【原】谷歌Loon 高空氣球平臺網絡物理層的系統(tǒng)設計

浮空君 2021-01-31

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作者：

· Sharath Ananth

· Ben Wojtowicz

· Alfred Cohen

· Nidhi Gulia

· Arunoday Bhattacharya

· Brian Fox

摘要：

本文描述了Loon系統(tǒng)的物理層和其外部接口。Loon系統(tǒng)是以平流層氣球為基礎構建LTE高空平臺（HAP），并將標準用戶設備(UE)連接到Internet。本文重點描述了Loon系統(tǒng)原型的eNodeB天線模式，通信信道，UE的電池壽命和與其使用相同頻譜的地面網絡如何共存。雖然對從HAP到地面的的信道模型已經有很深入的研究，但是關于使用低于1GHz的極化分集方法建立到UE設備的多極輸入-多極輸出（MIMO）還沒有被深入研究過。此外，本位還對地面基站網絡的融合和HAP通信對UE設備電池壽命的估測影響做了理論分析。最后，本文也對極化分集方法的測量結果和和實驗結果進行理論分析和檢驗。

1 簡介

利用高空平臺（HAP）為地面提供Internet連接已經被研究了將近20年，很多研究文章都從不同方面討論這套系統(tǒng)，包括從無線連接方面。Loon系統(tǒng)是目前唯一能夠為地面上成百上千的用戶提供這種連接服務的平流層HAP。

為了達到這個目的，Loon的HAP由飛行在17～21公里的高空氣球組成，并將符合LTE標準的信號發(fā)射到地面。這個過程通過氣球攜帶的一個eNodeB節(jié)點完成，eNB用于與標準的UE設備進行通信。對于回傳信號，高空氣球可以通過氣球-氣球和氣球-地面的跳躍方式將信號高速地傳輸回地面設備。利用這種方式，氣球在高空組成了一個網狀網絡（meshNetwork）。

設計這樣(Loon)的系統(tǒng)面臨以下挑戰(zhàn)：

1、與UE設備，包括那些符合3GPP Release-8標準的設備的互通性。由于Loon系統(tǒng)的目的是用于滿足緊急通訊市場需求，因此對不能對這些通訊協(xié)議標準進行修改.

