CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

U ovom radu je opisana uloga stratosferskih platformi u budućim bežičnim telekomunikacionim sistemima.Platforme privlače veliko interesovanje u svetu zbog čitavog niza potencijalnih primena, kao što su širokopojasne komunikacije, posmatranje svemira, prikupljanje podataka o atmosferi, nadgledanje ključnih resursa na zemlji, vojne misije. HAP sistemi imaju niz prednosti u odnosu na postojeće zemaljske i satelitske sisteme, sa kojima se mogu povezivati u integrisanim mrežama. U svetu je sproveden niz projekata na polju stratosferskih platformi, pri čemu je ostvaren veliki napredak u razvoju tehnologija za izradu platformi i adaptivnih antenskih sistema.

Ključne reči — Stratosferske platforme, širokopojasne komunikacije, adaptivni antenski sistemi.

1. UVOD

Pojam stratosferskih platformi(HAP - High Altitude Platform) odnosi se na vazdušne brodove i solarne letelice pozicionirane u stratosferi na visini od 17-22 km, [1]. U suštini, stratosferske platfome predstavljaju nebeske radio releje na određenoj, relativno fiksnoj tački u odnosu na zemlju, (Slika 1). Komunikacioni sistemi sa stratosferskim platformama predstavljaju treći oblik infrastrukture koji je alternativa zemaljskim i satelitskim sistemima. U mnogim aspektima, platforme imaju prednost, jer mogu da kombinuju najbolje karakteristike oba sistema.

HAP sistemi će biti u mogućnosti da pruže pristup modernim komunikacionim servisima po niskoj ceni, [2]. Glavni podsticaj za razvoj servisa zasnovanih na stratosferskim platformama su širokopojasne komunikacije, WiMAX, 3G, radiodifuzni servisi, komunikacije u hitnim slučajevima i nadgledanje okoline, [3]. S obzirom na to da je radio spektar ograničen resurs, širokopojasni servisi još uvek predstavljaju izazov za bežične sisteme. Značajni propusni opseg se može obezbediti na višim frekvencijama mikrotalasnog opsega, [4]. Upotreba stratosferskih platformi može biti veoma važna za pružanje telekomunikacionih usluga u slabo naseljenim i nepristupačnim oblastima bez izgrađene telekomunikacione infrastrukture. Sa stratosferskim platformama je moguće prevazići problem „poslednje milje” kod mikrotalasnih sistema i omogućiti krajnjim korisnicima da primaju i šalju informacije velikim brzinama prenosa. One su u mogućnosti da prenesu signal boljeg kvaliteta do prijemnika zahvaljujući činjenici da je tokom transmisije ispunjen uslov optičke vidljivosti. Signali stižu do platformi pod velikim uglovima, usled čega su u velikoj meri smanjeni efekti blokiranja signala, pojave senki i distorzije usled prostiranja po višestrukim putanjama, [5]. S obzirom na to da signalom mogu pokriti velike oblasti, platforme će imati aktivnu ulogu u navigaciji i lokalizacionim sistemima, kao sto su globalni sistem za pozicioniranje i Galileo, za precizno detektovanje ciljeva na zemlji i u vazduhu.

U poređenju sa satelitskim sistemima, kod HAP sistema je znatno smanjeno propagaciono kašnjenje signala, [5-7]. Pošto se sav komercijalni vazdušni saobraćaj odvija na manjim nadmorskim visinama, za rad platformi u stratosferi važe samo aeronautičke regulacije.

Slika 1. Primer pozicioniranja tri stratosferske platforme

2. UTICAJ OKRUŽENJA NA RAD STRATOSFERSKIH PLATFORMI

Zemljina atmosfera je veoma dinamično okruženje sa velikim fluktuacijama temperature, gustine, pritiska, brzine vetra i intenziteta sunčeve energije. Stratosferska platforma može da radi na bilo kojoj lokaciji na kojoj ima dovoljno intenziteta sunčevog zračenja za generisanje neophodne energije i dovoljno atmosferske gustine za održavanje platforme u stabilnom položaju. Na dizajn stratosferskih platformi utiču i ultraljubičasto zračenje, kosmički zraci, temperatura i električna pražnjenja u olujnim oblacima na nižim nadmorskim visinama.

