什么是平流层通信

平流层通信指利用位于平流层(距地20～50km)的高空平台作为无线中继或基站，通过与地面无线端站或无线用户终端等装置进行通信，从而实现向地面用户提供宽带通信、对地监测、导航定位、固定或移动业务等新型无线通信技术。位于20km的高空平台可以实现地面覆盖半径约数百千米内的通信区域，多个高空平台通过无线相互连接，可以构建地区性甚至全国乃至全球性的天、地、空一体化无线通信网络系统。

平流层通信与卫星通信系统相比，其优势是高容量、高频谱利用率以及时延小，而且由于距离地面较近，发射成本低，且比较容易建设维护和升级；与地面通信相比。地面覆盖面积大，且不易受地形地貌和地面建筑物对无线电波的影响，另外由于可以随时起落，容易升级和快速建设，在发生严重灾难时不易受到破坏。

平流层通信的特点

1)位置灵活。高空平台的位置不受地域限制．可以布置在人口稠密的大城市．也可以布置在乡村和边远人El稀少的地区、海洋及山区。另外，高空平台可以根据需要迅速转移．用于有业务需求的区域，如自然灾害的应急通信或监测等。

2)覆盖范围大。平流层的高空平台由于位置高，不受地面建筑的遮挡，信道衰落服从莱斯分布，而地面通信系统的信道一般服从更恶劣的瑞利分布。理论上，位于20km的高空平台即可覆盖半径为500km的区域，远比地面通信系统的覆盖范围大。

3)建设速度快。平流层通信的高空平台承载一定的通信设备即可独立运行．为较大的区域提供业务，因此建设速度快。

4)建设成本低。平流层高空平台的发射、回收、监测可以利用一般的民用系统，不需要特殊、庞大的发射基地。据估算，1个平流层高空平台的造价相当于1颗卫星的l／lO。

5)容量大、时延短。现在微波通信领域中，支持交叉极化干扰抵消器(Cross—PotarisationInter—ferenceCounteracter．XPIC)技术．采用256QAM的毫米波段商用设备，单载频(56MHz)的传送容量已达1．2Gbit／s，且有进一步提升的潜力。因此，HAPs将可采用毫米波段与地面实现大容量高速传输。此外，由于HAPs距地面很近，传输时延较低轨卫星更短．与地面通信迂回数十到数百千米路径的时延相差无几。

6)承载业务丰富。平流层通信技术可以国内使用，也可以越洋国际使用。业务方式可以是数字电话、传真、电子邮件、视频视听等，通过平流层通信技术的空中站网点，可使其无线业务与所有互联网和公众电信网互通，以满足13后移动互联网和泛在网高速发展的需要。

7)便于回收。平流层的高空平台可以回收再使用，对环境不会产生污染，也不会像卫星失效后成为太空垃圾。另外，平台若出现故障返回地面维修比卫星系统方便，卫星系统一旦发生故障．容易引发灾难性后果。

平流层通信的挑战

平流层通信拥有巨大的优势，目前也取得了可喜的研究成果，但仍然有一些关键技术问题有待解决。

1)平流层大气特性：各地上空平流层大气动态特性的调查分析及研究

2)系统水平需求：平流层网络作为宽带通信服务将需要重新思考蜂窝类型服务的基本设计，主要是频率计划，频率重用模式。这种网络体系结构需要进一步开拓，包括终端间的交付，平流层平台问的通信以及平台和卫星的通信。平流层通信系统移动无线体系结构和协议框架等。平流层通信系统所提供的业务与现有业务的兼容性。

3)资源分配和网络协议：在平流层环境下，信道和资源分配方案需要被研究．并且应该考虑系统的拓扑结构和模型代码方案，最适当的MAC协议和网络协议等。

4)平台稳定：在各种环境下，平台保持稳定是一个主要的挑战在各种通信服务中，也起着至关重要的影响。

5)雨雪衰落：毫米波段的雨雪衰落特性及解决办法。

平流层通信的发展现状

平流层通信的应用价值已经引起各国的重视，美国、欧洲、日本、以色列等国家和地区已经投入大量的经费，积极开展平流层通信的技术研究，一些发展中国家也积极响应，ITU也给出相关定义和工作频段。从总体上看，国内外平流层通信技术还处于关键技术攻关和演示验证阶段。

