谷歌Loon 高空气球平台网络物理层的系统设计

作者：·    Sharath Ananth·    Ben Wojtowicz·    Alfred Cohen·    Nidhi Gulia·    Arunoday Bhattacharya·    Brian Fox摘要：本文描述了Loon系统的物理层和其外部接口。Loon系统是以平流层气球为基础构建LTE高空平台（HAP），并将标准用户设备(UE)连接到Internet。本文重点描述了Loon系统原型的eNodeB天线模式，通信信道，UE的电池寿命和与其使用相同频谱的地面网络如何共存。虽然对从HAP到地面的的信道模型已经有很深入的研究，但是关于使用低于1GHz的极化分集方法建立到UE设备的多极输入-多极输出（MIMO）还没有被深入研究过。此外，本位还对地面基站网络的融合和HAP通信对UE设备电池寿命的估测影响做了理论分析。最后，本文也对极化分集方法的测量结果和和实验结果进行理论分析和检验。1 简介利用高空平台（HAP）为地面提供Internet连接已经被研究了将近20年，很多研究文章都从不同方面讨论这套系统，包括从无线连接方面。Loon系统是目前唯一能够为地面上成百上千的用户提供这种连接服务的平流层HAP。为了达到这个目的，Loon的HAP由飞行在17～21公里的高空气球组成，并将符合LTE标准的信号发射到地面。这个过程通过气球携带的一个eNodeB节点完成，eNB用于与标准的UE设备进行通信。对于回传信号，高空气球可以通过气球-气球和气球-地面的跳跃方式将信号高速地传输回地面设备。利用这种方式，气球在高空组成了一个网状网络（meshNetwork）。设计这样(Loon)的系统面临以下挑战：1、 与UE设备，包括那些符合3GPP Release-8标准的设备的互通性。由于Loon系统的目的是用于满足紧急通讯市场需求，因此对不能对这些通讯协议标准进行修改.UE设备的天线为了地面基站蜂窝塔通信，而不是为Loon HAP的通信，进行了优化设计，2、 由于气球使用的是太阳能，因此对球上设备能耗有限制，并且由于Loon HAP原型的物理条件限制，对设备质量也有限制。3、  在UE设备上的发射功率也受到限制并且不能再增加。4、  由于Loon高空平台使用了与地面蜂窝基站相同的频段，因此Loon HAP需要与这些发射基站共存。在之前的研究中，对用于HAP通讯的信道模型做了很多研究，此外，在文献[11]第10章中对平流层信道模型也做了回顾。但是只有很少的文章讨论了HAP-MIMO信道模型并且只有很少的文章讨论了极化分集技术。例如，通过检测下行HAP信道的特性研究MIMO用于HAP通信的优点。模拟实验表明，使用2×1MIMO可以提高将LTE性能提高1.4～12.3dB，使用2×2MIMO可以将其性能进一步提高7.7～15.7dB。这项研究使用了文献[17]的数据以便模拟Ricean信道。该文作者在模拟实验中假设了2个互相独立的Rician衰落信道，但是作者并未说明如何取得这种独立性。Mihailidis和Kanatas导出了一个3维的几何型的单振信道模型，该模型可以用于在Ricean衰落环境中对MIMO信道建模。利用该理论模型，可以对HAP天线内部空间需求进行评估，评估的结果可用于计算HAP MIMO信道的非相关响应。但是利用极性对非相关信道进行求解还没有被研究过。此外，文献[9]将仰角和极性作为函数测量了建筑物穿透损失（BPL）参数。为了模拟接收天线的方向模式，文章作者将天线配置为正交模式（例如，一个天线垂直指向，另一个做水平指向）。这种配置方法利用仰角为函数测量了极性对BPL的影响。图5显示了一个2GHz接收天线的垂直和水平极性5dB BPL的峰值差。但是典型的低于1GHz的UE设备并没有这种理想正交天线。Oestges利用双极天线阵讨论了雨雪天气对47GHz HAP的去极化影响。Dong 等人从单点HAP和多点HAP网络角度分析了分集的性能。文章作者指出由于在单点HAP中天线距离太近的缘故，导致传统的MIMO技术不能克服大规模衰落。由于在HAP操作环境中视距（LOS）信道占主导地位，导致无线传导信道高度相交并且大部份分集技术都无法使用。但是，作者也指出在地面上使用空间分集或者使用多点HAP也许不属于上述情况。同时，作者也没有讨论在HAP使用极化分集的情况。Michailidis等人提供了一个用于HAP极性分集的数学模型，该模型可以计算出正交极化间的XPD参数。根据该文，图2显示出即使当HAP在城市（例如伦敦）头顶上空时，XPD会比较低。