HAPS信道——对信道的深刻理解是通信原创性技术的源泉

信道，即信号传输的通道/媒介；针对有线而言，信道就是电缆、光纤等，针对无线而言，信道就是电磁波传播所经历的路径（在发端设备和收端设备中间的传输媒介）。由于无线传播受众多复杂因素的影响，使得无线信道具有很大的“随机性”。研究无线通信的人都有一个永恒的追求目标，即，逼近甚至突破香农信道容量极限。从非正交复用技术（NOMA）、Rake接收机、信道编译码、再到5GNR的Massive MIMO等关键技术，都致力于这一目标。而这些关键技术最终要解决的基础问题其实只有一个：克服或利用无线传播信道的随机衰落。对无线信道的深入理解是无线通信系统性能逼近香农容量界的基础，是通信原创性技术的源泉。只有对无线信道有着深刻的理解，才能制定出合理的通信标准及空口参数，才能找到准确的通信算法和系统架构选型。同时，信道模型也是网络仿真，网络优化、网络性能评估的理论基础。从这个意义上说，无线信道研究承担着无可取代的责任，是无线通信绝对的基础能力。要研究HAPS通信，HAPS信道研究必须先行。
一、HAPS无线信道的特点HAPS无线通信系统的高度位于临近空间，相当于将地面基站提高到20~50km的平流层中，由于 HAPS 的高仰角特性，收发设备之间的传播链路主要由直射 (Line-of-Sight, LOS)分量所支配，因此与陆地通信系统相比，阴影衰落低，通信质量好，具备大范围覆盖的基础。由于平台的移动特性，导致了发端基站存在多普勒频移，信道研究必须考虑移动性。HAPS无线信道具有以下特点：1）平流层基站处于20km左右的高空，周围反射物较为稀疏，因此在无线通信链路存在较强的直射径，信道时延散射分量较少，同时，大气密度，雨衰等气象条件和地面传播环境存在较大差别。2）高空平台（本文以无人机为HAPS平台）的独特性：由于高空平台的位置保持及姿态控制性较差，持续运动的基站会导致通信链路不稳定，如三维任意轨迹（大俯仰角），高移动性，时空非平稳性，机架阴影影响等。3）如果针对海洋覆盖等场景，则还存在散射体稀疏性，海浪运动影响，海洋表面波导效应，时变非平稳，长通信距离，海洋气候影响等。在频段分配方面，ITU-R早在1997年就开始高空平台的研究工作，在2015年世界无线电大会（WRC-15）上，更是设立了WRC-19 1.14议题，目前为HAPS分配的频段主要有：2.1Ghz，总带宽可达到50/60MHz，用来代替陆地基站；27/28GHz和31GHz：双向各300MHz，适合固定宽带服务和网关链路；47/48GHz，双向各300MHz，适合固定宽带服务和网关链路。另外，特别设立了WRC-23 1.4议题，考虑在全球或区域范围内，在已成为国际移动通信（IMT）确定的2.7 GHz以下的某些频段内的移动业务中，将高空平台基站用作IMT基站研究多个可用的频段。为了实现HAPS无线通信，需要分析和理解信号在新的传播环境中受到的影响，需要对信道的自然特性和统计特性进行分析，以便能够通过统计模型把信道的特性描述出来。二、HAPS无线信道模型
“信道模型”是描述信道行为（特征）的数学技术。无线信号从发射天线传播到接收天线时，其特性会发生变化。这些特性取决于天线之间的距离、信号的路径以及路径周围的环境（建筑物和其它物体）。如果我们对接收信号和发射信号之间的介质有一个模型，就可以得到接收信号的轮廓。信道测量/建模就是需要得出与信道模型相关的路径损耗，阴影衰落，多径衰落等组件的统计特性。从公开文档来看，ITU对HAPS信道模型所投入研究总体上不太多，而3GPP对HAPS的信道模型的研究是以地面/卫星系统信道模型为基础的。3GPP对HAPS信道模型的研究主要针对空—地场景，在信道模型建立过程中考虑的几个因素：1、场景与网络环境；2、载波频率；2、基站与终端天线设置；3、大尺度衰落模型；4、小尺度衰落模型；5、可能涉及的其他损耗；3GPP中HAPS平台空对地的信道模型描述：1、频谱主要确定采用S-band；2、采用LoS+阴影衰落+杂波损耗对大尺度信道模型进行描述；3、采用频率选择性衰落对小尺度衰落进行描述；4、对大气的影响（例如吸收损耗、云衰、雨衰、大气闪烁）的影响进行了分析，确定在S-band条件下，仰角大于10°时，大气影响可忽略不计；5、对多普勒频偏进行了描述，目前多普勒频偏对HAPS影响待求证；6、针对大尺度模型和小尺度模型给出了具体的信道参数配置描述。三、空－地信道测量项目及主要结论实测信道模型研究的优势在于有基于地理位置的实际测量数据作为支撑，能够更准确描述特定环境的信道特性，具备可重现的特点，缺点是成本较高。要研究HAPS通信，必须要构建外场测量的能力，用实测数据进行统计模型，paper work的经验模型不足以支撑项目研究。下面梳理了业界主要的空—地信道测量项目及主要结论，总体来看，真正意义上的平流层的信道测量数据相当匮乏。（注：以下项目描述均来自公开论文）

