无线网络快速 传回数据。 表卜1 平流层通信，地面蜂窝系统，低轨卫星网的性能比较 平流层通信平地面蜂窝系统低轨卫星 厶 口 传播延迟小小大 单个基站覆盖2 0 0 k m几到十几k m大于1 0 0 0 k m 半径 蜂窝半径 1 一l o k m 微蜂窝0 卜l k m大于2 0 0 k m 建设时间有一个平台和需要大量基站在整个系统建立后才能 相应地面设施运行 就可以运行，可 快速部署 无线信道近似于有莱斯瑞利衰落限制近似于有莱斯快衰落的 快衰落的自由了通信距离和自由空间信道 空间信道传输速率 室内应用 可以可以一般不可以 系统扩容通过减小点波将小区分小可系统扩容须增加卫星，硬 束尺寸和增加 以增大容量，设件升级须更换卫星 平台数扩大容备容易升级和 量维修 平流层通信系统提供的业务具有多样性，适应性好等特点。既适用于城市人 口密集区，又适用于远郊及农村地区；既适用于固定业务，又适用于移动业务； 即适用于窄带通信，又适用于宽带通信。因此说平流层通信技术将是继卫星通信 和地面蜂窝移动通信之后的又一项有广泛应用意义的新型移动通信技术。 1 4本文研究的主要内容 本文的主要内容是研究平流层移动通信系统，即基于h a p s 的移动通信系统。 重点研究基于h a p s 的移动通信系统模型和基于h a p s 的o f d m 系统。本文的具体 章节安排如下： 第二章研究基于h a p s 平台的移动通信系统模型，包括系统组成，信道模型。 6 北京邮i n 人学硕 ：学位论文 并对现有的h a p s 平台的多波束覆盖方案进行了介绍和研究。 第三章介绍o f d m 技术，对o f d m 的背景，发展现状，原理进行详细的介 绍和研究。 第四章建立了将o f d m 应用于h a p s 通信平台的方案和仿真模型，进来了 详细的链路预算，对基于h a p s 平台的o f d m 通信系统进行了链路级仿真，分 析了这种通信系统的性能和可行性。 第五章详细了研究了o f d m 系统的各种同步算法，针对基于h a p s 的o f d m 系统受频率偏移的影响比较大这个缺陷，设计了基于h a p s 平台的o f d m 同步 解决方案，包括帧到达检测，定时同步，频偏估计。并且进行了采用同步方案的 链路级仿真。最后对仿真结果进行了详细分析。 第六章对本文研究的内容进行总结，给出结论，并对以后的研究工作做出展 望。 7 北京邮i 乜人学硕l ：学位论文 第二章基于h a p s 的移动通信系统模型 基于i - l a p s 平台的移动通信系统不同于传统的地面蜂窝系统和卫星通信系统。 它在系统构成，信道，蜂窝覆盖的实现上等方面都有很大的不同。因此这一章我 们重点讨论基于h a p s 平台的移动通信系统，信道模型，多波束覆盖方案等。 2 1 基于h a p s 的移动通信系统构成 传统的移动通信系统是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间 通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。蜂窝的思想 是用许多小功率的发射机来代替单个的大功率发射机，每一个小覆盖区只 提供服务范围内的一部分覆盖。每个基站分配整个系统可用信道的一部分， 相邻基站分配另外一些不同的信道，这样基站间的干扰就最小。六边形的 蜂窝系统是被广泛使用和接受的。六边形小区可以实现无缝覆盖，用最小 数目的小区就能覆盖整个地理区域。当用六边形来模拟覆盖范围时，基站 发射机可以安置在小区的中心( 中心激励小区) ，或者安置在六个小区定点 中的三个之上( 顶点激励小区) 。通常，全向天线用于中心激励小区，而扇 形天线用于顶点激励小区。u 们 基于h a p s 的移动通信系统模型应该包括以下两部分：口1 1 平流层平台与地面设施通信。地面设施包括各种用户终端、地面无线网络 及地面网关等。平流层平台既可以直接与用户终端进行通信，也可以通过地面网 关与其他异种网络( i n t e m e t 、p s t n 等) 进行融合，方便地实现网间通信并支持 现有的业务。 