平台水平移动对高空平台通信系统性能的影响

７ ５
一
ｘｄ ｓ （０２ ± ￣ｓ （ｏ２ ． ｉ ０／ ） ／ｉ ０／ ） ｎ ｎ
Ｃ Ｓ Ｏ／ ） ｄ 一 Ｏ （ ｏ２
（） ２
式中 ｄ ＝ ＋ ＋ 。
：
两者 较小的根 ｉ 决定 了终端所处位置对
Ｈ Ｐ最大偏移的约束 。由式 （ ） Ａ ２ 可以得出当终端处于 覆盖 中心时， Ａ Ｈ Ｐ最大偏移取最小值 ， 且有 ：
） Ａ 。Ｈ Ｐ在地面的脚印半径为 ， 服务区半径为 Ｒ 。为了 使得 Ｈ Ｐ Ａ 在某个水平范围内（ Ｈ Ｐ 以 Ａ 沿 轴平移为例 ， 运 动区间为［ Ｄ， ） 一 Ｄ］ 移动时始终覆盖服务 区， 服务 区的 则 半径 Ｒ 必须小于或等于 Ｒ— 。服务区内某个蜂窝中心在 Ｄ Ｄ ， 点 随着 Ｈ Ｐ的移动 ， Ａ 蜂窝将可分别 向左侧和右侧最多 偏移 Ｄ 。置 于 点 （ ， ０ 的 终端 采用 点波 束指 向 Ｙ， ）
图４ Ａ 最大平移距离与终端波束带宽的关系 Ｈ Ｐ
Ｆｇ ４ Ｕ ｅ ｅ ｍｗ ｄｈ ｖｒｕ ｍａ ｉ ｍ ｉ ｓｒｂ ａ ｉｔ ｅｓ ￥ ｘｍｕ ， Ｈ Ｐ ｈ ｒ ｏ ｔ ｖｎ ｉ ａ ｃ Ａ ｏ ｚｎａ ｍｏｉ ｇｄｓ ｎ ｅ ｉ ｌ ｔ
３ 服务 区内的呼叫切 换概率
Ｐ＝ 一 。（ ＜２一）ｘ Ｊ （ ＜２＋ ｏ ）ｘ ： １ Ｐ ｖ ｄ ） 一 － ｒ ａ 一 Ｊ Ｔ （ ＜ ｄ ｖ（ ２一） ２ ｄ ｅ Ｄ ｄ
界 的距 离 为 ｄ 。图 ５给 出 了 ２种情 况 下一个 Ｈ 运 动周 期 中可 能发 生切 换 的时刻 。下 面分 ２种情 况讨 论 呼 Ｐ Ａ
叫发生切换的概率。 １ 当 Ｄ ＜Ｄ， ｄ＞（ ） 。 且 Ｄ—Ｄ ） ｄ＜ Ｄ一 ） ， ｏ ， ２（ 时 呼叫 可能发 生 切换 的时 刻见 图 ５ ａ 。可 以看 出如果终 （） 端在 ２ 个切换 时刻中间发起呼叫， 则该 呼叫将不会发生切换。因此 ， 呼叫发生切换的概率可通过下式计算 ：
那样保持准静止 ， 通常是在服务 区上空绕某一固定位置飞行。Ｉｕ— Ｔ Ｒ建议 Ｈ Ｐ Ａ 应保持在半径为 ４ ０ｍ， ０ 高 度为 ７０ｍ的圆柱 内 ； ｅ Ｎ ｔ 目建议基于飞行器的 Ｈ Ｐ ０ Ｈ ｌ ｅ项 ｉ Ａ 应在 ９ ％的时间内保持在高度为 ３ｋ ９ ｍ半径为 ４ｋ ｍ的位置 圆柱内 。由于平台的非稳定性和由系统维护而引起的平台更替等原因， Ｊ 需要采用切换技术来 保证业务的连续性。研究表 明平 台内切换频率与平 台速度有关 ， 平台速度越 大， 平台内切换越频繁【 。文 ９ ］ 献［０ 提出一种方法预测 由 Ｈ Ｐ １］ Ａ 水平漂移而引起 的蜂窝移动 ， 研究表明大部 分终端在平 台平移后需要执 行切换来保持给定的载干比， 对特定 的平移距离和载干 比， 存在一个终端 天线最优指 向角来最小化切换概 率 。文献 ［ １ 研究 了采用推进位置保持机制时的平 台非稳定性对 Ｈ ＰＵ Ｔ 系统性能的影响 ， １］ Ａ Ｍ Ｓ 研究表明采 用一种简单的推进机制就可 以降低平 台非稳定性对系统性能的影响。