1）鹏城实验室空—地信道测量试验（中国，2020年）

A）试验实施2020年7月，在湖北省荆门市进行了3.5GHz低海拔空对地（水）信道测量。如下图所示，将5G BBU设备和64TR AAU安装在系留飞艇上作为“飞行平台”，飞艇位于离地面约0.3 km或1 km的高度。空对地信道测量的环境主要包含道路、树木、住宅建筑等，在荆门漳河进行空对水信道传播测量。基于5G的A2G/A2W信道测量
B）主要结论本次信道测量，研究了3.5 GHz频段的5G网络中的空对地和空对水信道特性。结果表明，空对地（水）信道存在多径传播。在三射线多径模型中，A2G(A2W）信道脉冲响应约有88.61%(99.39%）可用三射线多径模型表示。当系留飞艇高度降低时，出现多路径分量的概率较高。试验表明，第一条反射径具有较大的振幅和较低的延迟。对于A2G信道，平均相对功率为0.39。对于A2W信道，第一条反射径的平均相对功率为0.24。第一条反射径的延迟由发送机、接收机以及传播环境的几何形状决定。第二条反射径具有较强的随机性和较小的振幅和较大的延迟。A2G信道的平均相对功率为0.05，A2W信道的平均相对功率为0.06。A2G信道的平均延迟为252.76ns,A2W信道的平均延迟为274.52ns;A2G信道的最大延迟为500ns, A2W信道的最大延迟为39ns。

2）南卡罗来纳大学空—地信道测量项目（美国，由NASA资助，2013年～2020年）

美国宇航局3B海盗号飞机地面可移动塔和地面站系统
A）项目实施南卡罗来纳大学与NASA合作进行了大量的A2G信道测量活动，从发表的学术论文来看信道测量在2013年启动，最新的项目周期是2016年－2020年。主要涉及常见的地面覆盖形态：水面，丘陵，山区，郊区和城市附近等。A2G信道测量涉及两个频段：L波段为960-977MHz,C波段为5030-5091MHz。测量活动总共收集了近3.16亿条信道冲激响应。根据文献查看，是迄今为止最全面的A2G信道测量项目。信道测量使用的是NASA S-3B海盗号飞机。这是一架有人驾驶的飞机，有两名飞行员和两名研究工程师的座位。舱内的剩余空间放置测试设备。根据研究论文指出，信道测量系统所记录的数据中都发现了来自其他一些飞机系统的电子噪声，噪声近似高斯分布，这种噪声很容易在后处理中使用阈值算法去除，但它确实减少了约4dB的测量动态范围。2013年6月，在加州奥克斯纳德附近的太平洋海域进行海面传播A2G信道测量，2013年10月，在伊利湖进行淡水传播A2G信道测量。所有这些测试中，地面站天线高度均为20 m。下图显示飞机在加州奥克斯纳德附近的飞行轨迹（flight tracks (FTs))，飞行高度相对海平面约800m(±5m)。飞行速度大约90m/s。在所有飞行中还记录了飞机的俯仰和滚转角度和飞机航向。在伊利湖上空进行6次日间飞行。飞机速度大约是75m/s，海拔约580m。海面飞行轨迹
地面接收站淡水水面飞行轨迹地面接收站
B）主要结论南卡罗来纳大学的A2G信道测量系列项目，收集了各种地面环境的数据，给出了传播链路损耗、均方根时延扩展、和莱斯k因子等测量结果。利用这些结果建立了路径损耗模型和宽带抽头延迟线3-ray信道模型。对于水面传播环境，正如预期的那样，在水面开阔的环境中，传播路径损失随距离增加而增加，但由于强烈的水面反射，与随对数（距离）增加的路损有显著的偏差（＞10dB)。因此，双射线模型比自由空间或对数距离路径损耗模型更精确。为了更好地符合实测数据，研究文献采用莱斯衰落对双射线路径损耗模型进行了增强，L波段的k因子均值为12dB, C波段的k因子均值为27~30 dB。数据分析中发现一个间歇的第三条反射路径，RMS-DS值通常很小，但由于第三条反射路径的存在，偶尔会达到360ns。