这个结果在LOS信道比较强的情况下通过直觉就可以感受到。但是，这个分析因为是用于密集的城市地区，因此使用的Ricean K因子为0。这张图并不能显示在偏远的地区的情况，因为在那些地区Ricean K因子更高。此外，作者假设了UE设备使用的是一个均衡的天线模式，该模式并不适用于在典型的UE设备在实际条件下的使用场景。Nikolaidis等人利用飞艇上的双极性天线提供了XPD在LOS信道的测量数据。表1显示在所有使用条件下（例如，LOS信道和非LOS信道）大于15dB的XPD。第3B小节围绕Demmel Condition Number进行讨论，由此得出结论即高仰角情况下可以实现多路经传输（MIMO）。但是在于UE设备协同定位的HAP上使用低于1GHz天线的情况，由于天线的限制，还需要进一步研究。在地面基站使用极化技术提供多集增益也进行了深入的研究。例如，文献[19]演示了利用信道散射可以对信号进行去极化和去相关能力，极化技术可以为协同定位天线的提供2个独立的衰落信道。此外，文献[21]还指出极性分集在大多数使用LOS信道的地面应用中是个保留技术。最后，HAP平台和地面部署的基站的使用相同频率的信号共存技术也被深入地研究。例如文献[23]讨论了在灾难发生时，由于紧急情况导致地面基站不能使用的情况下使用3G信号共存的场景。作者分析了当地面基站网络的3G信号被HAP的3G信号覆盖情况下，HAP 的3G信号对地面基站信号的影响。根据所选择的参数，作者指出了HAP 和地面网络系统同时运行时对地面信号的影响，尤其是在郊区和城区蜂窝基站比较密集的地区。Likittanasate 等人研究了WiMax 5G信号共存的场景。作者考虑了单个HAP和距离其10公里远，但仍在HAP信号覆盖范围内的单个地面基站共存的情况。根据所选参数，作者总结指出在低速率调制时，HAP和地面基站的信号可以共存。作者也指出，如果使用高速率调制，则UE设备天线的波束宽度要收窄（例如小于300）。类似地，文献[25]也探讨了关于UE设备的天线方向。作者讨论了使用集群HAP时的信号共存情况，在此条件下，使用窄的天线波束宽度可以减小由多个HAP导致的对的UE设备影响。Park 等人探讨了在HAP和地面基站使用码分多址（CDMA）情况下的信号共存情况。在他们的研究中，地面基站CDMA的覆盖范围和HAP CDMA的最小覆盖范围为2.5～9公里。但是，对于小于1GHz 的LTE来说，HAP的覆盖范围与使用全向天线的UE的关系还没有研究过。目前的研究很多都适用于Loon系统，但是很多设计上的挑战都需要进一步的研究。本文在目前研究的基础上，对低于1GHz的HAP天线的极化分集进行测量，并说明为何这种情况下HAP信道模型不能有效地支持UE设备的MIMO通信，并讨论对于真实UE设备，在HAP和地面基站之间的LTE信号共存情况。Table 1Conductedpower by loading per port (assuming 37 dBm per port at maximum loading) for 5MHz channel bandwidthNum PRBs active% PRB loadingPower delta from peak in dBConducted power in dBm00− 10.2126.79416− 6.230.81248− 2.7634.241976− 1.0635.94251000.00372 系统模型2.1 频带Loon系统的目标是通过将合作方已有的频带与其已有的网络充分整合来为对方扩展其通信网络。尽管Loon系统可以使用合作方已有的任意LTE频带，但是最适合的是低于1GHz的LTE频带。因为该频带允许最大的覆盖范围。由于其比较宽的带宽，LTE频带28（上行703～748MHz，下行758～803MHz）被用于Loon系统的和地面合作方，因此本文也对该频带进行分析。2.2  eNB天线模式Loon的eNB使用的天线原型是设计用于户外广域范围通信。为了达到这个目的，单个Loon HAP需要覆盖半径为40公里的区域。超过这个范围，即使一个UE设备也可以接收到Loon的下行通信信号，系统的上行链接就会受到限制。表格5,6,7,8（文献【29】）显示上行连接速率384Kbps时CouplingLoss为132dB，连接速率达到14.4kbps时CouplingLoss 为140dB。假设一个UE天线的增益，包括本体损失，平均为负10dB，则满足eNB的天线增益可以从下式导出：