Zemljina atmosfera je podeljena na nekoliko slojeva. Za stratosferske platforme su posebno značajne troposfera (do 14 km nadmorske visine), tropopauza (od 14 – 18 km visine) i donji sloj stratosfere (od 18 – 30 km visine). U troposferi se odvijaju skoro sve vremenske promene; vazduh se podiže usled zagrevanja i efekata na zemlji, hladi se i spušta. Od troposfere do stratosfere postoji postepeni prelaz koji počinje na visini od 14 km, nazvan tropopauza.

U donjem delu stratosfere javljaju se veoma snažni vetrovi usled horizontalnog kretanja vazduha, pri čemu se temperatura može spustiti do -57°C. U stratosferi se povremeno formiraju visoki cirusni oblaci, ali u toku najvećeg dela vremena nema oblaka. Oni su koncentrisani u nižem sloju, troposferi, što platformama omogućava iskorišćavanje čiste solarne energije bez zagađenja atmosfere. Vrednost atmosferskog pritiska u stratosferi iznosi 1/20 vrednosti pritiska na zemlji, [1].

Osnovna karakteristika stratosfere je velika statička i dinamička stabilnost. Brzina vetra u ovom sloju varira u zavisnosti od godišnjeg doba, geografske lokacije i temperaturnog gradijenta. Vazdušne mase su relativno stacionarne na visinama od 17-25 km, tako da se stratosferske platforme mogu lako održavati u stabilnom položaju.

3. OSNOVNI TIPOVI STRATOSFERSKIH PLATFORMI

Stratosferske platforme mogu biti vazdušni brodovi ili posebno dizajnirane solarne letelice (Slika 2). Platforma se može izraditi u obliku velikog vazdušnog broda ispunjenog helijumom, koji je pozicioniran u stratosferi na nadmorskoj visini od oko 20 km. Međunarodna unija za telekomunikacije(ITU International Telecommunication Union) dala je preporuku da platforma bude stacionarna u sferi radijusa 500 m. Energija za rad platformi se obezbeđuje pomoću solarnih ćelija tokom dana i gorivnih ćelija tokom noći, [2]. Primer jednog vazdušnog broda dužine od 150 do 250 m prikazan je na Slici 2.(a).Brod ima propelere koje pokreću elektromotori za održavanje stabilne pozicije u slučaju jakih vetrova u stratosferi, brzine preko 30 m/s, kao i za kretanje unapred. Projektom SkyStation predloženi su vazdušni brodovi najnaprednije konstrukcije, međutim, još uvek je neizvesno da li će odgovarajuća regulatorna tela dati dozvolu za upotrebu tako velikih objekata bez ljudske posade u stratosferi [7].

Drugi tip stratosferske platforme je solarna letelica koja sporo kruži iznad oblasti pokrivenosti (Slika 2.(b)). Prednost ove letelice je u tome što je njena izrada zasnovana na već postojećim tehnologijama. Letelica, kojom upravljaju pilot i kopilot, može se održavati u stratosferi svega osam časova. Za celodnevnu pokrivenost određene oblasti signalom potrebno je lansirati pomoćne platforme na kraju svakog osmočasovnog perioda.

Slika 2. Stratosferske platforme: (a) vazdušni brod (airship) i
(b) solarna letelica (airplane)

4. NAPAJANJE PLATFORMI ENERGIJOM

Jedan od ključnih izazova za stratosferske platforme je kontinualno napajanje električnom energijom. Platforme se moraju učiniti efikasnim, kako bi radile u stratosferi nekoliko meseci ili godina. Solarna energija se koristi kao alternativa fosilnim gorivima koja su previše teška i skupa za prenos do stratosferskih platformi. Najveći deo površine vazdušnog broda prekriven je solarnim ćelijama koje generišu svu neophodnu energiju za održavanje platforme u stabilnoj poziciji, komunikaciju i punjenje ćelija. Problem kod stratosferskih platformi predstavlja skladištenje energije za upotrebu tokom noći. U pogledu raspoložive energije sa solarnih panela, platforme su veoma slične komunikacionim satelitima. Dobijena energija se mora racionalno iskoristiti, delimično kroz projektovanje efikasnih antenskih nizova, delimično upotrebom odgovarajućih modulacionih i kodnih tehnika. U poređenju sa satelitima, HAP sistemi zahtevaju veću količinu energije za punjenje baterija zato što su suočeni sa dužim periodima mraka. Značajan efekat na količinu prikupljene energije imaju kratki zimski dani, kao i promena ugla pod kojim sunčevi zraci stižu do solarnih panela tokom leta i zime, [4].