UE設備的天線為了地面基站蜂窩塔通信，而不是為Loon HAP的通信，進行了優(yōu)化設計，

2、由于氣球使用的是太陽能，因此對球上設備能耗有限制，并且由于Loon HAP原型的物理條件限制，對設備質量也有限制。

3、在UE設備上的發(fā)射功率也受到限制并且不能再增加。

4、由于Loon高空平臺使用了與地面蜂窩基站相同的頻段，因此Loon HAP需要與這些發(fā)射基站共存。

在之前的研究中，對用于HAP通訊的信道模型做了很多研究，此外，在文獻[11]第10章中對平流層信道模型也做了回顧。但是只有很少的文章討論了HAP-MIMO信道模型并且只有很少的文章討論了極化分集技術。例如，通過檢測下行HAP信道的特性研究MIMO用于HAP通信的優(yōu)點。模擬實驗表明，使用2×1MIMO可以提高將LTE性能提高1.4～12.3dB，使用2×2MIMO可以將其性能進一步提高7.7～15.7dB。這項研究使用了文獻[17]的數(shù)據(jù)以便模擬Ricean信道。該文作者在模擬實驗中假設了2個互相獨立的Rician衰落信道，但是作者并未說明如何取得這種獨立性。Mihailidis和Kanatas導出了一個3維的幾何型的單振信道模型，該模型可以用于在Ricean衰落環(huán)境中對MIMO信道建模。利用該理論模型，可以對HAP天線內部空間需求進行評估，評估的結果可用于計算HAP MIMO信道的非相關響應。但是利用極性對非相關信道進行求解還沒有被研究過。此外，文獻[9]將仰角和極性作為函數(shù)測量了建筑物穿透損失（BPL）參數(shù)。為了模擬接收天線的方向模式，文章作者將天線配置為正交模式（例如，一個天線垂直指向，另一個做水平指向）。這種配置方法利用仰角為函數(shù)測量了極性對BPL的影響。圖5顯示了一個2GHz接收天線的垂直和水平極性5dB BPL的峰值差。但是典型的低于1GHz的UE設備并沒有這種理想正交天線。Oestges利用雙極天線陣討論了雨雪天氣對47GHz HAP的去極化影響。Dong 等人從單點HAP和多點HAP網絡角度分析了分集的性能。文章作者指出由于在單點HAP中天線距離太近的緣故，導致傳統(tǒng)的MIMO技術不能克服大規(guī)模衰落。由于在HAP操作環(huán)境中視距（LOS）信道占主導地位，導致無線傳導信道高度相交并且大部份分集技術都無法使用。但是，作者也指出在地面上使用空間分集或者使用多點HAP也許不屬于上述情況。同時，作者也沒有討論在HAP使用極化分集的情況。Michailidis等人提供了一個用于HAP極性分集的數(shù)學模型，該模型可以計算出正交極化間的XPD參數(shù)。根據(jù)該文，圖2顯示出即使當HAP在城市（例如倫敦）頭頂上空時，XPD會比較低。這個結果在LOS信道比較強的情況下通過直覺就可以感受到。但是，這個分析因為是用于密集的城市地區(qū)，因此使用的Ricean K因子為0。這張圖并不能顯示在偏遠的地區(qū)的情況，因為在那些地區(qū)Ricean K因子更高。此外，作者假設了UE設備使用的是一個均衡的天線模式，該模式并不適用于在典型的UE設備在實際條件下的使用場景。Nikolaidis等人利用飛艇上的雙極性天線提供了XPD在LOS信道的測量數(shù)據(jù)。表1顯示在所有使用條件下（例如，LOS信道和非LOS信道）大于15dB的XPD。第3B小節(jié)圍繞Demmel Condition Number進行討論，由此得出結論即高仰角情況下可以實現(xiàn)多路經傳輸（MIMO）。但是在于UE設備協(xié)同定位的HAP上使用低于1GHz天線的情況，由于天線的限制，還需要進一步研究。在地面基站使用極化技術提供多集增益也進行了深入的研究。例如，文獻[19]演示了利用信道散射可以對信號進行去極化和去相關能力，極化技術可以為協(xié)同定位天線的提供2個獨立的衰落信道。此外，文獻[21]還指出極性分集在大多數(shù)使用LOS信道的地面應用中是個保留技術。最后，HAP平臺和地面部署的基站的使用相同頻率的信號共存技術也被深入地研究。例如文獻[23]討論了在災難發(fā)生時，由于緊急情況導致地面基站不能使用的情況下使用3G信號共存的場景。作者分析了當?shù)孛婊揪W絡的3G信號被HAP的3G信號覆蓋情況下，HAP 的3G信號對地面基站信號的影響。根據(jù)所選擇的參數(shù)，作者指出了HAP 和地面網絡系統(tǒng)同時運行時對地面信號的影響，尤其是在郊區(qū)和城區(qū)蜂窩基站比較密集的地區(qū)。Likittanasate 等人研究了WiMax 5G信號共存的場景。作者考慮了單個HAP和距離其10公里遠，但仍在HAP信號覆蓋范圍內的單個地面基站共存的情況。根據(jù)所選參數(shù)，作者總結指出在低速率調制時，HAP和地面基站的信號可以共存。作者也指出，如果使用高速率調制，則UE設備天線的波束寬度要收窄（例如小于300）。類似地，文獻[25]也探討了關于UE設備的天線方向。作者討論了使用集群HAP時的信號共存情況，在此條件下，使用窄的天線波束寬度可以減小由多個HAP導致的對的UE設備影響。Park 等人探討了在HAP和地面基站使用碼分多址（CDMA）情況下的信號共存情況。在他們的研究中，地面基站CDMA的覆蓋范圍和HAP CDMA的最小覆蓋范圍為2.5～9公里。但是，對于小于1GHz 的LTE來說，HAP的覆蓋范圍與使用全向天線的UE的關系還沒有研究過。目前的研究很多都適用于Loon系統(tǒng)，但是很多設計上的挑戰(zhàn)都需要進一步的研究。本文在目前研究的基礎上，對低于1GHz的HAP天線的極化分集進行測量，并說明為何這種情況下HAP信道模型不能有效地支持UE設備的MIMO通信，并討論對于真實UE設備，在HAP和地面基站之間的LTE信號共存情況。

