توضیحات

تحقیق سامانه مخابراتی در ارتفاع بالا HAPS

در طی چند سال گذشته تقاضاي ارتباط از طريق سامانه‌هاي بدون سيم به نحو چشمگيري افزايش يافته است. يكي از انواع فناوري‌هايي كه توسعه پيدا كرده، استفاده از هواپيما و يا كشتي‌هاي هوايي به عنوان تكرار كننده مخابراتي است. سامانه‌هاي مستقر در ارتفاع بالا يا ^[1] HAPSرا ميتوان به عنوان ماهواره‌هايي با ارتفاع خيلي كم و يا برج‌هاي مخابراتي با ارتفاع خيلي زياد در نظر گرفت كه قادرند همانند يك ماهواره ^[2]GEO پيوند ديد مستقيم را در اختيار كاربر قرار دهند و در عين حال سيگنال مربوطه با افت مسير و تأخير بسيار كمي دريافت مي‌شود و از طرف ديگرمي‌توان با كمك اين سامانه‌ها يك ساختار سلولي ايجاد نمود و از مزاياي استفاده مجدد فركانس استفاده كرد [Miura, 2001]. در طراحي HAPS مي‌بايست قابليت اعتماد بالا، مصرف كم انرژي و وزن كم آن و پيچيدگي معماري اين مجموعه نسبت به شبكه‌هاي زميني را در نظر گرفت. HAPS مي‌تواند بصورت يك ايستگاه تكرار كننده، اطلاعات را از كانال پيوند فراسو^[3] دريافت كرده و سپس آنها را در كانال فروسو^[4] ارسال نمايد و يا اينكه قسمتي از اعمال پردازشي را با كمك پردازنده‌‌هاي تعبيه شده در آن انجام دهد كه به اين حالت اصطلاحاً OBP^[5] گفته می‌شود.

سامانه‌هاي HAPSدر لايه استراتوسفر جو و در فاصله 17 تا 22 كيلومتري زمين قرار دارند و سرويس‌هاي مختلف باند باريك و باند وسيع را براي كاربران فراهم مي‌كند. سامانه‌هاي مستقر در اين موقعيت در مقايسه با ماهواره‌ها از بودجه پيوند بسيار بهتري برخوردارند و نسبت به ايستگاه‌هاي زميني، ناحيه بسيار وسيع‌تري را تحت پوشش قرار مي‌دهند. چند باند فركانسي مختلف توسط ITUبراي ارتباط از طريق HAPSتعيين شده و همچنين مشخصه‌هاي فني و عملياتي سرويس‌هاي ارائه شده نيز تعريف شده است [Widiawan et al., 2006].

از كاربردهاي مهم HAPSمي‌توان به فناوري سلولي، سرويس‌هاي LMDS^[6]و ايجاد شبكه‌هاي ديجيتالي مانند اينترنت را نام برد. انعطاف پذيري سامانه‌هاي HAPSنه تنها آنها را براي كاربردهاي مخابراتي مناسب كرده است بلكه ميتو‌ان از آنها در كاربردهاي سنجش از دور نيز استفاده كرد. يكي ديگر از كاربردهاي مهم اين ايستگاه‌هاي هوايي در WiMAX است .فناوري HAPSميتواند مشكل فاصله زياد بين ترمينال‌هاWiMAX و ماهواره را حل كند، بخصوص اينكه HAPSبطور معمول در ناحيه تحت پوشش ترمينال‌هاي WiMAX قرار می‌گیرد.

ساختار HAPS

سكوهاي ارتفاع بالا ايستگاه‌هاي شبه ثابتي هستند كه بصورت شناور در لايه استراتوسفر قرار مي‌گيرند. سرويس‌هاي مخابراتي مختلفي توسط اين ايستگاه‌ها كه بصورت هواپيماهاي بدون سرنشين (^[7] (UAVو يا بالن‌هايي كه در ارتفاع 17تا 22كيلومتري سطح زمين قرار دارند، ارائه مي‌شود. جو زمين از چندين لايه مجزا تشكيل شده است كه استراتوسفر لايه دوم آن است. اين لايه ارتفاع 10تا 50كيلومتري جو زمين را تشكيل مي‌دهد و شرايط جوي نسبتاً ايستان و پايداري دارد. در ارتفاع 20تا 30 كيلومتري جريان هوا تقريباً ثابت است و سرعت باد كمترين مقدار را دارد و به همين دليل اين ارتفاع مناسب‌ترين محل براي قرار گرفتن سكوهاي HAPS است. از طرفي به دليل وجود نداشتن هيچگونه ابري در اين لايه از جو، مي‌توان از انرژي خورشيدي استفاده موثر و بهينه كرد. سلول‌هاي خورشيدي كه بيشترين مساحت خارجي هواپيما و يا بالن را بخود اختصاص داده اند انرژي مورد نياز HAPSبراي توليد نيروي لازم براي نگه داشتن آن در آسمان و عمليات مخابراتي را تأمين مي‌كند. عمليات مخابراتي توسط محموله مخابراتي انجام مي‌گيرد. محموله^[8] از آنتن‌هاي فرستده و گيرنده براي برقراري پيوند با ايستگاه‌هاي زميني و پردازشگرها به منظور انجام اعمال دريافت، مالتي‌پلكس، سوئيچ و انتقال داده تشكيل مي‌شود و مي‌تواند از استانداردها و شيوه‌هاي مختلف دسترسي چندگانه همانند TDMA^[9]، ^[10]FDMAو ^[11]CDMA استفاده كند. در ضمن اين محموله مي‌تواند بگونه‌اي طراحي شود كه به تنهايي و به عنوان يك ايستگاه منفرد در آسمان جايگزين برج‌هاي مخابراتي شود و يا اينكه به عنوان جزئي از شبكه مخابراتي شامل ايستگاه‌هاي زميني و ماهواره‌ها مورد استفاده قرار گيرد [Yung-Gyo et al., 2005].