U poređenju sa tradicionalnim baterijama, regenerativne ćelije predstavljaju idealan izvor energije za komunikacione sisteme sa stratosferskim platformama. Regenerativna ćelija je elektrohemijsko sredstvo koje proizvodi elektricitet pomoću hemijske reakcije vodonika i kiseonika. Ćelija ne sagoreva vodonik kao što to čini konvencionalni motor već ga elektrohemijski kombinuje sa kiseonikom pri čemu se dobijaju elektricitet i voda. Regenerativne ćelije imaju visoku efikasnost konverzije energije (do 50%) i ne zagađuju okolinu jer je jedini sporedni proizvod voda. Vodonik i kiseonik se dobijaju iz vode procesom elektrolize i čuvaju se za regeneraciju električne energije tokom noći. Glavni cilj novih tehnologija je proizvodnja dugotrajnih i efikasnih ćelija za napajanje platformi.

5. POREĐENJE SA SATELITSKIM I ZEMALJSKIM SISTEMIMA

Stratosferska platforma se ponaša kao toranj na velikoj nadmorskoj visini, ima mogućnost visoke optičke vidljivosti, sa velikim uglovima elevacije i malim propagacionim rastojanjima [1], [2].

Zbog velikog kapaciteta platforme za nošenje komunikacione opreme, postiže se veći kapacitet pristupa nego sa satelitima u geostacionarnoj (GEO) i ne-geostacionarnoj (NGEO) orbiti. Iako sateliti mogu da obezbede iste servise sa mnogo manje infrastrukture i većim uglovima elevacije, oni imaju nedostatke druge vrste. Geostacionarni sateliti su suočeni sa velikim kašnjenjem signala usled velikih rastojanja od zemlje, dok su negeostacionarni sateliti mnogo kompleksnijeg dizajna. Visoka cena lansiranja satelita i ograničen prostor u orbiti vode do visoke cene uspostavljanja veza. Servisi koji koriste NGEO satelite se ne mogu pokrenuti sve dok se ne aktiviraju svi sateliti u globalnom sistemu. Za razliku od njih, servisi bazirani na platformama mogu funkcionisati sa samo jednom stratosferskom platformom koja signalom pokriva određenu oblast. Broj aktivnih platformi se zatim postepeno povećava. Samim tim, početna cena pokretanja jednog servisa sa stratosferskim platformama znatno je niža od one koja je potrebna za pokretanje NGEO servisa. Upotrebom platformi, propagaciono kašnjenje signala je smanjeno za faktor 1800 u poređenju sa GEO satelitima, odnosno za faktor 20, u slučaju NGEO satelita, [8]. Održavanje platformi je lakše od održavanja satelita, jer se one mogu lako dopremiti na zemlju za potrebe popravke, nadogradnje ili rekonfiguracije.

Zemaljski sistemi imaju prednosti, kao što su niska cena infrastrukture, mala snaga korisničkih terminala, relativno mala rastojanja i veliki kapacitet sistema. Međutim, zemaljski sistemi poseduju i nedostatke, kao što su slabljenje usled kiše i snega i efekti prostiranja signala po višestrukim putanjama, koji posebno utiču na kvalitet servisa (QoS - Quality of Service). Kako su bazne stanice raspoređene u veoma velikim geografskim oblastima, komunikacioni resursi ne mogu biti optimalno iskorišćeni. Za pružanje širokopojasnih servisa potrebne su manje ćelije i dodatna infrastruktura.Sa druge strane, uticaj terena na prostiranje signala kod HAP sistema je neznatan. Ovi sistemi imaju mnogo manje problema sa preprekama zbog velikih elevacionih uglova. U odnosu na zemaljske sisteme obezbeđena je mnogo bolja pokrivenost, zato što se malim brojem platformi signalom mogu pokriti velike oblasti, čime se znatno redukuje potrebna infrastruktura na zemlji. Ova osobina HAP sistema je veoma značajna za ruralne oblasti. Fleksibilne šeme ponovnog korišćenja frekvencija i veličine ćelija, koje nisu ograničene fizičkom lokacijom baznih stanica, predstavljaju dodatnu prednost HAP sistema. Platforma se može pozicionirati u stratosferi za nekoliko sati, što predstavlja posebnu pogodnost za provajdere koji zahtevaju brzu operativnost sistema za premošćavanje u slučaju hitnih potreba i prirodnih katastrofa. Sistemi sa stratosferskim platformama predstavlju ekološki čist sistem, jer ne zahtevaju izgradnju dodatne infrastrukture na zemlji i lansiranje satelita.