ｉ＝ｈａ （ｏ ２ ｔｎ ０／ ） （） ３
不 同 Ｈ Ｐ高 度情 况 下 Ｈ Ｐ最 大移 动 距 离与 终端 Ａ Ａ
蟹 藩 室
波束带宽的关 系见 图 ４ 。可 以看 出要 求的 Ｈ Ｐ最 大 Ａ 偏移距离随着终端波束带宽的增大而增加。相同的波 束带宽条件下 ， Ａ Ｈ Ｐ高度越 低 ， 要求 的最大偏移距 离 越小 。
径损耗特性 良好、 配置成本低等优势 ， 在地震 、 台风等灾害发生且地面通信基础设施被摧毁时能够快速配置、 快速恢复通信业务； 与卫星通信系统相 比， Ａ Ｈ Ｐ通信 系统具有视距链路损耗小、 传播延迟短 、 系统建设成本 低、 不受轨道资源限制 、 便于更新维护和 回收等优 势－ ６。Ｈ Ｐ通信系统将在未来通信 基础设施 中将扮演 ５ Ａ Ｉ Ｊ
平 台保持准静止位置的代价较大。因而， 通常建议平 台保持在一个位置圆柱 内。本文推导终端 采用固定指向天线时平 台水平最大偏移距离计算公式， 并分析有限和无限呼叫持续时 间条件下 覆盖 区蜂窝 内呼叫的切换概率。研 究表 明， 平台最大水平偏移距离随着终端波束 带宽 的增大而
增 加 ； 同的波 束 带 宽条 件 下 ， 台高度 越低 ， 求 的最 大偏 移 距 离越 小 。此 外 ， 相 平 要 当最 大偏 移 距
２ Ｈ Ｐ水平最 大偏移距离 Ａ
当 Ｈ Ｐ在 —ｙ平 面 内水平 移 动时 ， 窝形状 不变 、 Ａ 蜂 大 小不 变 ， 只是 位 置 发 生 变 化 。如 图 ３所 示 ， Ａ Ｈ Ｐ初 始 位 置 为 Ａ点 （ ， ， ）在 地 面 投 影 为 ０， Ａ ０ ０ ｈ， Ｈ Ｐ向左最 多偏 移 距 离 Ｄ到 点 （一 ０ ｈ ， Ｄ， ， ） 向右 最 多偏 移 Ｄ到 点 （ ０， Ｄ，
保 Ｈ Ｐ移动过程 中终端与 Ｈ Ｐ的通信链路不 中断 ， 台 Ａ Ａ 平 横坐标 必须满足如下不等式 ：
＝
磬丽
式中 ≤Ｒ 。 求解方程 ） ｃｓ０ ２ ， ＝ ｏ（ｏ ） 得出方程 的 ２ ／ 个实根 ：
第 ３期
李树锋 等 ： 台水平 移动对高空平 台通信 系统 性能的影响 平
３ １ 有 限 呼叫持 续 时 间条件 下 的呼 叫切 换概 率 ． 如 图 ３所 示 ， 在蜂 窝 移动 过程 中 ， 终端 发 起 的 呼叫可 能跨 越移 动 中 的蜂窝 边 界 ， 引起 切换 。设 Ｈ Ｐ 而 Ａ