PathLoss是指自由空间路径损失（FSPL），CouplingLoss可以取132dB或者140dB。Loon系统eNB的原型天线的实际增益与这两个CouplingLoss的关系显示在图1。图中可以看到，对于户外UE的视距链路，上行速率为384kbps时UE天线的角度大概为65度（～半径43公里）。

此外，Loon系统的eNB使用了2个发射天线和2个接收天线，这套配置为协同定位天线使用了2个不同的线性极化方式（水平极化和垂直极化）。其他类型的天线配置也进行了测试，包括空间分开方式。2.3 UE天线模式研究表明用于UE设备的天线在频率低于1GHz的情况下很难取得分集。例如，文献[30]指出，一般来说，2个线性极化，正交安装的天线，通过减少相互耦合就可以获得极性分集。他们继而指出，这种技术并不适用于低频（例如，700MHz的LTE）UE设备天线，这是由于地表的尺寸远远小于波长（700MHz时=429mm）。Derneryd等人在文献[31]指出在开发用于小型手持设备的具有低相关性和高效能多天线时会遇到问题，尤其是用于低频的天线。Hagerman等人在文献[32]中描述了在他们的研究结果，在这些研究中他们使用了Ericsson和Verizon（2种不同类型手机-译者），结果表明当UE天线位置被仔细的设计安装，可以取得较好的MIMO效果，甚至对于700MHz的LTE信号也是如此。该研究模仿了具有不同天线安装位置和不同天线尺寸的UE设备以对应于市面上现有的和将来可能的手机设备。在LTE手持设备的天线设计中，一个经常用到的参数就是Envelope CorrrelationCoefficients （包络相关系数， ECC），正如文献[30]所描述的那样。为了获得更好的MIMO性能，ECC一般推荐小于0.5。一般对于低频带使用比较高的ECC，而对于高频带使用比较低的ECC。例如，一个目前流行的700MHz的智能手机ECC大概在0.4～0.5，对于更高频的手机ECC低于0.1.但是，对于空间分集和极性分集来说，ECC都是相同的（例如，对于2个极性正交并指向同一个方向的天线，或者指向不同方向但是极性相同的天线，都使用较低的ECC）。通过检测流行UE设备的天线的辐射图可以看出，利用指向不同方向的天线可以得到700MHz范围的较低的ECC，而不是通过极性分集取得。天线指向的方向上ECC的影响分析可以通过计算天线增益的ECC总和得到，而不是计算2个天线的正交极性获得。如果用着两种方法都可以得到大致相同的ECC ，那么可以得出结论就是ECC主要是由天线的指向而不是的天线的极性决定的。如果通过计算总增益得到的ECC比较高，而通过传统计算方法（计算2个正交极性-译者）得到的ECC较低，则较低的ECC就是通过极性分集得到的。对于典型的UE设备，我们发现修改后的ECC只比常规计算得到的ECC（在低频区段）高20～30%。这更进一步确证由于天线指向不同的方向导致在700MHz 的ECC比较低。