6. ZEMALJSKI SEGMENT

Osnovna uloga zemaljskog segmenta je podržavanje komunikacija između stratosferskih platformi i korisnika na zemlji. Ovaj segment vrši kontrolu funkcija koje se odnose na rad samih platformi, obavlja kontrolu letova, gateway operacije i predstavlja interfejs za ostale zemaljske mreže. Zemaljske stanice moraju biti opremljene odgovarajućim primopredajnicima za primanje/slanje signala do stratosferskih platformi, [1-2].

Slika 3. Povezanost stratosferske platforme sa zemaljskim sistemima

Platforme se preko zemaljskih stanica povezuju sa javnom telekomunikacionom mrežom (PSTN - Public Switched Telephone Network), sporednim vezama (backhaul linkovi), (Slika 3). Svaka platforma može da obezbedi privremenu telekomunikacionu infrastrukturu za ceo region i ne zahteva uključivanje dodatnih platformi i konstelacija. Platforme se mogu direktno međusobno povezati “hop” stanicama lociranim na sredini rastojanja između platformi ili međuplatformskim linkovima. Takođe, platforme se mogu indirektno povezati preko satelita i javne telefonske mreže.

7. KOMUNIKACIONA OPREMA

Komunikaciona oprema može da koristi različite tehnike i standarde višestrukog pristupa, kao što su CDMA, TDMA i drugi. Kako bi se optimizovao kapacitet mreže, potrebno je primeniti odgovarajuće modulacione i kodne tehnike za pružanje širokopojasnih telekomunikacionih servisa sa određenim kvalitetom servisa i BER-om (Bit Error Rate). Adaptivne tehnike obezbeđuju optimalne performanse upotrebom šema sa malim bitskim protokom i FEC kodovanjem (FEC - Forward Error Correction), kada je izraženo slabljenje signala, odnosno višenivoskih modulacionih šema sa velikim bitskim brzinama kada su uslovi dobri.

Oprema može biti projektovana tako da radi kao jedna stanica, koristeći jedinstvenu infrastrukturu, ili se može integrisati u sistem koji radi sa zemaljskim baznim stanicama, satelitima i drugim stratosferskim platformama. U ovom slučaju potrebni su međustratosferski linkovi ili linkovi između platformi i satelita.

Antenski podsistem je jedna od ključnih komponenti komunikacione opreme na platformama. Stratosferske komunikacije su veoma osetljive na interferenciju između kanala, zavisno od izbora tehnike višestrukog pristupa i faktora ponovnog korišćenja frekvencija u sistemu. Kako stratosferski sistemi rade sa postojećim zemaljskim i satelitskim sistemima, može doći do interferencije sa zemaljskim/satelitskim komponentama koji rade u istom frekvencijskom opsegu.

S ciljem da se omogući nesmetani rad platformi sa sistemima drugih komunikacionih infrastruktura, uz minimalnu interferenciju, organizacija ITU je definisala referentnu karakteristiku zračenja antene za stratosferske sisteme sa CDMA pristupom. U ovom slučaju se koriste antene tipa phased array sa višestrukim snopovima i tehnikom digitalnog formiranja snopa. Najvažniji parametri koji se razmatraju pri projektovanju antena za upotrebu na platformama su radna frekvencija, zahtevi za bočne listove zračenja, pokrivenost, kapacitet sistema, otpornost platforme, stabilnost i raspoloživost.

8. OSNOVNI ZAHTEVI ZA ANTENE NA STRATOSFERSKIM PLATFORMAMA

Kvalitet linka jedne mreže određen je raspoloživom snagom u budžetu linka, [12]. Kod stratosferskih platformi ova snaga je mnogo manja od raspoložive snage kod zemaljskih mreža koje koriste frekvencijske opsege ispod 2 GHz, pre svega zbog slabljenja signala usled velikih rastojanja. Veličina ugla koja je potrebna da se sa platforme pokrije neka oblast na Zemlji može biti i do 160˚, dok je minimalni elevacioni ugao zemaljske stanice 10˚. Direktivne antene moraju imati visoku ekvivalentnu izotropno izračenu snagu(EIRP - Equivalent Isotropic Radiated Power), i odnos pojačanja antene i temperature šuma sistema, G/T. Zbog ovih uslova, antene smeštene na platformi moraju da zadovolje sledeće zahteve:

1.Antena sa višestrukim snopovima mora da omogući veliki kapacitet saobraćaja kroz efikasno korišćenje frekvencijskog spektra. Iz navedenog razloga, minimalni elevacioni ugao može biti u opsegu od 10˚ - 45˚. Broj snopova po jednoj platformi može biti od 60 do 400. Potrebno je skeniranje u širokom opsegu sa malom degradacijom pojačanja.