2 平流层平台之间的通信。在平流层通信系统中，既可以只部署一个通信平 台，使之与地面终端或地面系统进行通信。也可以根据实际需要，部署多个平台， 各个平台不仅可以与地面终端或地面系统进行通信，而且平台之间也可以进行 通信，这种平台与平台之间的通信，称之为平流层通信网络。 图2 1 表明了基于h a p s 的通信系统构成，h a p s 平台用多波束天线实 现对地面的无线覆盖。每个波束覆盖的区域相当于实现一个蜂窝。h a p s 平 台间通过光链路连接起来。h a p s 平台通过无线链路连接地面网关，再有地 面网关连接到核心网上去。 8 图2 - 2 基于h a p s 的通信系统网络架构 r rn o 1 6 6 a 定义h a p s 平台位于2 0 到5 0 k m 。可利用的高度大概是2 0 到 2 5 k m 。这是因为平台高度越高，空气约稀薄，在5 0 k m 处空气密度相当于2 0 k m 处空气密度的1 9 0 。这意味着为了承担相同重量，5 0 k i n 处的平台体积是2 0 k m 处的平台体积的9 0 倍。如果在2 0 k m 处平台体积为1 0 0 m ，则在5 0 k m 处就需要 9 0 0 0 m ，这几乎是不可能达到的。还有一个原因是风速问题。2 5 k m 以上风速很 大，为了维持平台稳定性，平台高度需要低于2 5 k m 。3 9 北京邮电人学硕十学位论文 a v e r a g ew i n dp r o f i l ei nt h eu p p e ra t m o s p h e r e t e m p e r a t u r er e g i o n s z o n a l w i n d 。w e ( m s ) 图2 3 平流层风速和高度的关系图1 2 2 基于h a p s 的移动通信系统的信道模型 2 2 1 无线信道介绍 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的影响。信号的传输受到大尺度 路径损耗和小尺度衰落的影响。 对传统模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测和特定位 置附近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由 于它们描述的是发射机和接收机之间( t - r ) 长距离上的场强变化，所以被称为 大尺度衰减。而短距离( 几个波长) 或短时间内接收场强的快速波动称为小尺度 衰落。 1 0 】 2 2 1 1 大尺度衰落 在视距传输时，大尺度衰落经常用自由空间传播模型来描述。自由空间是一 种理想，均匀，各向同性的介质空间，电磁波在其中传播时，不会发生反射，折 射，散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。自由空间传播 模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时接受信号的场强。 根据f r i i s 公式，距离发射机d 处的接受功率为n c ( d ) = 型( 4 n - ) 2d 2 l ( 2 1 ) 1 0 北京邮i 乜人学硕上学位论文 其中p 为发射功率，g 是发射天线增益，g r 是接收天线增益，d 是发射机 和接收机间距离，l 是系统损耗因子，五是波长。这里假设l = i ，即无硬件损耗。 路径损耗定义为有效发射功率和接受功率之间的差值，因此自由空间损耗 为： 儿：星：g g 垒：( 2 2 ) ef 4 刀厂1 2d 2 当非视距传输时，即有建筑物，树木等障碍物对信号造成遮挡时，信号受到 阴影衰落。阴影衰落是指当信号电波在传播路径上受到建筑物、树木和起伏山丘 等障碍物的阻挡时会使电磁波信号产生衰耗，从而造成接收信号电平的下降。