3）南洋理工大学空—地信道测量项目（新加坡，2009年）

(a)
(b)
宽带信道测量设置和位置。(a) 信号探测与数据采集技术。(b) 测量地点和飞行轨迹。(*）地面站位置A）项目实施项目于2009年2月在中国南海区域进行5.7GHz的低机载高度场景下宽带空对地（接收端位于陆地，传播环境包含海洋）信道测量。新加坡东部的沿海地区（1°20′07″N，104°01′16″E）被选为地面站。此项目分别在海拔0.37、0.91和1.83km的情况下，研究了无线电波传播情况。在测量过程中，天气晴朗转多云。信道测量采用扩频信号，具有50ns的时间分辨率，有效辐射功率为40dBm。并且在飞行中，通过GPS持续记录瞬时高度、经度、纬度、飞机的俯仰、滚转和偏航坐标。B）主要结论该项目对海面上低海拔c波段空对地信道进行测量和建模。结果表明，空对地信道存在多径传播。在测量的信道脉冲响应中，约有95%(86%）的信道响应可以用3-ray (2-ray）多径模型表征。随着机载平台高度的降低，多径分量出现的概率增大。将测量的链路损耗与自由空间传播模型（FSL）和2-ray模型进行了比较，结果表明，实测损耗与2-ray模型预测的损耗具有相似的趋势。然而，FSL和2-ray模型都高估了传输损耗。这可能是由于大气波导使得传输增强。采用路径损耗指数n来研究可能的波导效应对传播路径的影响。结果表明，蒸发波导和悬空波导都能影响c波段海面上无线电波的传播。当传播路径包括蒸发波导和悬空波导时，路径损失指数n降低。蒸发波导主要影响无线电波在地面附近的传播，随着空中平台高度的增加，悬空波导对无线电波的传播有显著的影响。

4）加拿大通信研究中心空－地信道测量项目（加拿大，2011年）

无人机发射天线位置（左），接收天线位置（右）
A）项目实施2011年8月底和9月初，在纽约奥奈达附近的美国空军基地进行信道测量试验，频点为915MHz。测量点附近只有几栋建筑，跑道附近有一些小型金属集装箱。测试区域位于一个平台上，跑道和仓库附近是开阔的田野，其他区域覆盖着灌木丛和树木。使用了两个接收点，一个在飞行环路外以南大约670米，标记为RX1；另一个在飞行环路内以西大约100米，标记为RX2。无人机飞线高度200m，盘旋半径180m。加拿大通信研究中心（Communications Research CentreCanada，CRC）设计和制造了一种小巧的、双通道信道测量发射机，重量为1.2公斤，装在一个尺寸约为13 × 9 × 21cm的盒子里，带宽为10MHz。该无人机在200米高度盘旋。发射机的整体功耗大约26W。探测信号天线安装在无人机翅膀下面，离机身中心一个波长远，无人机的翼展大约为2.8米。机载遥测系统记录GPS坐标以及飞行参数，如滚转、空速等。CRC的八通道接收器安装在一辆货车上。天线的线性阵列安装在车顶，间隔为1/2波长。无人机在测量期间的最大地面速度为36m/s。接收机在机场周围移动，以获得不同地点的信道测量数据。接收机位置，飞行路径。
B）主要结论项目的测量中，多径环境是稀疏的。然而，通过测量发现地面侧外环和内环天线的空间相关性系数低于0.7的概率分别是65%和50%。这表明地面阵列可以提供显著的增益克服多径衰落的影响。虽然少量的测量数据不能被广泛推广，但项目的分析表明，来自空中和地面平台的近场效应可以增加信道的空间多样性。这些效应对MIMO等空间分集通信系统的性能至关重要。因此，在将空对地和空对空信道模型集成到模拟中以开发和评估大容量通信系统时，应考虑到这些影响。 四、总结电波传播和信道建模在HAPS系统设计中处于重要的地位，因为它们需要对平台和用户间的无线信道进行建模和预测，以便进行链路预算时能够给出准确的链路余量。由于HAPS平台搭建的难度，目前业界普遍缺乏平流层通信测试数据及相关理论研究，因此亟需获取HAPS信道测量数据，搭建仿真模拟平台，研究适合高空动态平台的无线信道模型和面向海洋广域覆盖的电波传播模型，评估并抑制平台旋转给平流层通信链路性能带来的影响。另外，由于新的频段、场景的出现及天线数量的大幅增加，信道测量的数据量急剧增加，从而难以使用传统的数据处理方法。一些初步的研究工作展现了人工智能与机器学习在无线信道测量与建模方面的前景，如使用聚类、分类及回归算法分别进行信道多径分簇、信道场景分类、信道特性预测。