Table 1

Conductedpower by loading per port (assuming 37 dBm per port at maximum loading) for 5MHz channel bandwidth

Num PRBs active	% PRB loading	Power delta from peak in dB	Conducted power in dBm
0	0	??10.21	26.79
4	16	??6.2	30.8
12	48	??2.76	34.24
19	76	??1.06	35.94
25	100	0.00	37

2 系統(tǒng)模型

2.1 頻帶

Loon系統(tǒng)的目標是通過將合作方已有的頻帶與其已有的網絡充分整合來為對方擴展其通信網絡。盡管Loon系統(tǒng)可以使用合作方已有的任意LTE頻帶，但是最適合的是低于1GHz的LTE頻帶。因為該頻帶允許最大的覆蓋范圍。由于其比較寬的帶寬，LTE頻帶28（上行703～748MHz，下行758～803MHz）被用于Loon系統(tǒng)的和地面合作方，因此本文也對該頻帶進行分析。

2.2 eNB天線模式

Loon的eNB使用的天線原型是設計用于戶外廣域范圍通信。為了達到這個目的，單個Loon HAP需要覆蓋半徑為40公里的區(qū)域。超過這個范圍，即使一個UE設備也可以接收到Loon的下行通信信號，系統(tǒng)的上行鏈接就會受到限制。

表格5,6,7,8（文獻【29】）顯示上行連接速率384Kbps時CouplingLoss為132dB，連接速率達到14.4kbps時CouplingLoss 為140dB。假設一個UE天線的增益，包括本體損失，平均為負10dB，則滿足eNB的天線增益可以從下式導出：

PathLoss是指自由空間路徑損失（FSPL），CouplingLoss可以取132dB或者140dB。Loon系統(tǒng)eNB的原型天線的實際增益與這兩個CouplingLoss的關系顯示在圖1。圖中可以看到，對于戶外UE的視距鏈路，上行速率為384kbps時UE天線的角度大概為65度（～半徑43公里）。

此外，Loon系統(tǒng)的eNB使用了2個發(fā)射天線和2個接收天線，這套配置為協(xié)同定位天線使用了2個不同的線性極化方式（水平極化和垂直極化）。其他類型的天線配置也進行了測試，包括空間分開方式。

2.3 UE天線模式

研究表明用于UE設備的天線在頻率低于1GHz的情況下很難取得分集。例如，文獻[30]指出，一般來說，2個線性極化，正交安裝的天線，通過減少相互耦合就可以獲得極性分集。他們繼而指出，這種技術并不適用于低頻（例如，700MHz的LTE）UE設備天線，這是由于地表的尺寸遠遠小于波長（700MHz時=429mm）。Derneryd等人在文獻[31]指出在開發(fā)用于小型手持設備的具有低相關性和高效能多天線時會遇到問題，尤其是用于低頻的天線。Hagerman等人在文獻[32]中描述了在他們的研究結果，在這些研究中他們使用了Ericsson和Verizon（2種不同類型手機-譯者），結果表明當UE天線位置被仔細的設計安裝，可以取得較好的MIMO效果，甚至對于700MHz的LTE信號也是如此。該研究模仿了具有不同天線安裝位置和不同天線尺寸的UE設備以對應于市面上現(xiàn)有的和將來可能的手機設備。

