[发明专利]基于高空平台半再生式信号处理的移动通信系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及数据传输与交换，特别是一种基于高空平台的移动通信系统，可用于构建位于平流层内的低复杂度高空平台蜂窝网移动通信系统。

背景技术

基于高空平台的无线通信系统是目前国际上正处于研究阶段的新型通信系统。高空平台的载体主要有系留气球和飞艇两种，前者的高度一般在10Km以下，后者一般位于20Km～50Km高空的平流层。平流层空气稀薄，其密度约为海平面的百分之几，浮力很小，但气流比较稳定，且风切较小，是比较理想的部署高空悬停飞艇的空域。

与同步卫星到地面距离相比，平流层平台到地面的距离缩短为1/1700，因此其传输延迟相对缩短为1/1700，而自由空间衰减相对减少64.6dB，这非常有利于通信终端的小型化、宽带化。与地面蜂窝网移动通信系统相比，虽然基于平流层平台的蜂窝网移动通信系统的传输距离增大十多倍，但是其信道条件大大优于地面蜂窝网系统，其链路衰减大约为20dB/10倍程，而地面蜂窝网系统的链路衰减为50dB/10倍程，因此如果高空平台系统中的终端具有与地面TD-SCDMA系统终端相同的发送功率，则在不考虑天线增益的情况下，这样的终端发送功率完全适用于高空平台系统。在天线增益方面，高空平台系统采用多波束天线可以获得20～30dB的增益，与地面TD-SCDMA系统的智能天线技术的增益相当。综合信号衰减和天线增益这两方面的因素可知，地面TD-SCDMA系统终端的功率水平完全适用于高空平台系统，这一特性为这两种系统的部分兼容提供了基本保证。高空平台既适用于城市作为地面移动通信系统的有效补充，也可用于海洋、山区等地面移动通信系统不便部署的地区，还可以迅速转移，用于战场区域或者发生自然灾害地区(如洪水、山火)的监测和通信。从长远来看高空平台通信系统还有可能成为除地面移动通信系统和卫星通信系统之外的第三种无线移动通信系统。

平台支持的移动通信系统在机动性和广域覆盖方面，相对于地面蜂窝网移动通信系统具有显著优势，而且在建设成本、业务质量等方面也明显优于卫星移动通信网，因此具有很好的发展前景，受到了国内外的广泛关注。目前日本、美国、欧洲等国家和地区已对高空平台通信系统进行了较多的研究，日本计划以数十个高空平台覆盖国土全境，实现高空无线通信系统。美国Sky Station International公司建议用两百多个高空平台组成一个环绕全球的网络，构成一个空中互联网，容纳15亿个电话用户，实现价格低廉的全球通信。在该领域的研究已有不少成果，在频率资源的分配和业务类型的定位方面已形成了一些国际规范，工作在Ka频段的系统主要支持固定站的宽带无线接入，工作在S频段的系统兼容第三代(3G)蜂窝网移动通信系统，这两类业务已形成共识。申请人正是针对后一种情况，并考虑到我国3G移动通信主要采用有自主知识产权的TD-SCDMA国际标准，因此尽可能兼容TD-SCDMA国际标准。

目前，基于高空平台的移动通信系统的发展，除了高空平台载体本身的技术尚未完全突破外，从通信设备和通信体制来看主要面临三个问题：

1)高空平台资源有限和系统通信容量需求很大之间存在矛盾；

2)如何与地面移动通信系统进行兼容；

3)如何保证系统的服务质量。

由于高空平台支持的移动通信系统覆盖范围很宽，通信容量需求很大，必须采用多波束天线技术，才能实现很大的用户容量，例如100个波束覆盖下支持7,000个用户同时通信。如果对每一个波束内的用户数据都进行解调译码等操作，则实际相当于将大量基站搬移到高空平台上，此时多个基站的体积、重量和功耗势必对高空平台的有效载荷能力及供电能力提出非常高的要求。在这种情况下平台上资源有限和用户容量需求很大之间存在矛盾，而且是主要矛盾，它是该领域研究的核心课题和主要难点。

高空平台移动通信系统的重要应用目标是作为3G地面蜂窝网移动通信系统在地域覆盖上的补充，因此它的终端必须与已有的地面移动通信网兼容或部分兼容，才能真正发挥其效益。这种兼容是高空平台系统遇到的另一个难题，因为与地面蜂窝网相比，高空平台移动通信系统中的用户链路的传输距离大得多，链路预算和传输时延都会成为问题。

高空平台移动通信系统的覆盖范围相当大，需要具备支持大量用户进行通信的能力。在其所支持的业务中，实时话音和实时视频业务可能占有很大比重，因此在高空平台上要进行大规模的用户数据交换，同时要能够满足业务的实时要求，即提供服务质量QoS保证。如果使用分组交换技术，则由于其交换路径的非单一性，会导致较大的时延抖动，从而无法为实时业务提供较好的QoS保证。

发明内容