运动轨迹如下 ： 从初始位置首先向右移动 Ｄ， 然后向左移动 ２ 再 向右移动 ２ 如此往复。蜂窝与 Ｈ Ｐ有相 Ｄ， Ｄ， Ａ 同的运动方式 ， 且运动周期为 ４ 。假设终端 的呼叫持续时间为 ， 台运动速度为 ， Ｄ 平 则在 时间内平 台运 动距 离 为 。过 Ｕ点 与运 动方 向平行 的直 线 与蜂 窝 相 交 的线 段 Ｐ Ｑ长 为 ２ 。 Ｄ 。根 据 对 称性 ， 只需 分 析 对 蜂 窝称轴左侧终端 。考虑以 Ｈ Ｐ左边界运动到终端所在位置为起点， Ａ 距离为 ４ Ｄ的一个运动周期 。由于 Ｈ Ｐ Ａ 匀速 运 动 ， 端 发起 呼 叫 的位 置 在 ［ ， Ｄ］ 终 ０ ４ 内均 匀分 布 。 当蜂 窝 运 动 到最 右 端 时 终端 距 离 最 近 的 蜂 窝边
中 图分 类号
高空平台（ ｉ ｌ ｕ ｅ ｌ ｏ Ｈ Ｐ 通信系统利用高度为 １ ２ ｍ 的同温层平台为地面终端提供 Ｈ ｇ Ａｔ ｄ ａ ｒ Ａ ） ， ｉ Ｐ ｔ ｍ， ｈ ｔ ｆ ７— １ ｋ ３ ／ Ｇ移动或者宽带无线接人等通信业务 Ｊ Ｇ４ 。与陆地蜂 窝系统相 比， Ａ Ｈ Ｐ通信 系统具有覆盖 区域宽、 路
Ｈ Ｐ起 始 位置 Ａ点 。 Ａ
根据对称特性 ， 考虑 Ｈ Ｐ沿 轴方 向移动 ， Ａ 运动过程 中任意点坐标为 （ ０ ） 终端 的波束带宽为 ， 了确 ， ， ， 为
图 ３ Ｈ Ｐ水 平移动模 型 Ａ
Ｈｏ ｉｏ ｔ ｖ ｍｅ ｔｍｏ ｅ ｏ ｈ ｒ ｎａ ｍｏ ｅ ｎ ｄ ｌｆｒｔ ｅ ＨＡＰ ｚ ｌ
Ｅ —ｍａｌ ｌ ｈ ｆ ｎ ｎ ｄ ＠ ｈ ｔ ｉ ｃ ｍ ｉ：ｉ ｕ ｅ ｇ ｕ ｔ ｏｍａｌ ｏ ｓ ．
＿
７ ４
源自文库空军工程大学学报 （ 自然科学版 ）
２１ ０ １缸
叫的切换概率 。
１ 高空平 台运动属性
舅 ＼ 博 越
基于飞艇或飞行器 的高空平 台面临的一个主要 的挑战是保持平台位置。特定高度的风速属性随着纬度 和季节变化。通常可获得与图 １ 类似的风速随高度变化的属性 。大气层的风速随着高度增加而增加 ， 引 在 同温层底部 ， 风速随着高度的增加而降低 ， 在大约 ２ ｍ时达到最小值 ， ５ｋ 然后又随着高度 的增加而增加。高 空平 台的运行高度一般选择在 １ — ２ｋ 这段 同温层在世界大部分地 区具有相对温和的风速和波动 ， ７ ２ ｍ， 更高 高度的同温层空气更加稀薄 ， 不利于保持平台位置 。同时 ， 这个高度在 民航航线之上 。 与卫星沿预定轨道运行不同 ， Ａ Ｈ Ｐ的运动有 ６ 自由度 ， 个 包括关 于 、 和 ｚ轴的平移， ｙ 绕 、 ｙ和 ｚ轴 的转动（ 即倾斜 、 摇摆和偏航） 见图 ２ ， 。实际上 ， Ａ Ｈ Ｐ可进行 ６ 自由度中的任意 （ 个 或组合） 的运动 ， 只要它 保持在特定的边界 内。本文只分析平台水平移动对 系统性能的影响。
平移ｙ 平 移ｚ
风速／ｍ ・ （ ｓ）
图 １ 风速和高度 的关 系
Ｆ ｇ １ Ｗ ｉｄ ｅ ｏ ｉｙ ｖ ｒ ｌ ｌ ｔｄ ｓ ｉ． ｎ ｓ ｖ ｌｃ ｔ ｅ ｓｌ ａｔ ｕ ｅ ８ ｉ