2.Potrebni su snopovi različite širine i prenosne snage. Za svaki snop je neophodna nezavisna automatska kontrola snage, kako bi se kompenzovalo regionalno slabljenje usled kiše, u cilju ostvarivanja visoke raspoloživosti linka i zaštite od interferencije.

3.Zbog fluktuacija položaja platforme koje su posledica varijacije brzine vetra i pritiska, potrebno je kontrolisati antenske snopove i izvršiti njihovu kompenzaciju u slučaju bilo kakvog kretanja platforme.

4.Neophodan je širok propusni opseg.

5.Potrebna je velika izdržljivost antena u stratosferskom okruženju. Antenski sistemi su projektovani tako da rade u uslovima veoma niskih temperatura i vazdušnog pritiska.

8.1. Antene sa formiranjem snopa (Beamforming)

Kada se razmatra jedan komunikacioni link od stanice smeštene na stratosferskoj platformi do mobilnog prijemnika na zemlji, tada oba primopredajnika mogu biti opremljena inteligentnim antenama, [13]. Pod inteligentnom antenom se podrazumeva antenski niz kojim upravljaju algoritmi za obradu signala. Oblikovanje karakteristike zračenja ekvivalentne antene postiže se odgovarajućom selekcijom niza težinskih koeficijenata težinskog vektora za formiranje snopa (beamforming) koji linearno kombinuje signale primljene od svih antena.

Antene sa digitalnim formiranjem snopa (DBF - Digital Beamforming) proučavane su od 80-tih godina, uglavnom za vojne radarske aplikacije. Međutim, DBF antene sa velikim brojem antenskih elemenata koje rade na frekvencijama višim od 10 GHz nisu razvijane za komercijalnu upotrebu, uglavnom zbog visoke cene, robustnosti i velike potrošnje energije za RF i digitalne uređaje. Nedovoljna brzina obrade signala u digitalnim uređajima takođe je bila velika prepreka za njihovu širu primenu. DBF antena generiše adaptivne snopove koristeći jedan aktivni antenski niz i proces digitalne obrade signala u osnovnom opsegu [14-16]. Često se za ovaj tip antene koristi naziv „softverska antena”. Kod prijemne antene se kroz prostornu obradu signala vrši automatska akvizacija podataka, praćenje i izolacija od interferencije. Kod predajne antene je kombinovanje retrodirektivne prostorne snage omogućeno kroz formiranje snopova korišćenjem parametara koje daje prijemna antena.

Prednosti korišćenja beamforming antena na stratosferskim platformama su sledeće:

·Fleksibilno usmeravanje snopa ka korisniku vrši se zahvaljujući višestrukim adaptivnim antenskim nizovima. Fiksne spot-beam ćelije više nisu neophodne. Kapacitet saobraćaja je značajno povećan, jer se kretanje platforme automatski kompenzuje.

·Handover u oblasti pokrivenoj jednom stratosferskom platformom nije potreban, osim u slučaju kada se terminali dva korisnika, koji koriste isti kanal, nađu u neposrednoj blizini. Na zahtev korisnika, može se omogućiti link visokog kvaliteta, sa maksimalnim pojačanjem antene.

·Prostorna obrada signala može da smanji interferenciju koja potiče od neželjenih signala i interferenciju sa ostalim sistemima (kao što su satelitski sistemi). Mogu se detektovati radio signali ilegalnih predajnika.

·Delimičan nedostatak antenskih elemenata ne utiče značajno na ukupne performanse antene.

·Brza kalibracija polja omogućena je obradom signala u predajnom i prijemnom antenskom nizu.

Nedostatak beamforming antene predstavlja velika zavisnost propusnog opsega od brzine kojom digitalni uređaji obrađuju podatke. Ciljna brzina prenosa podataka za DBF antenu je, u najboljem slučaju, oko 40 Mb/s. S obzirom na intenzivan razvoj digitalnih tehnologija, očekuje se da će u bliskoj budućnosti biti postignuta mnogo veća brzina prenosa podataka.

