CN108111218A - 基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，平流层飞艇置于平流层，网络信号覆盖系统包括发射装置、中继装置及接收装置，发射装置接收网络信号，发射装置依据网络信号朝向平流层飞艇发送一无线信号；中继装置布置于平流层飞艇上，中继装置接收无线信号，中继装置依据无线信号发送一中继信号；接收装置布置于中继信号的覆盖范围内，接收装置朝向中继装置并接收中继信号，接收装置依据中继信号向四周分享一热点信号，任一在热点信号的覆盖范围内的终端设备接收热点信号，终端设备与接收装置藉由热点信号通讯连接，终端设备藉由热点信号接入网络信号；本发明的作用距离远、信号覆盖范围广、系统位置设置灵活、系统造价低、易于部署及维护。

Description

基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统。

背景技术

平流层飞艇数据传输，是指将无线网桥架设于平流层飞艇平台，为地面用户提供WIFI信号覆盖、数据传输等业务的通信方式，被认为是一种在偏远地区具有巨大潜力的数据传输手段。与传统的地面基站相比，在平流层飞艇上搭建络覆盖平台拥有架设高度20KM的优势，平台与地面的距离比各种通信卫星的高度低很多，可以减少信号在自由空间传播过程的衰减，缩短信号延迟时间，有利于通信终端的小型化、宽带化和双工数据流的对称传输和互操作，便于实现对称双工的无线接入。

现有技术的路基蜂窝系统具有下述缺陷：1、尽管传播延迟小，但频率选择和传输速率严重受限，而且信号覆盖范围不能满足人们的需求；2、路基蜂窝系统基于卫星通信，卫星通信传播延迟大；3、LEO(低轨道卫星)的传播延迟小，但必须多颗LEO同时工作，而且系统扩容必须增加卫星，硬件升级需要更换卫星；4、路基蜂窝建成后无法移动，无法灵活适应使用环境，不便于部署；5、路基蜂窝的体积大、造价高。

因此，亟需一种作用距离远、信号覆盖范围广、系统位置设置灵活、系统造价低、易于部署及便于维护的网络信号覆盖系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种作用距离远、信号覆盖范围广、系统位置设置灵活、系统造价低、易于部署及便于维护的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，适于扩大所述网络信号的覆盖范围，所述平流层飞艇置于所述平流层，所述网络信号覆盖系统包括发射装置、中继装置及接收装置，所述发射装置接收所述网络信号，所述发射装置依据所述网络信号朝向所述平流层飞艇发送一无线信号；所述中继装置布置于所述平流层飞艇上，所述中继装置接收所述无线信号，所述中继装置与所述发射装置藉由所述无线信号通讯连接，所述中继装置依据所述无线信号发送一中继信号；所述接收装置布置于所述中继信号的覆盖范围内，所述接收装置朝向所述中继装置并接收所述中继信号，所述接收装置与所述中继装置藉由所述中继信号通讯连接，所述接收装置依据所述中继信号向四周分享一热点信号，任一在所述热点信号的覆盖范围内的终端设备接收所述热点信号，所述终端设备与所述接收装置藉由所述热点信号通讯连接，所述终端设备藉由所述热点信号接入所述网络信号。

与现有技术相比，本发明的网络信号覆盖系统基于平流层飞艇，该网络信号覆盖系统包括发射装置、中继装置及接收装置，发射装置将网络信号转化为无线信号后朝向中继装置发送，而中继装置部署于平流层飞艇上，有效的利用了平流层飞艇离地20KM的高度的优势，中继装置接收到无线信号后发送中继信号，而在20KM的高空下发送中继信号，有效的扩大了中继信号的覆盖面积，从而提升本网络信号覆盖系统的网络信号覆盖范围；由于平流层飞艇的高度远低于卫星及LEO的离地高度，发射装置将无线信号发射到平流层飞艇的功率远低于发射到卫星及LEO的功率，有效降低发射装置的发射功率，从而降低了系统造价，且由于无线信号从发射装置到中继装置的距离较短，有效降低了信号损耗及信号丢失；接收装置布置于中继信号的覆盖范围内，接收装置接收到中继信号后将中继信号转化为热点信号后供周边的终端设备接入，终端设备藉由热点信号接入网络信号，使得网络信号的接入点易于部署，在中继信号的覆盖范围内灵活布置多个接收装置，可实现在地面上覆盖最大化的热点信号以供多个终端设备连接、通讯；发射装置、中继装置及接收装置之间均是无线连接，有效的解决了地-空-地的信号传输，避免了架设线路，降低了部署成本及部署难度。