图2显示一个智能手机的全向性，φ向性和θ向性。从这些图可以看到指向不同方向的主要和分集天线，并且能看出所有的天线θ极化向性很低。这导致使用MIMO通信时，UE设备的一个占主导的极性对信号强度需求较大以便克服第二个极性带来的低增益效应。但是，在这种条件下，较大的增益差异会造2个MIMO数据流间的信道容量不平衡。2.4  eNB发射功率目前Loon系统eNB的每个输出端口的传输功率为37dBm，所有输出端口的传输功率总和为40dBm。只有当eNB获得100%的物理资源块（PRB）时传输功率才达到峰值，并且当PRB利用率减少时传输功率也随之降低。这个特性可以从表1的5MHz信道带宽中看到。此外，当Loon HAP的部署密度更高时，UE设备的信号强度主要由地面网络决定。当(手机设备)重新选择（附近的基站）的信号时，UE设备会（自动）选择地面基站而不是Loon HAP。由于发射功率要求低，Loon HAP的峰值发射功率也会响应减少。2.5 信道模型由于单个Loon HAP的覆盖范围大概40公里并且其漂移速度很慢，户外UE设备的信道一般是LOS模式加上高斯白噪声（AWGN）。Shimamoto等人在文献[17]中描述了单个HAP的接收功率对应的天线仰角标准方差。根据他们的结论，高的天线仰角对应的标准方差为0.5dB（Ricean K因子=18），天线仰角为40度对应的标准方差为3.9dB，天线仰角为10度对应的标准方差为5dB（Ricean K 因子为1）。尽管未来Loon支持使用室内天线，在本文中所描述的Loon系统使用的是室外天线。考虑到室内使用条件，文献[17]描述的信道模型的标准方差会高一些。2.6 地面发射功率和天线模式这二者与使用者有关，但是对于大型地面基站，在峰值天线增益为18dBi的情况下，每个天线端口发射功率为46～49dBm。下面的分析对于最差情况设定条件是46dBm和18dBi。2.7 地面发射塔的范围这个问题还是与操作者和地理位置有关系。文献[33]中的表格6.33显示在700MHz范围内（LTE），一个基站的覆盖范围达到6.58Km（郊区）和1.88Km（市区）的情况。本文以下分析按照郊区范围13.16Km（2×6.58Km）和市区范围3.76Km（2×1.88Km）。2.8 用户位置尽管Loon HPA的原型设计用来支持室外用户使用的，但是未来的Loon也将支持室内用户的使用。本文的分析包括了室内和室外用户使用情况。在将来室内用户将占很大比例。2.9 Loon的信道传播模型正如前面已经讨论的，Loon使用的是LOS-AGWN信道模式。这种信道中FSPL占主要部分-- 本文将在后面进行分析。基于FSPL的干涉建模是对传播预测的一种优化方法。在进行共存分析中，并且FSPL也为共存分析提供了一种最差情况下的用例。此外，FSPL也用于很多其他的HAP共存分析中。2.10 地面传播模型地表的影响也是地面传播分析的一个考虑因素。在文献[33]中使用了一个简化的COST231HATA版本用于该分析。在这个模型中，设定eNB高度为35m并且UE高度为1m。路径损失是UE和地面基站塔之间距离的函数：PathLossSuburban=113.32+34.8∗log10(d)                  (2)PathLossRural=100.15+34.8∗log10(d)                           (3)该公式并未使用对数常态衰减边界，因为该公式是用于最差情况分析。在典型的地面部署情况中，要加上额外的10dB的对数常态衰减边界，就如文献[36]中表11给出的数据。2.11 建筑物穿透损失建筑物穿透损失（BPL）主要由建筑物屋顶的建筑类型决定。根据观察发现，发展中国家使用的屋顶种类很广泛，从可以透过无线射频（RF）信号的衰减阻挡最小屋顶（例如，茅草）到具有增加了额外坚固材料的建筑屋顶（增强型混凝土）。考虑到室内使用情况，本文分析中的BPL设定为13dB，在室外分析中的BPL设定为0dB。2.12  UE设备特性正如前文所述，UE设备天线和本体损失设定为负10dB。但是大多数研究中UE的天线增益设定为0dB。考虑到用户设备的天线增益要更高一些，本文分析中设定为0dB。2.13 最小和最大的信噪比（SINR）和覆盖范围文献[33]中的表6.11定义为 – LTE服务的最小SINR需求为4dB，并且文献[37]中传输信号需要的的错误向量幅值（EVM）小于8%。这个8%的EVM对应于峰值SINR为25dB。本文分析中，SINR最高限制为30dB以便允许超过最小需求。此外，文献[24]定义的两个参数“覆盖区域内获得服务比例”和“覆盖区域内未获得服务比例”。利用这些参数，本文分析中定义了覆盖区域并测量了SINR分布。这种SINR分布的测量是通过对覆盖区域进行归一化采样并画出其累积分布函数（CDF）。3 模拟结果和讨论3.1 下行链接干扰3.1.1 没有Loon HAPs的简单干扰分析首先考虑没有Loon HAP情况下一个单独的地面基站塔的情况，图3显示了地面上SINR的情况。当在距离第一个塔13.16Km处增加第二个基站塔时，图4显示了2个基站塔合在一起SINR情况。尽管图上显示蜂窝基站的范围达到20Km，但这只是在UE天线增益为0dB时的优化条件下并且缺少对数常态衰减边界。就如前文所述，这是为了提供一个最差的用例。在所有的使用用例中，SINR限制为30dB。从图中还可以看出，额外的地面基站塔可以将UE设备的峰值 SINR从大于30dB减少到略低于15dB。