9. PRIMENA STRATOSFERSKIH PLATFORMI

9.1. Uskopojasni servisi

HAP sistemi će korisnicima omogućiti uskopojasne servise, kao što su:

• IP telefonija,
• navigacija i pozicioniranje,
• prikupljanje meteoroloških podataka na osnovu posmatranja oblaka u atmosferi,
• nadgledanje saobraćaja,
• posmatračke misije, npr. nadgledanje obala i državnih granica,
• geografsko mapiranje visoke rezolucje (prilikom izrade geografskih karata),
• posmatranje kompleksnog okruženja za potrebe naučnog istraživanja,

• astronomska posmatranja.

Ovi servisi imaju bitsku brzinu od 10 - 100 kb/s. Servisi koji uključuju web pretraživanje i slanje elektronske pošte imaju kompresovani bitski protok u opsegu između 10 kb/s i 2 Mb/s, [1].

9.2. Širokopojasni servisi

Jedna od najvažnijih primena stratosferskih platformi biće fiksni, širokopojasni bežični pristup (BWA - Broadband Wireless Access), koji će obezbediti velike brzine prenosa podataka, reda Mbit/s. Za ovu primenu je izvršena sledeća raspodela spektra:

1.2.1 GHz IMT-2000: oko 50/60 MHz ukupnog propusnog opsega koristi se kao alternativa zemaljskim stanicama. Ovaj deo spektra je namenjen korisničkim linkovima treće generacije (3G) mobilne telefonije;

2.27/28 i 31 GHz: po 300 MHz u svakom pravcu deli se sa fiksnim satelitskim i zemaljskim servisima bez interferencije i posebnih metoda zaštite podataka. Uobičajene aplikacije za ovaj opseg su korisnički linkovi za fiksne širokopojasne servise (prenos podataka, glasa i video signala);

3.47/48 GHz: po 300 MHz u svakom pravcu deli se sa fiksnim satelitskim servisima. Ovaj opseg je namenjen gateway linkovima za fiksne širokopojasne servise.

U skladu sa preporukama organizacija ITU-T i ITU-R, razmatraju se četiri tipa širokopojasnih servisa:

• servisi koji se odnose na konverzaciju (govor i video telefonija),
• streaming servisi (radio i televizija u realnom vremenu),
• interaktivni pristup podacima (Web),
• prenos fajlova (e-mail i FTP).

Stratosferske platforme mogu biti deo integrisanih mreža koje objedinjuju sve postojeće telekomunikacione mreže i protokole. Platforme će, kao lokalne komponente globalnih navigacionih sistema, doprineti poboljšanju ključnih navigacionih performansi, kao što su tačnost, raspoloživost, integritet, kontinuitet i poboljšanje komunikacionog kapaciteta sistema.

Stratosferske platforme u integrisanim mrežama (Slika 4.), mogu biti konfigurisane kao blok „na zahtev”, privremeni blok u slučaju hitnih potreba i kao eksperimentalni blok za kanalna merenja, [10], [11]. Platforme mogu znatno ubrzati razvoj kompleksnih mreža, u slučajevima da te mreže moraju da budu u operativnom stanju u znatno kraćem vremenskom periodu od uobičajenog vremena potrebnog za razvoj cele mreže.

Slika 4. Struktura HAP komunikacionog sistema [1]

Kad su konfigurisane kao blok za primenu u hitnim slučajevima, platforme mogu biti veoma korisne za prevazilaženje posledica prirodnih katastrofa kao što su šumski požari, poplave, zemljotresi, erupcije vulkana, ili terorističkih napada. U preventivnom režimu rada, stratosferske platforme se razvijaju kao podrška pojedinim segmentima mreže u slučaju opasnosti ili naglo uvećanog broja korisnika (npr. u slučaju nekih važnih društvenih događaja).

11. PROJEKTI U SVETU

Najpoznatiji projekti koji su se bavili proučavanjem stratosferskih platformi su SkyStation, HALO, SkyTower i Stratellite u SAD, SkyNet u Japanu, i Helinet, koji je praćen projektom CAPANINA u Evropi. U daljem tekstu biće opisani operativni koncepti primenjeni u realizaciji nekih od navedenih projekata.