较佳地，所述发射装置包括信号模块、第一无线网桥及第一天线，所述信号模块与所述第一无线网桥通讯连接，所述第一无线网桥与所述第一天线通讯连接，所述信号模块接收所述网络信号，所述信号模块将所述网络信号传输至所述第一无线网桥，所述第一无线网桥依据所述网络信号生成所述无线信号并发送至所述第一天线，所述无线信号经由所述第一天线发送至所述中继装置。

较佳地，所述信号模块设置为4G信号模块，所述网络信号设置为4G网络信号。

较佳地，所述发射装置还包括第一伺服模块，所述第一伺服模块与所述第一天线通讯连接，所述第一伺服模块控制所述第一天线朝向所述中继装置。

较佳地，所述中继装置包括第二天线、双向放大器及第二无线网桥，所述第二天线与所述双向放大器通讯连接，所述双向放大器与所述第二无线网桥通讯连接，所述第二天线接收所述无线信号并发送至所述双向放大器，所述双向放大器增强所述无线信号并发送至所述第二无线网桥，所述第二无线网桥依据所述无线信号生成所述中继信号并发送至所述双向放大器，所述双向放大器增强所述中继信号并经由所述第二天线发送至所述接收装置。

较佳地，所述接收装置包括第三天线、第三无线网桥及路由模块，所述第三天线与所述第三无线网桥通讯连接，所述第三无线网桥与所述路由模块通讯连接，所述第三天线接收所述中继信号并将所述中继信号发送至所述第三无线网桥，所述第三无线网桥依据所述中继信号生成所述热点信号并发送至所述路由模块，所述路由模块向四周分享将所述热点信号。

较佳地，所述路由模块包括路由器本体及第四天线，所述路由器本体与所述第三无线网桥通讯连接，所述路由器本体与所述第四天线通讯连接，所述路由器本体接收所述热点信号，所述热点信号经由所述第四天线向四周分享。

较佳地，所述接收装置还包括第二伺服模块，所述第二伺服模块与所述第三天线通讯连接，所述第二伺服模块控制所述第三天线朝向所述中继模块。

较佳地，所述第一无线网桥、所述第二无线网桥、双向放大器及所述第三无线网桥的频段设置为5.8GHz。

较佳地，所述第一天线及所述第三天线设置为呈切割栅状的抛物面天线。

较佳地，所述第二天线设置为全向吸顶天线。

较佳地，所述中继信号的覆盖范围内布置有若干所述接收装置，若干所述接收装置发射的所述热点信号共同扩大所述网络信号的覆盖范围。

附图说明

图1是本发明的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统的示意图。

图2是本发明的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统的结构框图。

图3是本发明的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统的一优选实施方式的结构框图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参阅图1所示，本发明的基于平流层飞艇1的网络信号覆盖系统100，适于扩大网络信号2的覆盖范围。针对当前地面蜂窝网络覆盖范围较小，部分地区部署网络通信设施较难，LEO卫星对系统要求高的问题，本发明有效的利用了平流层飞艇1的20KM离地高度提出本网络信号覆盖系统100，使得本网络信号覆盖系统100具有作用距离远，覆盖面广，位置机动灵活，造价低，平台可回收，易于部署和维护等优势。下面将对本发明的网络信号覆盖系统100的各个部分进行详细描述。