在LTE手持設備的天線設計中，一個經常用到的參數(shù)就是Envelope CorrrelationCoefficients （包絡相關系數(shù)， ECC），正如文獻[30]所描述的那樣。為了獲得更好的MIMO性能，ECC一般推薦小于0.5。一般對于低頻帶使用比較高的ECC，而對于高頻帶使用比較低的ECC。例如，一個目前流行的700MHz的智能手機ECC大概在0.4～0.5，對于更高頻的手機ECC低于0.1.但是，對于空間分集和極性分集來說，ECC都是相同的（例如，對于2個極性正交并指向同一個方向的天線，或者指向不同方向但是極性相同的天線，都使用較低的ECC）。通過檢測流行UE設備的天線的輻射圖可以看出，利用指向不同方向的天線可以得到700MHz范圍的較低的ECC，而不是通過極性分集取得。天線指向的方向上ECC的影響分析可以通過計算天線增益的ECC總和得到，而不是計算2個天線的正交極性獲得。如果用著兩種方法都可以得到大致相同的ECC ，那么可以得出結論就是ECC主要是由天線的指向而不是的天線的極性決定的。如果通過計算總增益得到的ECC比較高，而通過傳統(tǒng)計算方法（計算2個正交極性-譯者）得到的ECC較低，則較低的ECC就是通過極性分集得到的。對于典型的UE設備，我們發(fā)現(xiàn)修改后的ECC只比常規(guī)計算得到的ECC（在低頻區(qū)段）高20～30%。這更進一步確證由于天線指向不同的方向導致在700MHz 的ECC比較低。

圖2顯示一個智能手機的全向性，φ向性和θ向性。從這些圖可以看到指向不同方向的主要和分集天線，并且能看出所有的天線θ極化向性很低。這導致使用MIMO通信時，UE設備的一個占主導的極性對信號強度需求較大以便克服第二個極性帶來的低增益效應。但是，在這種條件下，較大的增益差異會造2個MIMO數(shù)據(jù)流間的信道容量不平衡。

2.4 eNB發(fā)射功率

目前Loon系統(tǒng)eNB的每個輸出端口的傳輸功率為37dBm，所有輸出端口的傳輸功率總和為40dBm。只有當eNB獲得100%的物理資源塊（PRB）時傳輸功率才達到峰值，并且當PRB利用率減少時傳輸功率也隨之降低。這個特性可以從表1的5MHz信道帶寬中看到。

此外，當Loon HAP的部署密度更高時，UE設備的信號強度主要由地面網絡決定。當(手機設備)重新選擇（附近的基站）的信號時，UE設備會（自動）選擇地面基站而不是Loon HAP。由于發(fā)射功率要求低，Loon HAP的峰值發(fā)射功率也會響應減少。

2.5 信道模型

由于單個Loon HAP的覆蓋范圍大概40公里并且其漂移速度很慢，戶外UE設備的信道一般是LOS模式加上高斯白噪聲（AWGN）。Shimamoto等人在文獻[17]中描述了單個HAP的接收功率對應的天線仰角標準方差。根據(jù)他們的結論，高的天線仰角對應的標準方差為0.5dB（Ricean K因子=18），天線仰角為40度對應的標準方差為3.9dB，天線仰角為10度對應的標準方差為5dB（Ricean K 因子為1）。盡管未來Loon支持使用室內天線，在本文中所描述的Loon系統(tǒng)使用的是室外天線?？紤]到室內使用條件，文獻[17]描述的信道模型的標準方差會高一些。

2.6 地面發(fā)射功率和天線模式

這二者與使用者有關，但是對于大型地面基站，在峰值天線增益為18dBi的情況下，每個天線端口發(fā)射功率為46～49dBm。下面的分析對于最差情況設定條件是46dBm和18dBi。

2.7 地面發(fā)射塔的范圍

這個問題還是與操作者和地理位置有關系。文獻[33]中的表格6.33顯示在700MHz范圍內（LTE），一個基站的覆蓋范圍達到6.58Km（郊區(qū)）和1.88Km（市區(qū)）的情況。本文以下分析按照郊區(qū)范圍13.16Km（2×6.58Km）和市區(qū)范圍3.76Km（2×1.88Km）。

2.8 用戶位置

盡管Loon HPA的原型設計用來支持室外用戶使用的，但是未來的Loon也將支持室內用戶的使用。本文的分析包括了室內和室外用戶使用情況。在將來室內用戶將占很大比例。