11.1. HALO (SAD)

Letelicu HALO je razvila američka kompanija Angel Technology Corporation. Letelica je namenjena za pružanje širokopojasnih servisa u oblasti pokrivenosti prečnika do 100 km. Antenski niz na platformi je u mogućnosti da projektuje preko 100 snopova u oblasti pokrivenosti, u frekvencijskom opsegu od 28-38 GHz. S obzirom na to da je letelica HALO uvek u pokretu, za stabilizovanje snopa antene na zemljinoj površini koriste se tehnike elektronskog formiranja snopa. Na ovaj način se mogu obezbediti različiti tipovi servisa sa bitskim protokom od 1-10 Mb/s, 10-25 Mb/s i 25-155 Mb/s. Veza sa javnim telefonskim mrežama se ostvaruje preko zemaljskih stanica.

11.2. SkyTower (SAD)

zahteva mnogo manju snagu za obezbeđivanje HDTV i 3G videofona. Planirana je izrada oko 60 ovakvih letelica, čije će lansiranje u stratosferu biti obavljeno do 2011. godine.

11.3. HeliNet (Evropa)

HeliNet je trogodišnji evropski projekat (1999-2003), koji je proučavao mogućnost komunikacije preko stratosferskih platformi. Testirane su glavne karakteristike HAP sistema kao što su fleksibilnost, brzina razvoja, mogućnost rekonfiguracije i otpornost na uticaje okruženja. HeliNet omogućava korišćenje stratosferskog segmenta i pogodan je za primenu na različitim strateškim poljima, kao što su lokalizacija, nadzor okoline i pružanje telekomunikacionih servisa. Projekat je izveden u okviru međunarodne saradnje kompanija i univerziteta u Italiji, Španiji, Velikoj Britaniji, Sloveniji, Mađarskoj i Švajcarskoj. Projekat je takođe imao za cilj razvoj topologije i arhitekture telekomunikacione mreže, protokola i komunikacionog interfejsa za različite primene. U okviru projekta razvijene su tri pilot aplikacije koje su ukazale na veliki potencijal ove infrastrukture za pružanje servisa u integrisanom okruženju.

11.4. CAPANINA (Evropa)

Slika 5. Koncept projekta CAPANINA [1]

CAPANINA je istraživački projekat započet novembra 2003. godine, [17]. Cilj ovog projekta, koji se često smatrao nastavkom HeliNet-a, bio je razvoj jeftine širokopojasne tehnologije za efikasno pružanje telekomunikacione usluge korisnicima u nepristupačnim geografskim oblastima, kao i korisnicima koji putuju sredstvima javnog prevoza (npr. vozovima koji se kreću brzinom do 300 km/h), Slika 5. Podaci se prenose burst-ovima brzinom do 120 Mb/s bilo gde unutar oblasti pokrivenosti prečnika 60 km. Za ove primene aktivno se razmatraju milimetarski talasi i optičke komunikacione tehnologije u slobodnom prostoru. U okviru ovog projekta uspešno su izvedene tri probe. Prva je izvršena u Velikoj Britaniji u oktobru 2004, korišćenjem vezane vazdušne platforme na visini od 300 m. Druga proba je izvedena u Švedskoj u avgustu 2005, pri čemu je upotrebljen stratosferski balon koji je slobodno plutao na visini od 25 km. Poslednja proba u okviru projekta CAPANINA izvršena je u Americi 2007. godine. U toku ove probe stratosferski balon je predstavio širokopojasne servise kao što su download video signala, web pristup i backhaul komunikacija pomoću optičkog linka od 1,25 Gbit/s i RF linka od 11 Mbit/s. Dalja istraživanja u okviru ovog projekta su usmerena na razvoj mrežnih arhitektura koje uključuju bežične i optičke tehnologije. Takođe, radi se na dizajnu hardvera koji će obezbediti širokopojasne komunikacije korisnicima u sredstvima javnog prevoza i ruralnim oblastima.