请参阅图1和图2所示，本实施例的基于平流层飞艇1的网络信号覆盖系统100中，平流层飞艇1置于平流层，网络信号覆盖系统100包括发射装置10、中继装置20及接收装置30。其中，发射装置10接收网络信号2，发射装置10依据网络信号2朝向平流层飞艇1发送一无线信号3；中继装置20布置于平流层飞艇1的载荷仓上，中继装置20接收无线信号3，中继装置20与发射装置10藉由无线信号3通讯连接，中继装置20依据无线信号3发送一中继信号4；接收装置30布置于中继信号4的覆盖范围内，接收装置30朝向中继装置20并接收中继信号4，接收装置30与中继装置20藉由中继信号4通讯连接，接收装置30依据中继信号4向四周分享一热点信号5，任一在热点信号5的覆盖范围内的终端设备6接收热点信号5，终端设备6与接收装置30藉由热点信号5通讯连接，终端设备6藉由热点信号5接入网络信号2。优选的，中继信号4的覆盖范围内布置有若干接收装置30，若干接收装置30发射的热点信号5共同扩大网络信号2的覆盖范围，根据实际需要灵活布置接收装置30的位置及数量，可以最大限度的提升网络信号2的覆盖范围。本实施例的网络信号覆盖系统100的发射装置10与接收装置30通过中继装置20进行通讯连接，使得接收到热点信号5的任一终端设备6可以藉由中继装置20的中继信号4大覆盖范围优势，接入网络信号2，发射装置10与接收装置30之间的通讯连接关系，相当于现有技术中的地面网络之间的光纤传输，而本实施例的网络信号覆盖系统100经过链路计算与设计，可以实现超过100KM的通讯连接。

请参阅图1和图2所示，发射装置10包括信号模块11、第一无线网桥12及第一天线13，信号模块11与第一无线网桥12通讯连接，第一无线网桥12与第一天线13通讯连接，信号模块11接收网络信号2，信号模块11将网络信号2传输至第一无线网桥12，第一无线网桥12依据网络信号2生成无线信号3并发送至第一天线13，无线信号3经由第一天线13发送至中继装置20。优选的，信号模块11设置为4G信号模块11，网络信号2设置为4G网络信号2，由于4G网络信号2具有速率高、兼容性好、灵活性强、支持多类型用户并存及多种业务相融等特点，将信号模块11设置为4G信号模块11，网络信号2设置为4G网络信号2，使得本实施例的网络信号覆盖系统100能够支持语音、数据及多终端设备6接入等应用场合，当然，网络信号2也可以为其他的2G或3G等网络信号，网络信号2还可以为局域网络信号，对应的，信号模块11应该对应上述网络信号类型的信号模块11，根据不同需求选择不同的网络信号2及信号模块11，在此不做赘述。进一步的，发射装置10还包括第一伺服模块14，第一伺服模块14与第一天线13通讯连接，第一伺服模块14控制第一天线13朝向中继装置20，避免了平流层飞艇1在位置移动时能够保证发射装置10与中继装置20以最优链路通讯连接。

请继续参阅图1和图2所示，中继装置20包括第二天线21、双向放大器22及第二无线网桥23，第二天线21与双向放大器22通讯连接，双向放大器22与第二无线网桥23通讯连接，第二天线21接收无线信号3并发送至双向放大器22，双向放大器22增强无线信号3并发送至第二无线网桥23，第二无线网桥23依据无线信号3生成中继信号4并发送至双向放大器22，双向放大器22增强中继信号4并经由第二天线21发送至接收装置30。

请参阅图1-图3所示，接收装置30包括第三天线31、第三无线网桥32及路由模块33，第三天线31与第三无线网桥32通讯连接，第三无线网桥32与路由模块33通讯连接，第三天线31接收中继信号4并将中继信号4发送至第三无线网桥32，第三无线网桥32依据中继信号4生成热点信号5并发送至路由模块33，路由模块33向四周分享将热点信号5。具体的，路由模块33包括路由器本体331及第四天线332，路由器本体331与第三无线网桥32通讯连接，路由器本体331与第四天线332通讯连接，路由器本体331接收热点信号5，热点信号5经由第四天线332向四周分享。进一步的，接收装置30还包括第二伺服模块34，第二伺服模块34与第三天线31通讯连接，第二伺服模块34控制第三天线31朝向中继模块，避免了平流层飞艇1在位置移动时能够保证中继装置20与接收装置30以最优链路通讯连接。