2005年，美国空军航天司令部在亚利桑那州上空对战斗天星(CombatSkySat)的简易样机进行了l2次飞行试验，并取得成功。试验中，2个充氦自由气球在20km的高空飞行了8h，将美国空军信息作战实验室研制的蓝军跟踪转发器PRC148的通信距离由18．5km扩展到555km．覆盖范围与伊拉克国土面积相当。试验表明，这种平流层通信能够提供近空间通信支援。可作为卫星和无人机的补充。

日本提出把平流层系统与其他地面宽带系统相结合的方案。计划用100—200个平台构成一个覆盖日本全境的网格形网络，每个平台覆盖面积为40~d0km(划分为64个直径5km的蜂窝)，相邻的平台用光通道相连，通信容量极大，鲁棒性好，因为从信源至任何终端都有很多路由可供选择。这种网络的用途也很广，采用30GHz频段时，可适用于144kbit／s的移动终端、32Mbit／s的便携式终端、高于620Mbit／s的固定终端。这种平台系统还可以实现通过无线接入直接把信息送达各种用户终端，解决“最后～千米”问题，其价格远低于光纤到户，是一种具有极高竞争力的建设信息基础设施的新型通信体系。

我国一些单位已经能够研制较小的气球或飞艇，利用气球或飞艇进行高空探测、武警巡逻及国防应用等。如北航研制的飞艇曾作为特种起重工具用于架运葛洲坝的过江设备、物资。中科院空间中心也研制过飞艇的能力和经验，以用于高空探测。

平流层通信的应用前景

平流层通信系统由于其独特的技术优点和良好的性价比。将具有广阔的应用前景平流层通信系统可以在通信业务繁忙、电磁波场强变化复杂、网络规划与移动基站配置日益困难的大城市使用，以缓解急剧膨胀的通信业务量对现有通信设施的压力，进而满足宽带移动多媒体通信的需要。

在地形复杂、人烟稀少的欠发达地区，由于成本高、施工困难、投资回报周期长等原因，常规地面通信系统不可能很快部署，此时可以采用平流层通信系统，提供大范围、低费用的无线接入服务。解决当地通信条件落后的状况，缩短与发达地区的差距。

平流层通信应用

1.宽带无线接入

随着无线通信技术的迅速发展，一种提供容量接近于有线光纤的新型无线通信技术异军突起，这就是固定宽带无线接入技术。由于固定宽带无线接入技术具有更高带宽和双向数据传输的特点，可提供多种宽带交互式数据及多媒体业务，克服传统的本地环路的瓶颈．能满足用户高速率数据和图像通信日益增长的要求，因此是解决通信网接入的利器。

在平流层通信系统中，一方面由于平台使用的通信频谱较高(通常为47／48GHz)，另一方面由于平台能实现较高的频率复用(信息平台可以产生700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100)，因此其带宽较大；同时平台相对稳定．所以平流层通信系统是一种理想的同定宽带接人技术，可以满足宽带移动多媒体通信的需要。

2.手机通信

平流层通信对发展下一代移动通信(3G、4G)，及当前的移动通信(2G)提供了机会。一个单一的平台能够比地面基站提供更大范围的服务．特别在地形复杂、人烟稀少的欠发达地区，由于成本高、施工困难、投资回报周期长等原因，常规地面通信系统不可能很快部署．此时可以采用平流层通信系统．在一个大的地区可以快速部署，不需要大量地面基站的安装，提供大范围、低费用的无线接入服务，解决当地通信条件落后的状况，缩短与发达地区的差距。

3.紧急事件或灾难事件中的应用

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.军事通信

平流层通信用于军事通信的优势是明显的，因为它们有快速部署的能力。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。