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

Fig. 4 Expected outdoor SINR with two rural terrestrial towers3.1.2 一个有Loon HAP的简单干扰分析从基本分析出发，在距离基站塔30Km的距离增加一个具有100%eNB 负载的Loon HAP。从Loon HAP与基站塔的这个距离符合天线峰值增益。为了重现最坏的用例情况，所有的UE设备都设定为室外使用并且Loon HAP使用最大发射功率。图5显示了这种用例的SINR情况。就如预计的，靠近基站塔时SINR会进一步降低。但是信号覆盖区域会有相当大的提高。

Fig. 5 Expected outdoor SINR with two rural terrestrial towers and aLoon HAP考虑到所有室外UE设备共存分析中的最差用例情况，反过来对于所有室内UE设备使用用例也应该予以考虑。

这种用例（室内UE设备）的SINR如图6所示。如图所示，当室外覆盖增益可以实现时，Loon HAP对SINR的影响有一个最小值。

现在考虑郊区用例。图7显示2个间距3.76Km的户外UE基站塔和具有100%负载的Loon eNB。在这种情况下，Loon HAP会导致SINR降低。但是会少于由于基站塔之间相互干扰导致的SINR降低程度。在所有的情况下，联合曲线都在最小SINR阈值之上 – 4dB。这意味着即使干扰导致了基站覆盖范围缩小，但通过正确选择，UE设备在任何位置都不会失去覆盖能力，并且Loon  HAP的存在会显著地提高其覆盖能力。3.1.3 地面基站部署位置的干扰从两个基站塔的简单用例开始，考虑部署一个具有37个6角形单元区域的基站塔。每个单元半径6.58Km以便模拟在农村部署的情况，所有的用户设备都是户外型以便模拟最差的用例情况。这种部署达到的覆盖地区的半径为46Km，其SINR的情况可以参考图8。

Fig. 8  SINR heatmap of 37 cellterrestrial rural deployment为了方便分析，一个单独的Loon HAP被假定随机地部署到半径为46Km内的任意一个位置。此外，Loon 的eNB被设定为具有100%负载以便于最坏用例分析，并且用螺旋性包裹方式对更广泛区域建模。

图9显示的是整个区域的SINR的CDF结果，按照LoonHAP部署前和部署后的方式计算。从图中可以看到当一个Loon HAP 位于一个完整的地面基站网络时的上空时具有一个很小几乎可以忽视的变量。为了模拟没有完整的地面基站网络的情况，可以用只有3个单元的基站塔模型，而不是37个单元的地面基站塔模型，这便于模拟当地面没有完整基站网络的情况。图10显示了在这种情况下的3个不同的SINR的CDF。第一个CDF显示没有Loon HAP时的基站网络传导SINR。第二个CDF显示当部署了Loon HAP时的SINR。可以看到SINR中有一个比较大的变量并且可以注意到当部署了Loon HAP时，地面基站塔的SINR显著地减小。第三个CDF显示当部署Loon HAP时，UE设备没有滞后现象而进行信号重选时的地面基站塔的SINR。在这种情况下，UE会一直选择最强的信号，而其他信号都会被视为干扰。在这些假定条件下，由于干扰导致的SINR减少大于6dB，而由于Loon HAP的覆盖范围比较大导致SINR增加低于6dB，因此SINR平均值不会降低。这是显而易见的，因为当只有3个地面基站塔时，Loon HAP的覆盖区域会有很大的漏洞。