以下将对第一天线13、第二天线21、双向放大器22及第三天线31的设计进行详细说明：

请参阅图1-图3所示，由于平流层通讯要求天线具有高增益，以抵消信号由于远距离传输而产生的较大衰减。因此，高增益要求天线具有较大的覆盖视角，以满足信号较大范围的地面覆盖。而现有技术中，天线多选用数字波束成形的DBF天线,这种天线是由高增益阵列天线组成，配合数字信号处理技术，可将接收的地面信号做空间并行处理，形成合适的天线方向图，以进行自动捕获、跟踪、准确的波束指向和分离干扰。但是，行业上用于平流层的终端设备6通信覆盖的DBF天线的研发工作仍有待推进，距离可实用化阶段尚需较长时间。由于网络覆盖属于双向通信，使用该种天线虽然下行可通过数字处理的波束集中指向达到较好的覆盖，但对上行的提升，仍需从天线设计上去提高接收增益。目前，平流层飞艇1的有效载荷能力和能源供应能力有限，随着阵列天线规模的增大，天线整体较大的重量和功耗也将对平流层飞艇1造成较大压力。

综合考虑现有技术发展水平和平流层飞艇1对网络信号2覆盖系统100的重量、功耗等要求，第一天线13及第三天线31设置为切割栅形抛物面天线，切割栅形抛物面天线13，31适于部署于地面并接受来自空中的信号，第二天线21设置为全向吸顶天线。由于定向天线相比全向吸顶天线21，具有增益较高的优势，可提高信号传输距离；但定向天线的波束角有一定范围，若需完成全方位覆盖，需采用多面天线，另外，由于中继装置20于平流层飞艇1平台，距离地面20KM，为使中继信号4能覆盖至地面，要求全向吸顶天线21的垂直波瓣角也需较大。一般而言，全向吸顶天线21的波束角越大，增益越难做高，增益小则会影响传输距离；波束角越小，则意味着全方位覆盖需更多的全向吸顶天线21，相同发射功率的RRU设备经功分器外接更多全向吸顶天线21后，每一面全向吸顶天线21的发射功率降低，影响信号传输距离，同时天线重量增加，给平流层飞艇1的载荷能力带来更多压力。对全向吸顶天线21的增益，全向吸顶天线21的数量和全向吸顶天线21的波瓣角等指标进行优选，最终设计的全向吸顶天线21的指标设置为频段5100～5850MHz,水平全向，垂直波瓣角70°，增益5dBi，外形尺寸为Φ145mm×35mm，驻波比≤2，输入阻抗50Ω，以充分发挥平流层飞艇1平台20KM的高度的优势，增大传输距离。

对应的，第一无线网桥12、第二无线网桥23、双向放大器22及第三无线网桥32的频段设置为5.8GHz，5.8GHz的频段广泛适用于全球范围，在保证信号传输速率不变的情况下，可以极大地扩展无线射频通讯距离。具体的，双向放大器22的外形尺寸设置为103.5mm×96.5mm×30.5mm，发射增益17dB，可提高50倍发射功率；噪声系数3.2dB；发射功率5000mW，电源电压输入范围6～18V，在保证信号传输速率不变的情况下，可以极大扩展无线射频通讯距离，使得本实施例的网络信号覆盖系统100在较远的无线传输距离下能够提供较大的带宽。

结合图1-图2所示，本发明的网络信号覆盖系统100基于平流层飞艇1，该网络信号覆盖系统100包括发射装置10、中继装置20及接收装置30，发射装置10将网络信号2转化为无线信号3后朝向中继装置20发送，而中继装置20部署于平流层飞艇1上，有效的利用了平流层飞艇1离地20KM的高度的优势，中继装置20接收到无线信号3后发送中继信号4，而在20KM的高空下发送中继信号4，有效的扩大了中继信号4的覆盖面积，从而提升本网络信号覆盖系统100的网络信号2覆盖范围；由于平流层飞艇1的高度远低于卫星及LEO的离地高度，发射装置10将无线信号3发射到平流层飞艇1的功率远低于发射到卫星及LEO的功率，有效降低发射装置10的发射功率，从而降低了系统造价，且由于无线信号3从发射装置10到中继装置20的距离较短，有效降低了信号损耗及信号丢失；接收装置30布置于中继信号4的覆盖范围内，接收装置30接收到中继信号4后将中继信号4转化为热点信号5后供周边的终端设备6接入，终端设备6藉由热点信号5接入网络信号2，使得网络信号2的接入点易于部署，在中继信号4的覆盖范围内灵活布置多个接收装置30，可实现在地面上覆盖最大化的热点信号5以供多个终端设备6连接、通讯；发射装置10、中继装置20及接收装置30之间均是无线连接，有效的解决了地-空-地的信号传输，避免了架设线路，降低了部署成本及部署难度。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，适于扩大所述网络信号的覆盖范围，其特征在于，所述平流层飞艇置于所述平流层，所述网络信号覆盖系统包括：