در سال 1997و در WRC97^[12] ايده‌ی استفاده از HAPSبه صورت يك مقوله جداگانه از ايستگاه‌هاي راديويي مطرح گرديد. در آن مقطع زماني مقرر گرديد كه خدمات رساني توسط HAPSبه صورت ثابت و در باند فركانسي 47.2-47.5 GHzو 47.9-48.2 GHzانجام گيرد. در WRC00در سال 2000تصميم گرفته شد كه بتوان از HAPSبه عنوان ايستگاه اصلي در اجزاء تشكيل دهنده IMT‐2000^[13] استفاده كرد به همين منظور باندهاي فركانسي 2010/2025،1885/1980 و 2110/2170 MHz در ناحيه‌هاي يك و سه و باندهاي فركانسي 1885/1980 و 2110/2160 MHzدر ناحيه دو به سرويس‌هاي HAPSاختصاص يافت. علاوه بر آن بدليل اينكه در باندفركانسي 47/48 GHzاثر تضعيف باران زياد است، در بعضي از كشورها استفاده از باندهاي فركانسي 27.5/28.35نيز مورد موافقت قرار گرفت.

کاربرد‌های HAPS

پروژه‌هاي مختلفي در سطح جهان وجود دارد كه HAPSبه عنوان يك بستر مخابراتي در آنها در نظر گرفته شده است. از جمله زمينه‌هاي كاربردي پيش‌بيني شده در اين پروژه‌ها مي‌توان به موارد زير اشاره کرد:

استفاده از HAPSبه عنوان سكو براي سنجش از دور، به اين معني كه داده‌ها در مورد يك شيئ از طريق حسگرهاي مختلف بدون برقراري ارتباط با خود آن شيء جمع آوري شود. زمينه‌هايي نظير نقشه برداري و تهيه نقشه جغرافيايي با كيفيت مطلوب، نظارت بر ترافيك، سنجش حوادث طبيعي نظير سيل و زلزله، جمع آوري داده‌هاي هواشناسي با سنجش وضعيت ابرها و جو زمين را مي‌توان از جمله كاربردهاي سنجش از دور ‌ HAPSبيان كرد.
كاربرد HAPSدر پخش امواج و ايجاد ارتباط مخابراتي در مناطقي كه امكان ساخت زيرساخت‌هاي مخابراتي در آن وجود ندارد و يا اينكه اين زيرساخت‌ها دچار حادثه شده اند.
استفاده از HAPSبه عنوان وسيله اي با توان پروازي زياد در مأموريت‌هاي نظارتي طولاني مدت. به عنوان مثال پايش سواحل و مرزها و يا حتي مأموريت‌هاي نظامی به‌ كاربردن HAPSدر سامانه‌هاي ناوبري و مكان‌يابي با توجه به تحت پوشش قرار دادن ناحيه وسيع جغرافيايي.

در طراحي شبكه‌هاي جديد مي‌توان تركيبي از سه سامانه ماهواره، HAPSو ايستگاهاي زميني را به كار برد در نتيجه در تمام زمينه‌هاي فوق HAPSمي‌تواند حجم بزرگي از داده‌هاي كاربران و حسگرها را به ايستگاه‌های زميني و يا ماهواره از طريق ارتباطي با سرعت بالا ارسال كند.

ساختار كلي اين نوع شبكه ها را نمايش مي‌دهد.

ترکیب ماهواره، HAPS و ایستگاه های زمینی

مزاياي استفاده از HAPS

با تركيب نكات مثبت سامانه‌هاي مخابراتي زميني و ماهواره‌ها، مزاياي زير را مي‌توان براي سامانه‌هاي مخابراتي مبتني بر HAPSبرشمرد:

پوشش خدمات رساني گسترده: بخاطر ارتفاع بالاي HAPSناحيه سرويس دهي تحت پوشش آن در مقايسه با سامانه‌هاي زميني داراي گستردگي قابل ملاحظه‌اي است. يك HAPSبر اساس مقدار زاويه بلندي^[14] مي‌تواند ناحيه‌اي با قطر بيشتر از 200كيلومتر را تحت پوشش قرار دهد.
كيفيت بالاي سيگنال انتقالي: ارتفاع زياد سامانه هاي HAPS در مقايسه با سامانه‌هاي مخابراتي زميني باعث مي‌شود وجود موانعي مانند درختان، ساختمان‌ها و عوارض زميني كمتر در كيفيت سيگنال تأثير منفي داشته باشند.
مزاياي زيست محيطي: با كاهش نياز به زيرساخت‌هاي زميني و بدليل اينكه براي پرتاب اين سامانه‌ها نياز به وسايلي مانند راكت نيست و همچنين بدليل اينكه عمده توان مصرفي اين سامانه‌ها از سلول‌هاي خورشيدي بدست مي‌آيد، اين سامانه‌ها مي‌توانند در حفاظت از محيط زيست نقش اساسي داشته داشته باشند.
استقرار سريع: يك HAPSرا مي‌توان در چند ساعت در محل مورد نظر مستقر كرد كه در مقايسه با زيرساخت‌هاي زميني براي ايجاد پوشش مخابراتي وسيع بسيار سريعت است.
خدمات مراقبتي آسان: سامانه‌هاي HAPSبر خلاف ماهواره‌ها مي‌توانند براي تعمير، ارتقاء و يا پيكربندي مجدد، به زمين آورده شوند.
عدم نياز به كسب گواهي صحت عملكرد در فضا: كسب گواهي صحت عملكرد در فضا مانند آنچه براي ماهواره‌ها لازم است براي HAPSنياز نيست كه اين خود باعث حذف زمان و هزينه مصرفي مي‌گردد.
تأثير كمتر اثرات جوي: در مقايسه با پيوندهاي مخابراتي بين ايستگاه‌هاي زميني و ماهواره‌ها، ارتباطات مخابراتي در شبكه‌هاي HAPS كمتر تحت تأثير تضعيف و اغتشاش ناشي از جو قرار مي‌گيرند.

با همه مزاياي فوق، وجود مشكلاتي از قبيل نياز به داشتن ايستگاه مانيتورينگ، جوان بودن فناوري استفاده از كشتي‌هاي هوايي و هواپيماهاي بدون سرنشين و نياز به تجهيزاتي جهت نشانه روي و هدف گيري آنتن‌هاي عرشه‌اي^[15] از جمله عيب‌هاي اين سامانه‌ها مي‌باشد.

فهرست مطالب تحقیق سامانه مخابراتی در ارتفاع بالا HAPS

مقدمه

مروری بر مخابرات بیسیم

2-1- دستهبندی شبکههای مخابرات بیسیم

2-1-1- شبکه W-PAN

2-1-2- شبکه W-LAN

2-1-3- شبکه W-MAN

2-1-4- شبکه W-WAN

2-2- مخابرات ماهوارهای

سیستمهای مخابراتی با ارتفاع بالا[1]

3-1- مروری بر HAPS

3-2- دسته بندی سامانه HAPS

3-2-1- کشتی فضایی بدون سرنشین

3-2-2- هواپیمای بدون سرنشین

3-2-3- هواپیمای با سرنشین

3-3- اجزا سامانه HAPS

3-4- تخصیص طیف فرکانسی برای سامانه HAPS

3-5- ظرفیت و مدل کانال در سامانه HAPS

3-7- روشهای انتقال داده و کدینگ

3-6- کاربردهای سامانه HAPS

3-4-1- مخابرات بیسیم ثابت باند پهن

3-4-2- ایستگاه ارتفاع بالا از نوع UMTS

3-4-3- سامانه ارتفاع بالا برای استاندارد DVB یا DAB

3-5- مزایای استفاده از سامانه HAPS

3-6- برخی از پروژههای فعال HAPS

معماری سامانههای مخابراتی HAPS

4-2- معماریهای مختلف سامانه HAPS

4-3- تخصیص منبع در شبکه HAPS

تحقیقات در آینده

منابع تحقیق سامانه مخابراتی در ارتفاع بالا HAPS

[1] T. C. Tozer and D. Grace, “ high altitude platforms for wireless communications”, electronics and communications journal, June 2001.

[2] A. Mohammed, Z. Yang, “broadband communications and applications from high altitude platforms”, international journal of recent trends in engineering, May 2009.

[3] Alejandro Aragon-Zavala, Jose. L. Cuevas-Ruz, Jose Antonio Delgado-Penn, “High-altitude paltforms for wireless communictions”, a John Wiley and Sons publications, 2008.

[4] S. H. Alsamhi and N. S. Rajput, “an intelligent HAP for broadband communications: development, QoS and applications”, international journal of electronics and communications and electrical engineering, April 2015.

[5] A. K. Widiwan and R. Tafazoli, “high altitude platform station (HAPS): a review of new infrastructure development for future wireless communications”, wireless personal communications, springer 2006.

[6] T. Celcer, A. Svigeli and M. Mohorcic, “network architectures exploiting multiple HAP constellations for load balancing”, WSEAS March 2008.

[7] S. Karapantazis and S. Pavlidou, “broadband communications via high altitude platforms: a survey”, electronic magazine of original peer-reviewed survey articles, 2005.

توجه:

این تحقیق شامل یک فایل ورد 44 صفحه ای و یک پاورپوینت 20 اسلایدی جهت ارائه می باشد
لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.