HAP sistemi imaju brojne prednosti u odnosu na zemaljske i satelitske sisteme, zbog čega se mogu koristiti kao treći oblik infrastrukture koji je komplementaran postojećim sistemima. Platforme imaju visoku optičku vidljivost, sa velikim uglovima elevacije i malim rastojanjima, što omogućava njihovu primenu u bežičnim sistemima velikog kapaciteta. Sa većim brojem platformi, raspoređenih na određenim rastojanjima i međusobno povezanih linkovima, može biti pokriveno veliko servisno područje. Dalji razvoj tehnologija je usmeren na izradu samih platformi, izvora napajanja i antenskih sistema.Stratosferske platforme su još uvek u fazi istraživanja u Evropi, Americi, Japanu i Koreji. Njihova komercijalizacija se očekuje posle 2011. godine, kada se za to dobiju dozvole odgovarajućih regulatornih tela.

Literatura

[1] A. Aragon-Zavala, J. L. Cuevas-Ruiz and J. Antonio Delgado - Penin, High-Altitude Platforms for Wireless Communications, John Wiley&Sons, Ltd, 2008.

[2] L. Macekova and P. Galajda, ”High Altitude Platforms for Communications and other Wireless Services”, Acta Electrotechnica et Informatica, No. 2, Vol. 7, 2007.

[3] A. K. Widiawan and R. Tafazolli, “High Altitude Platforms (HAPS): A Review of New Infrastructure Development for Future Wireless Communications”, Wireless Personal Communications (2007), pp. 387 – 404

[4] T. C. Tozer and D. Grace, “High-altitude platforms for wireless communications”, Electronic & Communication Engineering Journal, June 2001.

[5] W. C. Jakes, Microwave Mobile Communications, AT&T,1974, (reprinted by IEEE Press, Piscaraway, NJ).

[6] S. R. Saunders, A. Aragon-Zavala, Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems, John Wiley & Sons, Ltd 2007

[7] D. Grace, N. E. Dely, T. C. Tozer, A. G. Burr and D. A. J. Pearce, “Providing multimedia communications services from high altitude platforms”, International Journal of Satellite Communications, 2001

[8] F. Fidlet, “Optical Communications from High - Altitude Platforms”, dissertation, Technical University in Vienna, 2007.

[9] L. Chand Godara, Handbook of Antennas in Wireless Communications, CRC Press, 2002.

[10] M. Ruggieri, “Satellite Navigation and Communications: An Integrated Vision”, Wireless Personal Communications, 2006.

[11] R.Miura, Hiroyuki Tsuji and D. P. Gray, “Radiolocation System Using Sensor Array Onboard a High Altitude Aerial Vehicle”, Springer Science+Business Media, LLC, 2008

[12] W. L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, John Wiley & Sons, New York, 1981.

[13] J. Butler and R. Lowe, “Beam-Forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Antennas”, Electronic Design, April 12, 1961, pp. 170-173.

[14] J. Blass, “Multidirectional Antenna: A New Approach to Stacked Beams”, IRE International Conference Record, Vol. 8, Part 1, 1960.

[15] T. Biedka, Virginia Tech Adaptive Array Seminar, 1997.

[16] A. Ishide and R. T. Compton, Jr., ”On Grating Nulls in Adaptive Arrays”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-28, No. 4, July 1980, pp.467-475.

[17] http://www.capanina.org

Autori

Marija Agatonović je diplomirala na Elektronskom fakultetu u Nišu, oktobra 2006. godine. Doktorske studije na Katedri za telekomunikacije Elektronskog fakulteta upisala je 2007. godine. Kao stipendista Ministarstva nauke i tehnologije Republike Srbije angažovana je na projektu „Razvoj novih modela mikrotalasnih sklopova i uređaja za primenu u sistemima bežičnih komunikacija”. Učestvovala je u organizaciji međunarodne konferencije TELSIKS 2009. Član je profesionalnog udruženja IEEE.

Vera Marković je diplomirala, magistrirala i doktorirala na Elektronskom fakultetu u Nišu. U zvanje docenta je izabrana 1992, vanrednog profesora 1997. i redovnog profesora 2002. godine, na Katedri za telekomunikacije. Bila je rukovodilac i učestvovala u mnogim istraživačkim projektima. Objavila je monografiju, udžbenik i preko 200 naučnih radova na međunarodnim i domaćim konferencijama i u časopisima. Oblasti interesovanja prof. Vere Marković su istraživanja bioloških efekata mikrotalasnog zračenja, modelovanje mikrotalasnih sklopova za bežične komunikacije, primena neuronskih mreža u mikrotalasnim CAD tehnikama. Prof. Vera Marković je glavni urednik časopisa “Microwave Review” i član je Tehničkog programskog komiteta konferencija TELSIKS, PES i ICEST. Član je udruženja IEEE.