Path Gain and Channel Capacity for HAP-to-HAP Communications

摘要

在这项研究中，我们重点分析了HAP之间的信道模型，以计算HAP到HAP通信链路的信道容量，该模型考虑了天线辐射方向图、大气气体、降雨和云和雾的影响，以及发射和接收天线的极化失配。通过仿真结果，我们展示了高空空对空信道在不同天线类型、平台高度、载波频率等情况下的路径增益特性和信道容量。

实验仿真

场景一： 距离变化对同海拔高度HAP的影响

场景：将接收器和发射器HAP部署在20公里的固定高度上，接收器与发射器之间的水平距离从1公里增加到20公里，去证明增加的水平距离对通信信道中的路径增益的影响。
由于HAP之间的距离很长信道增益很低，因此HAP连接能力会降低，路径损耗的增加会随距离的增加而影响信号。与各向同性天线(0dBi)相比，使用单极天线(Monoplle Antenna ,1.18dbi)，信道增益高约2dB，使用贴片天线(Horn Antenna,10.1dBi)高约20dB，使用喇叭天线(Patch Antenna，5.5dBi)则高约31dB。

场景二：距离变化对不同海拔高度HAP通信的影响。

场景：发射器HAP在海拔22公里的高度，接收器HAP部署在20公里的高度，HAP之间的距离从100m增加到20公里。目的 当天线不直接面对面HAP之间存在高度差时，天线辐射方向图对路径增益随距离增加的影响。

随着距离增加，天线发出的两个信号的出发角和到达角在仰角段接近赤道平面。
喇叭天线比贴片天线和单极天线更有方向性，增益更高，因此使用相互直视的喇叭天线将具有更高的路径增益。
为了实现更高的信道增益和更长距离的接入,在HAP通信中，使用直接面对面和高增益天线更适合，HAP实在特定轨道或固定位置传输数据的中继站。

场景三：平台高度和频率对HAP通信的影响

1. 在不同高度的大气损耗对平台之间距离相等，信道中的路径增益的影响，以及使用高增益喇叭天线时的影响。
   
   水平距离相同，垂直距离不同。信道中信号的路径增益随着频率的增加而降低，除了在60、120GHz左右的频率外，HAP高度对信道增益没有影响

2. 不同海拔高度，大气气体吸收引起干燥空气的信号衰减
   

3. 不同载波频率，使用不同天线，对路径增益的影响。发射端和接收端的高度均为10km
   
   信号的路径增益在高频下降低，并且由于大气效应对信道的额外衰减，几乎不可能在长距离的HAP之间建立链路。

四 信道容量

1. 在不同带宽的最大信道容量
   接收端和发送端之间的水平距离为10km，平台高度为20km的情况下，输出功率为10W时，不同带宽的信道可以达到最大容量。
   
   大于20GHz，信道容量减少是因为：信道中信号的路径增益将减少，因此接收信号功率将减少，而信号带宽的增加对信道容量的影响减少。
   在160GHz和更高的载波频率下，信道容量保持低于目标容量，虽然在这种情况下，增加带宽以增加信道容量不是很好的解决办法，但是通过将信号功率增加到10w以上是可能的。
2. 在不同高度达到目标容量所需的最小发射功率。
   平台之间距离为10km，带宽假设为载波频率为40%的情况下
   
   气球和飞船等高空平台的功率管理，超过10W的信号传输功率将减少平台的飞行时间。

参考文章：
A. Yılmaz, N. Yılmaz, G. Kalem and M. A. Durmaz, “Path Gain and Channel Capacity for HAP-to-HAP Communications,” 2023 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Warsaw, Poland, 2023, pp. 305-312, doi: 10.1109/ICUAS57906.2023.10155817.