2.9 Loon的信道傳播模型

正如前面已經討論的，Loon使用的是LOS-AGWN信道模式。這種信道中FSPL占主要部分-- 本文將在后面進行分析?；贔SPL的干涉建模是對傳播預測的一種優(yōu)化方法。在進行共存分析中，并且FSPL也為共存分析提供了一種最差情況下的用例。此外，F(xiàn)SPL也用于很多其他的HAP共存分析中。

2.10 地面?zhèn)鞑ツＰ?/span>

地表的影響也是地面?zhèn)鞑シ治龅囊粋€考慮因素。在文獻[33]中使用了一個簡化的COST231HATA版本用于該分析。在這個模型中，設定eNB高度為35m并且UE高度為1m。路徑損失是UE和地面基站塔之間距離的函數(shù)：

PathLossSuburban=113.32+34.8?log10(d) (2)

PathLossRural=100.15+34.8?log10(d) (3)

該公式并未使用對數(shù)常態(tài)衰減邊界，因為該公式是用于最差情況分析。在典型的地面部署情況中，要加上額外的10dB的對數(shù)常態(tài)衰減邊界，就如文獻[36]中表11給出的數(shù)據(jù)。

2.11 建筑物穿透損失

建筑物穿透損失（BPL）主要由建筑物屋頂?shù)慕ㄖ愋蜎Q定。根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)，發(fā)展中國家使用的屋頂種類很廣泛，從可以透過無線射頻（RF）信號的衰減阻擋最小屋頂（例如，茅草）到具有增加了額外堅固材料的建筑屋頂（增強型混凝土）。考慮到室內使用情況，本文分析中的BPL設定為13dB，在室外分析中的BPL設定為0dB。

2.12 UE設備特性

正如前文所述，UE設備天線和本體損失設定為負10dB。但是大多數(shù)研究中UE的天線增益設定為0dB。考慮到用戶設備的天線增益要更高一些，本文分析中設定為0dB。

2.13 最小和最大的信噪比（SINR）和覆蓋范圍

文獻[33]中的表6.11定義為 – LTE服務的最小SINR需求為4dB，并且文獻[37]中傳輸信號需要的的錯誤向量幅值（EVM）小于8%。這個8%的EVM對應于峰值SINR為25dB。本文分析中，SINR最高限制為30dB以便允許超過最小需求。此外，文獻[24]定義的兩個參數(shù)“覆蓋區(qū)域內獲得服務比例”和“覆蓋區(qū)域內未獲得服務比例”。利用這些參數(shù)，本文分析中定義了覆蓋區(qū)域并測量了SINR分布。這種SINR分布的測量是通過對覆蓋區(qū)域進行歸一化采樣并畫出其累積分布函數(shù)（CDF）。

3 模擬結果和討論

3.1 下行鏈接干擾

3.1.1 沒有Loon HAPs的簡單干擾分析

首先考慮沒有Loon HAP情況下一個單獨的地面基站塔的情況，圖3顯示了地面上SINR的情況。當在距離第一個塔13.16Km處增加第二個基站塔時，圖4顯示了2個基站塔合在一起SINR情況。盡管圖上顯示蜂窩基站的范圍達到20Km，但這只是在UE天線增益為0dB時的優(yōu)化條件下并且缺少對數(shù)常態(tài)衰減邊界。就如前文所述，這是為了提供一個最差的用例。在所有的使用用例中，SINR限制為30dB。從圖中還可以看出，額外的地面基站塔可以將UE設備的峰值 SINR從大于30dB減少到略低于15dB。

Fig. 3 Expected outdoor SINR with a single rural terrestrial tower

Fig. 4 Expected outdoor SINR with two rural terrestrial towers

3.1.2 一個有Loon HAP的簡單干擾分析

從基本分析出發(fā)，在距離基站塔30Km的距離增加一個具有100%eNB 負載的Loon HAP。從Loon HAP與基站塔的這個距離符合天線峰值增益。為了重現(xiàn)最壞的用例情況，所有的UE設備都設定為室外使用并且Loon HAP使用最大發(fā)射功率。