图 ２ Ｈ Ｐ的 ６种基本运动方式 Ａ
Ｆ ｇ ２ Ｓ ｘ ｂ ｓｃ ｍｏ ｅ ｎ ｓｆ ｒｔ ｅ ＨＡＰ ｉ ｉ ａ ｉ ｖ ｍｅ ｔ ｏ ｈ ．
Ｊｎ２ １ ｕ ．Ｏ１
平 台水 平移 动对 高 空 平 台通 信 系统 性 能 的影 响
李树锋 ， 魏急 波 ， 马 东堂
（ 国防科学技术大学 电子科 学与工程学院 ， 湖南 长沙 ４ ０ ７ ） １０ ３
摘要
基于飞艇或飞行器的高空平 台（ Ａ ） Ｈ Ｐ 通信系统面临的一个主要的挑战是平 台位置保持。
重 要 角色 。
Ｈ Ｐ可 以是无人 飞艇、 Ａ 无人飞行器或有人飞行器…。通常 ， 置于 同温层 的飞艇可以利用定位装置和推 进系统保持位置 ， 在服务区上空与地 面成相对准静止状态。但是当平流层突然 出现强气流时， 飞艇可能会 以
可 变速 度 向任 意方 向运 动 ， 偏离 原来 方位 ， 而影 响 Ｈ Ｐ通信 系 统 的性 能 。此 外 ， 从 Ａ 飞行 器在 同温 层 不像 飞艇
第 １ 卷第 ３ ２ 期
２ １ ６月 ０ １年
空
军
工
程
大
学
学
报（ 自然科学 版）
Ｖｏ． ２ Ｎｏ ３ １１ ．
ＪＵ Ｎ ＬＯ Ｉ Ｏ Ｃ Ｎ ＩＥ ＲＮ ＮＶ Ｒ ＩＹ Ｎ Ｔ Ｒ ＬＳＩＮ ＥＥ ＩＩＮ Ｏ Ｒ Ａ ＦＡＲＦ Ｒ ＥＥ ＧＮ Ｅ ＩＧＵ ＩＥ Ｓ （ Ａ Ｕ Ａ ＣＥ Ｃ ＤＴＯ ） Ｔ
本文假设理想的平台多波束和终端波束 ， 根据高空平台和终端系统构成的几何模型 ， 推导终端采用 固定 波束宽度天线时平台水平最大偏移距离计算公式 ， 并分析有限和无限呼叫持续时间条件下覆盖 区蜂窝 内呼
收稿 日期 ：０ ０— ９— ７ ２ １ ０ ０
基金项 目： 教育部博士点基金 资助项 目（０９３７１０４ ２０４０ １ ０ ） ０ 作者简介 ： 李树锋 （９０ ， ， １８ 一）男 辽宁绥中人 ， 士生 ， 博 主要从事 高空平 台通 信系统 、 资源管理研究 ． 无线
到 最 大值 。
关键 词
高 空平 台； 换 ； 切 水平 移 动 Ｔ ９ ９５ Ｎ ２． 文献标 识码 Ａ 文章 编号 １０ ３ １ （０ １０ ０ ７ ０９— ５６ ２ １ ）３— ０ ３—０ ５
ＤＯＩ １ ． ９ ９ ｊｉ ｎ １０ ３ １ ． ０ ０ ． １ ０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ ９— ５ ６ ２ １ ． ３ ０ ６ ｓ １
离较小时， 台的水平移动只在蜂窝边界附近 区域产生切换 ， 平 且越靠近边界呼叫切换概率越大。 蜂 窝内平均呼叫切换概率随着平台最大偏移距离的增加而增大； 呼叫持续 时间内平 台移动距离 越 大 ， 窝 内平 均 呼 叫切换 概 率越 大 。 当呼 叫持 续 时 间或 平 台速 度 趋 于 无 穷 大 时 ， 换 概 率达 蜂 切