Fig. 10 CDF of SINR before and after placement of a Loon HAP over a 3cell terrestrial rural deployment3.2 上行链接干扰对于上行链接，在40公里范围内，Loon的eNB会很自然地发现UE设备与地面基站塔之间通信的信号。实际上，在上行链接干扰，地面基站塔与UE设备有连接的基站塔数量和建筑屋顶材料之间有直接的联系。但是，在适当的连接条件下，UE会更倾向于选择地面网络。这意味着，当Loon HAP接近大型的地面基站网络时，选择与Loon HAP进行链接的UE设备会比较少。这当然会减少Loon HAP产生的下行链接干扰，但是这种情况也会允许其余UE设备更好地进行频率调度选择。3.3  UE设备的发射功率和电池寿命相比于地面基站，Loon HAP和地面UE设备的距离比较远，一个比较常见的假设就是UE的发射功率比平常要高一些从而导致电池寿命减少。要理解这种情况，首先要理解UE在地面基站网络中的发射功率的分布。Joshi等人在文献[38] 中指出在目前的地面基站网络中，一个UE设备的发射功率一般达到最大值的50%。在农村地区，95%情况下一个UE设备每隔15分钟会发送7.9秒上行链接信号，而一般情况下是每隔15分钟发送3.8秒上行链接信号。按照这些参数，下面这些设定将用于后面的分析：l每隔15分钟发送8秒上行链接信号l发送上行链接信号时发射功率会达到最大功率的50%并且其余时间内的发射功率要比最大值低12dB。此外，在文献[39]中的图1显示UE最大发射功率为2.6W，该图也显示出当传输功率低于最大值12dB时的发射功率为1.7W。最后，文献中的图3显示出在系统休眠时的平均功率为11mW/ms，并且接收功率是500mW/ms。如图11所示，考虑到一个典型的系统占空比为640ms，系统空闲时的总功耗按照以下公式计算：11 mW×637 ms+500 mW×3 ms=8507 μJ超过14分52秒，这个数值是:(14 min×60+52 s)×0.0085 J0.64 S=11.8 J上行链接8秒的总功耗是：2.6 W×4 s+1.7 W×4 s=17.2 J超过15分钟的总功耗是:11.8 J+17.2 J=29 JLoon HAP连接的最差情况（例如，UE发射功率一直处于最大功率状态）下达总功耗：11.8 J+2.6 W×8 s=32.6 J这个值代表了调制解调器功耗增加了大概11%。一个低端UE电池容量大概是3.6V  2600mAH，在正常使用条件下可以持续使用24小时。所以UE总功耗是33,696J/天或者351J/15分钟。因此一个3.6J的变量表示UE电池电耗可以增加大概1%，基本可以忽略不计。

Fig. 11 Modem power profile for a typical paging cycle3.4 下一步的工作本文的分析是假设地面基站网和Loon网络之间的频率可以被100%的重用。但与地面基站网络相比，Loon网络的优势是只占用一小部分信道带宽。例如Loon网络可以只用10MHz而地面基站网要使用20MHz。这使得Loon在降低下行连接干扰方面具有优势。此外，使用标准的干扰协调技术（例如，Intel的单元干扰协调（ICIC）,增强型Intel单元干扰协调（eICIC））也可以降低上行或者下行链接的干扰。4 试验/测试测试工作在Loon用于波多黎各和秘鲁的Maria飓风（9～10月2017）和El Niño洪水（ 3～4月2017）期间开展。在这次测试期间，使用了Rohde-SchwarzTSME 的超小型驱动器测试装备用以测量信道特性以便收集关于Loon网络和地面基站网络的关键性能指标（KPIs）全面评价系统的性能。4.1 到UE的信道4.1.1 在UE端接收到的信号功率在波多黎各，通过TSME收集了室内和室外环境的信号数据。TSME包括一个全向外置天线，该天线被设计用来模拟真实的UE天线。在测试过程中，2个Loon HAP飞行在距离测试点40Km和25Km远的区域并且从二者同时收集数据。在保持TSME天线稳定1小时的情况下，从2个Loon HAP的LTE信号中收集了信道冲击响应数据。从地面收集的单层建筑测量数据作为室内测试结果。

图12显示了40Km处的Loon HAP信号功率分布（例如，从测试点朝向Loon HAP天线仰角~ 25度）在全部的室内和室外测量结果。室内和室外信号功率均值相差7dB，室内信号功率标准方差4.6dB，室外4.7dB。Shimamoto等人在文献[17]中指出天线仰角200时的标准方差2.65dB，300时1.75dB，400时3.9dB。实际测量中从Loon HAP取得的结果要比文献中的结果稍微高一些。但是，室内信号功率的标准方差要高一些，这表明多径效应并不明显。将来需要在室内做更多的测试以便更好地理解观察到的结果。