圖5顯示了這種用例的SINR情況。就如預計的，靠近基站塔時SINR會進一步降低。但是信號覆蓋區(qū)域會有相當大的提高。

Fig. 5 Expected outdoor SINR with two rural terrestrial towers and aLoon HAP

考慮到所有室外UE設備共存分析中的最差用例情況，反過來對于所有室內UE設備使用用例也應該予以考慮。

這種用例（室內UE設備）的SINR如圖6所示。如圖所示，當室外覆蓋增益可以實現(xiàn)時，Loon HAP對SINR的影響有一個最小值。

現(xiàn)在考慮郊區(qū)用例。圖7顯示2個間距3.76Km的戶外UE基站塔和具有100%負載的Loon eNB。

在這種情況下，Loon HAP會導致SINR降低。但是會少于由于基站塔之間相互干擾導致的SINR降低程度。

在所有的情況下，聯(lián)合曲線都在最小SINR閾值之上 – 4dB。

這意味著即使干擾導致了基站覆蓋范圍縮小，但通過正確選擇，UE設備在任何位置都不會失去覆蓋能力，并且Loon HAP的存在會顯著地提高其覆蓋能力。

3.1.3 地面基站部署位置的干擾

從兩個基站塔的簡單用例開始，考慮部署一個具有37個6角形單元區(qū)域的基站塔。每個單元半徑6.58Km以便模擬在農村部署的情況，所有的用戶設備都是戶外型以便模擬最差的用例情況。這種部署達到的覆蓋地區(qū)的半徑為46Km，其SINR的情況可以參考圖8。

Fig. 8 SINR heatmap of 37 cellterrestrial rural deployment

為了方便分析，一個單獨的Loon HAP被假定隨機地部署到半徑為46Km內的任意一個位置。此外，Loon 的eNB被設定為具有100%負載以便于最壞用例分析，并且用螺旋性包裹方式對更廣泛區(qū)域建模。

圖9顯示的是整個區(qū)域的SINR的CDF結果，按照LoonHAP部署前和部署后的方式計算。從圖中可以看到當一個Loon HAP 位于一個完整的地面基站網絡時的上空時具有一個很小幾乎可以忽視的變量。

為了模擬沒有完整的地面基站網絡的情況，可以用只有3個單元的基站塔模型，而不是37個單元的地面基站塔模型，這便于模擬當?shù)孛鏇]有完整基站網絡的情況。圖10顯示了在這種情況下的3個不同的SINR的CDF。

第一個CDF顯示沒有Loon HAP時的基站網絡傳導SINR。第二個CDF顯示當部署了Loon HAP時的SINR。可以看到SINR中有一個比較大的變量并且可以注意到當部署了Loon HAP時，地面基站塔的SINR顯著地減小。第三個CDF顯示當部署Loon HAP時，UE設備沒有滯后現(xiàn)象而進行信號重選時的地面基站塔的SINR。在這種情況下，UE會一直選擇最強的信號，而其他信號都會被視為干擾。在這些假定條件下，由于干擾導致的SINR減少大于6dB，而由于Loon HAP的覆蓋范圍比較大導致SINR增加低于6dB，因此SINR平均值不會降低。這是顯而易見的，因為當只有3個地面基站塔時，Loon HAP的覆蓋區(qū)域會有很大的漏洞。

Fig. 10 CDF of SINR before and after placement of a Loon HAP over a 3cell terrestrial rural deployment

3.2 上行鏈接干擾

對于上行鏈接，在40公里范圍內，Loon的eNB會很自然地發(fā)現(xiàn)UE設備與地面基站塔之間通信的信號。實際上，在上行鏈接干擾，地面基站塔與UE設備有連接的基站塔數(shù)量和建筑屋頂材料之間有直接的聯(lián)系。但是，在適當?shù)倪B接條件下，UE會更傾向于選擇地面網絡。這意味著，當Loon HAP接近大型的地面基站網絡時，選擇與Loon HAP進行鏈接的UE設備會比較少。這當然會減少Loon HAP產生的下行鏈接干擾，但是這種情況也會允許其余UE設備更好地進行頻率調度選擇。