移 动终端在通信过程中经过不同的障碍物的阴影时，信号电平会产生不同程度的衰 耗，使得接收端信号的幅度在一定的范围内产生起伏，这就产生了阴影衰落，它 是一种慢衰落。阴影衰落的衰落率主要取决于移动站周围的环境和收发双方的运 动速度与频率基本无关而阴影衰落的深度取决于信号的频率和障碍物状况。 2 2 1 2 小尺度衰落 小尺度衰落是由无线信道的多径引起的，有三个主要效应：经过短距或短时 传播时，传播后信号强度的急速变化；在不同多径信号上，存在着时变的d o p p l e r 频移引起的随机频率调制；多径传播时延引起的扩展( 回音) 。影响小尺度衰落 的物理因素有很多，包括多径传播、移动终端的运动速度、环境物体的运动速度 和信号的传输带宽。 多径传播是指信道中反射物体及散射的存在使发射波到达接收机时形成时 间，空间商相互区别的多个无线电波，不同多径成分具有的随机相位和幅度引起 的信号强度的波动，导致小尺度衰落。 移动台的运动也会造成小尺度衰落。发射机和接收机之间的相对运动，使接 收端接收到的信号载频发生频率的偏移。d o p p l e r 频移：对采用相关解调的数字 通信的危害较大，它可由下式计算n 0 1 ： ， 厶= & c o s ( t 9 ) ( 2 3 ) 1 ， 石表示d o p p l e r 频移；p 是入射电波与移动站运动方向之间的夹角；v 是移 动站的径向运动速度；入是信号的波长。由于电波波长与频率成反比，故信号的 频率越高或径向移动速度v 越高，则多普勒频移越大。通常，到达接收天线的多 个路径信号有各自的延迟、幅度衰减、相位偏移和多普勒频移。接收信号同时受 到多径传播和多普勒效应的影响。如果波的到达角o 【o ，7 【】，接收功率将分布在 【z 一厶，z + 兀】区间上，接收信号带宽增加，导致产生多普勒扩j 畏( d o p p l e r s p r e a d i n g ) 。 北京g t gj ! 1 人学颁i j 学位论文 2 2 2 信道统计模型介绍 无线通信信道特性具有随机性，故适合使用统计信道模型对其进行描述。 常用的基于统计模型的信道有，瑞利信道，莱斯信道，l o o 信道等。 2 2 2 1 瑞利信道 瑞利衰落信道( r a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l ) 是一种无线电信号传播环境的统计 模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”， 并且其包络服从瑞利分布。 瑞利衰落能有效描述存在能够大量散射无线电信号的障碍物的无线传播环 境。若传播环境中存在足够多的散射，则冲激信号到达接收机后表现为大量统计 独立的随机变量的叠加，根据中心极限定理，则这一无线信道的冲激响应将是一 个高斯过程。如果这一散射信道中不存在主要的信号分量，通常这一条件是指不 存在直射信号( l o s ) ，则这一过程的均值为o ，且相位服从0 到2 7 c 的均匀分布。 即，信道响应的能量或包络服从瑞利分布。 对于瑞利信道，接收信号包络r 服从瑞利分布n 副： r，21 f ( r ) - 寺e x p i 一毛j ( 2 - 4 2 0 - ) 仃 ii 2 2 2 2 莱斯信道 当存在一个主要的稳定的信号分量时，如视距传输，则小尺度衰落的包络服 从莱斯分布。这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量叠加在稳定的主要信 号上。当主要分量减弱时，莱斯分布就转变为瑞利分布。 对于莱斯信道，接收信号包络r 服从莱斯分布n 2 i ： 加) 专e x p ( 一等) 厶等 如- 5 ) 参数z 指主信号幅度的峰值，厶( ) 是修正的0 阶第一类贝塞尔函数。莱斯 分布可有莱斯因子k 决定。k 定义为确定信号的功率和多径分量方差之比。 k = 击( 2 - 6 ) 2 0 2 、 莱斯因子可有实测数据估算得出，有两种基本的估算方法，t a l u k d a r 方法和 g r e