图13同样显示距离测试点25公里处的HAP的信号功率分布（例如，从测试点朝向HAP的天线仰角为45度）。在这个测试用例中，室内信号标准方差2.5dB，室外信号标准方差3.5dB，二者均值相差6.7dB。这个结果大致符合文献[17]中的仰角400时的均值相差3.9dB的情况。4.1.2 分集/MIMO通信根据在秘鲁和波多黎各的Loon HAP网络收集的KPI数据，达到rank-2通信质量等级的通信只占全部通信时间的10%。这是由于前述的UE天线的频带低于1GHz。图14显示了极化分集的CDF，这个结果是通过rank-2与rank-1+rank-2的总和的比率得到的。

Fig. 14 CDF of percent of rank 2 requests利用Loon的eNB进行空间多集化而不是极性多集也进行了试验。在这个试验中，发射天线以1m的间隔按照同样的极性进行安置。根据文献[12]的提出的理论，天线之间的距离应该更远一些。但是Loon HAP的原型限制了间距的进一步增大。图14显示这个试验获取的CDF。图中可以看到极性多集化的效果明显地好于空间多集化。此外，对于大量的UE设备，二者都并不是有效的MIMO通信方式。通过条天线增益和扭转eNB的ECC可以改善这种情况。但是，即使使用了这些技术，HAP的低频通信效果还是比地面网络通信的效果差。4.2 与地面网络共存4.2.1  下行干扰 – 只有地面网络的情况下地面基站网络下行链接的自我干扰也进行了分析。在这些分析中，装在车上的 TSME设备作为地面基站网络的一部分获取测量的数据。图15显示测试结果中的SINR，图16显示了统一测量中获取的接收信号强度指标（RSSI）。

Fig. 15 SINR from two terrestrial towers

Fig. 16 RSSI from two terrestrial towers图中可以在测试时段内，尤其是在大概4000秒，从两个基站塔获得的RSSI都非常高。但是由于2个基站塔具有相同的RSSI，一个SINR导致的干扰比预计的要低。这种情况下，当2个地面基站塔的RSSI增高的时候，SINR的均值位于阶数为10dB附近并明显地偏向于4000s。4.2.2 下行链接干扰 – 地面基站与一个Loon HAP在秘鲁的Piura利用地面基站网络进行了一些测试。在测试中，在距离一个地面基站塔不同的距离上用TSME设备进行了测试。一个靠近基站网络边缘的基站塔被选择用于进行这次测试。将一个Loon的eNB在上述不同的的间隔内打开和关闭以便测试SINR的干扰。在所有的测试中，没有发现地面基站塔的信号质量有降低。对秘鲁的Piura地区的地面基站网络的KPI也进行了评定测试。在一个月的测试中，收集了上行和下行链接的吞吐能力和PRB。在测试期间，对使用Loon网络和未用Loon网络的情况都进行了记录。随后对所有的KPI进行分析以便判断使用和未使用Loon网络之间delta参数。分析结果显示在网络通信质量没有降低。4.2.3 上行链接干扰在秘鲁的Lima对Loon网络的KPI进行了为其几个月的收集和分析。为了进行这项分析，按照间隔11公里的地理网格对所有的Loon HAP的上行链接噪音KPI进行平均分析。这些噪音测量结果并没有进行校准因此只能用于相对评定测试而不是绝对评定测试。

图17以热力图的方式显示了采集的上行链接噪音。可以看出上行链接噪音的delta是20.1dB（可观察到的范围4.8～15.3 dB），在Lima附近区域的干扰值最高，而该区域也是地面基站网络最集中的地区。5 结论本文描述了Loon系统设计中的物理层的几个方面，尤其是以下几个：l地面基站与HAP 的LTE网络共存：通过仔细地系统设计，地面与HAP的LTE网络可以共存并且额外的Loon HAP对下行链接的影响可以降低到最小，这可以导致覆盖范围显著增大。l低于1GHz的MIMO通信面临的挑战：由于UE天线模式的限制导致低于1GHz的极化分集MIMO通信会面临挑战。随着UE设备的小型化，这些限制会变得更加明显。l当使用HAP的LTE网络时UE设备的功耗问题：在正常使用情况下，HAP通信时功耗增加并不是明显。参考文献：略点击此处打开原文链接。