3.3 UE設備的發(fā)射功率和電池壽命

相比于地面基站，Loon HAP和地面UE設備的距離比較遠，一個比較常見的假設就是UE的發(fā)射功率比平常要高一些從而導致電池壽命減少。要理解這種情況，首先要理解UE在地面基站網絡中的發(fā)射功率的分布。Joshi等人在文獻[38] 中指出在目前的地面基站網絡中，一個UE設備的發(fā)射功率一般達到最大值的50%。在農村地區(qū)，95%情況下一個UE設備每隔15分鐘會發(fā)送7.9秒上行鏈接信號，而一般情況下是每隔15分鐘發(fā)送3.8秒上行鏈接信號。按照這些參數(shù)，下面這些設定將用于后面的分析：

l每隔15分鐘發(fā)送8秒上行鏈接信號

l發(fā)送上行鏈接信號時發(fā)射功率會達到最大功率的50%并且其余時間內的發(fā)射功率要比最大值低12dB。

此外，在文獻[39]中的圖1顯示UE最大發(fā)射功率為2.6W，該圖也顯示出當傳輸功率低于最大值12dB時的發(fā)射功率為1.7W。最后，文獻中的圖3顯示出在系統(tǒng)休眠時的平均功率為11mW/ms，并且接收功率是500mW/ms。

如圖11所示，考慮到一個典型的系統(tǒng)占空比為640ms，系統(tǒng)空閑時的總功耗按照以下公式計算：

11 mW×637 ms+500 mW×3 ms=8507 μJ

超過14分52秒，這個數(shù)值是:

(14 min×60+52 s)×0.0085 J0.64 S=11.8 J

上行鏈接8秒的總功耗是：

2.6 W×4 s+1.7 W×4 s=17.2 J

超過15分鐘的總功耗是:

11.8 J+17.2 J=29 J

Loon HAP連接的最差情況（例如，UE發(fā)射功率一直處于最大功率狀態(tài)）下達總功耗：

11.8 J+2.6 W×8 s=32.6 J

這個值代表了調制解調器功耗增加了大概11%。一個低端UE電池容量大概是3.6V 2600mAH，在正常使用條件下可以持續(xù)使用24小時。所以UE總功耗是33,696J/天或者351J/15分鐘。因此一個3.6J的變量表示UE電池電耗可以增加大概1%，基本可以忽略不計。

Fig. 11 Modem power profile for a typical paging cycle

3.4 下一步的工作

本文的分析是假設地面基站網和Loon網絡之間的頻率可以被100%的重用。但與地面基站網絡相比，Loon網絡的優(yōu)勢是只占用一小部分信道帶寬。例如Loon網絡可以只用10MHz而地面基站網要使用20MHz。這使得Loon在降低下行連接干擾方面具有優(yōu)勢。此外，使用標準的干擾協(xié)調技術（例如，Intel的單元干擾協(xié)調（ICIC）,增強型Intel單元干擾協(xié)調（eICIC））也可以降低上行或者下行鏈接的干擾。

4 試驗/測試

測試工作在Loon用于波多黎各和秘魯?shù)腗aria颶風（9～10月2017）和El Ni?o洪水（ 3～4月2017）期間開展。在這次測試期間，使用了Rohde-SchwarzTSME 的超小型驅動器測試裝備用以測量信道特性以便收集關于Loon網絡和地面基站網絡的關鍵性能指標（KPIs）全面評價系統(tǒng)的性能。

4.1 到UE的信道

4.1.1 在UE端接收到的信號功率

在波多黎各，通過TSME收集了室內和室外環(huán)境的信號數(shù)據(jù)。TSME包括一個全向外置天線，該天線被設計用來模擬真實的UE天線。在測試過程中，2個Loon HAP飛行在距離測試點40Km和25Km遠的區(qū)域并且從二者同時收集數(shù)據(jù)。在保持TSME天線穩(wěn)定1小時的情況下，從2個Loon HAP的LTE信號中收集了信道沖擊響應數(shù)據(jù)。從地面收集的單層建筑測量數(shù)據(jù)作為室內測試結果。