发射装置，所述发射装置接收所述网络信号，所述发射装置依据所述网络信号朝向所述平流层飞艇发送一无线信号；

中继装置，所述中继装置布置于所述平流层飞艇上，所述中继装置接收所述无线信号，所述中继装置与所述发射装置藉由所述无线信号通讯连接，所述中继装置依据所述无线信号发送一中继信号；

接收装置，所述接收装置布置于所述中继信号的覆盖范围内，所述接收装置朝向所述中继装置并接收所述中继信号，所述接收装置与所述中继装置藉由所述中继信号通讯连接，所述接收装置依据所述中继信号向四周分享一热点信号，任一在所述热点信号的覆盖范围内的终端设备接收所述热点信号，所述终端设备与所述接收装置藉由所述热点信号通讯连接，所述终端设备藉由所述热点信号接入所述网络信号。

2.如权利要求1所述的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，其特征在于，所述发射装置包括信号模块、第一无线网桥及第一天线，所述信号模块与所述第一无线网桥通讯连接，所述第一无线网桥与所述第一天线通讯连接，所述信号模块接收所述网络信号，所述信号模块将所述网络信号传输至所述第一无线网桥，所述第一无线网桥依据所述网络信号生成所述无线信号并发送至所述第一天线，所述无线信号经由所述第一天线发送至所述中继装置。

3.如权利要求2所述的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，其特征在于，所述信号模块设置为4G信号模块，所述网络信号设置为4G网络信号。

4.如权利要求2所述的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，其特征在于，所述发射装置还包括第一伺服模块，所述第一伺服模块与所述第一天线通讯连接，所述第一伺服模块控制所述第一天线朝向所述中继装置。

5.如权利要求2所述的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，其特征在于，所述中继装置包括第二天线、双向放大器及第二无线网桥，所述第二天线与所述双向放大器通讯连接，所述双向放大器与所述第二无线网桥通讯连接，所述第二天线接收所述无线信号并发送至所述双向放大器，所述双向放大器增强所述无线信号并发送至所述第二无线网桥，所述第二无线网桥依据所述无线信号生成所述中继信号并发送至所述双向放大器，所述双向放大器增强所述中继信号并经由所述第二天线发送至所述接收装置。

6.如权利要求2所述的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，其特征在于，所述接收装置包括第三天线、第三无线网桥及路由模块，所述第三天线与所述第三无线网桥通讯连接，所述第三无线网桥与所述路由模块通讯连接，所述第三天线接收所述中继信号并将所述中继信号发送至所述第三无线网桥，所述第三无线网桥依据所述中继信号生成所述热点信号并发送至所述路由模块，所述路由模块向四周分享将所述热点信号。

7.如权利要求6所述的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，其特征在于，所述路由模块包括路由器本体及第四天线，所述路由器本体与所述第三无线网桥通讯连接，所述路由器本体与所述第四天线通讯连接，所述路由器本体接收所述热点信号，所述热点信号经由所述第四天线向四周分享。

8.如权利要求6所述的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，其特征在于，所述接收装置还包括第二伺服模块，所述第二伺服模块与所述第三天线通讯连接，所述第二伺服模块控制所述第三天线朝向所述中继模块。

9.如权利要求6所述的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，其特征在于，所述第一天线及所述第三天线设置为呈切割栅状的抛物面天线。

10.如权利要求5所述的基于平流层飞艇的网络信号覆盖系统，其特征在于，所述第二天线设置为全向吸顶天线。