圖12顯示了40Km處的Loon HAP信號功率分布（例如，從測試點朝向Loon HAP天線仰角~?25度）在全部的室內和室外測量結果。室內和室外信號功率均值相差7dB，室內信號功率標準方差4.6dB，室外4.7dB。Shimamoto等人在文獻[17]中指出天線仰角200時的標準方差2.65dB，300時1.75dB，400時3.9dB。實際測量中從Loon HAP取得的結果要比文獻中的結果稍微高一些。

但是，室內信號功率的標準方差要高一些，這表明多徑效應并不明顯。將來需要在室內做更多的測試以便更好地理解觀察到的結果。

圖13同樣顯示距離測試點25公里處的HAP的信號功率分布（例如，從測試點朝向HAP的天線仰角為45度）。在這個測試用例中，室內信號標準方差2.5dB，室外信號標準方差3.5dB，二者均值相差6.7dB。這個結果大致符合文獻[17]中的仰角400時的均值相差3.9dB的情況。

4.1.2 分集/MIMO通信

根據(jù)在秘魯和波多黎各的Loon HAP網絡收集的KPI數(shù)據(jù)，達到rank-2通信質量等級的通信只占全部通信時間的10%。這是由于前述的UE天線的頻帶低于1GHz。圖14顯示了極化分集的CDF，這個結果是通過rank-2與rank-1+rank-2的總和的比率得到的。

Fig. 14 CDF of percent of rank 2 requests

利用Loon的eNB進行空間多集化而不是極性多集也進行了試驗。在這個試驗中，發(fā)射天線以1m的間隔按照同樣的極性進行安置。根據(jù)文獻[12]的提出的理論，天線之間的距離應該更遠一些。但是Loon HAP的原型限制了間距的進一步增大。圖14顯示這個試驗獲取的CDF。圖中可以看到極性多集化的效果明顯地好于空間多集化。此外，對于大量的UE設備，二者都并不是有效的MIMO通信方式。通過條天線增益和扭轉eNB的ECC可以改善這種情況。但是，即使使用了這些技術，HAP的低頻通信效果還是比地面網絡通信的效果差。

4.2 與地面網絡共存

4.2.1 下行干擾 – 只有地面網絡的情況下

地面基站網絡下行鏈接的自我干擾也進行了分析。在這些分析中，裝在車上的 TSME設備作為地面基站網絡的一部分獲取測量的數(shù)據(jù)。圖15顯示測試結果中的SINR，圖16顯示了統(tǒng)一測量中獲取的接收信號強度指標（RSSI）。

Fig. 15 SINR from two terrestrial towers

Fig. 16 RSSI from two terrestrial towers

圖中可以在測試時段內，尤其是在大概4000秒，從兩個基站塔獲得的RSSI都非常高。但是由于2個基站塔具有相同的RSSI，一個SINR導致的干擾比預計的要低。這種情況下，當2個地面基站塔的RSSI增高的時候，SINR的均值位于階數(shù)為10dB附近并明顯地偏向于4000s。

4.2.2 下行鏈接干擾 – 地面基站與一個Loon HAP

在秘魯?shù)腜iura利用地面基站網絡進行了一些測試。在測試中，在距離一個地面基站塔不同的距離上用TSME設備進行了測試。一個靠近基站網絡邊緣的基站塔被選擇用于進行這次測試。將一個Loon的eNB在上述不同的的間隔內打開和關閉以便測試SINR的干擾。在所有的測試中，沒有發(fā)現(xiàn)地面基站塔的信號質量有降低。

對秘魯?shù)腜iura地區(qū)的地面基站網絡的KPI也進行了評定測試。在一個月的測試中，收集了上行和下行鏈接的吞吐能力和PRB。在測試期間，對使用Loon網絡和未用Loon網絡的情況都進行了記錄。隨后對所有的KPI進行分析以便判斷使用和未使用Loon網絡之間delta參數(shù)。分析結果顯示在網絡通信質量沒有降低。