1.1 HAPS 系統簡介
高空平台(High Altitude Platform Stations, HAPS)為架設在高空的新一 代通訊平台[1]，如圖 1-1 所示，它可以是一架飛船、飛機或其他的飛行器 等等，系統位置和性質介於地面通訊和衛星通訊之間，整合了兩者之優 點，提供了一個通訊系統之新選擇。
由於 HAPS 在高空處，可能遭受到風力的影響而造成其偏離於服務位 置，使得系統容量改變，因此要求必須架設在風速較小的平流層(圖 1-2)，
而通常架設在離地面約 21 公里處，其高度足以避免地面高大屏障之障礙。
而當 HAPS 受到風力影響而偏移其服務位置時，可以藉由 GPS 定位系統以 及推進器來回復至原來的服務位置[2]。動力來源方面，利用太陽能電池維 持動力，如此一來可以降低成本並且兼顧環保。
圖 1-1 HAPS 系統模型[1]
HAPS 目前主要用於提供使用毫米波段的寬頻應用和以第三代行動通 訊(3G)頻帶的分碼多重存取(code division multiple access，CDMA)為基礎的 國際行動通訊系統-2000(IMT-2000)無線通訊。本論文的編碼方式以 CDMA 為主。
一般的傳統地面通訊系統(terrestrial system)會在高處如大樓頂端等架 設基地台，而 HAPS 是利用架設在飛行器上的相位陣列天線(phased array antennas)，對地面投影形成細胞(圖 1-3)，每一天線的主波束指向細胞中 心，因此相較於傳統地面通訊系統來說，能更快速的架設系統，而且不受 限於區域地形的限制，可以在需要的地點建立通訊服務。
圖 1-2 風速與高度對照表[1]
圖 1-3 HAPS 示意圖
圖 1-4 環境路徑衰減示意圖[1]
1.2 HAPS 系統與既有系統比較
目前既有通訊系統包括兩種類型，一為衛星通訊系統，另一為傳統的 地面通訊系統。相較於衛星通訊系統，HAPS 具有部署快速便利、傳播延 遲小、容量大、價格低廉等優點。而對於地面通訊系統而言，由於 HAPS 的服務範圍可達面 100 平方公里以上，因此可以取代過於密集架設的地面 基地台，且因為 HAPS 位在高空處，能夠不受地形的限制服務於地面基地 台不易架設如沿海、山區等區域。
在大都會地區需要的通訊服務，白天通常會有較高鋒值的需求，夜晚 則相對於較少，郊區剛好與之相反，傳統地面系統無疑地沒有辦法可以適 應性的調配需求，在都會區架設基地台也需要較高的租金。面對此問題，
HAPS 系統的高移動性可以很容易的解決，系統資源可以被有效的利用。
除了上述這些問題外，當某一區域遇到天災如地震、颶風，或是戰爭等意 外，地面通訊系被破壞，HAPS 系統能夠很快的恢復這些地區通訊能力[1]。
如圖 1-4，我們可以知道比起地面通訊系統到使用者端，HAPS 系統到 使用者端有較小的雨衰(rain attenuation)，因此 HAPS 系統有較好的通道特 性，並且 HAPS 系統的其他細胞干擾因子也小於地面系統的他細胞干擾因 子[3]，所以 HAPS 系統的細胞會比傳統地面系統的細胞有較高的容量。
1.3 文獻回顧
關於 HAPS 通訊系統的文獻中，[3]中清楚介紹了 HAPS 系統的細胞層 數與參考細胞上鏈(uplink)容量之間的關係。[4]則是提出了 HAPS 系統的下 鏈(downlink)最佳功率控制定律(optimum power control law)，在沒有利用此 功率控制前，細胞的容量會隨著距離細胞中心遠近而改變。利用波束真實 投影的方式，位於 HAPS 系統正下方的細胞形狀應為一正圓形，而其他細 胞形狀應該為橢圓形，[5]中提出投影在地面的細胞數學表示式。
另外，針對 HAPS 系統受到風力的影響而偏移的情況下，文獻[2]中提 到，HAPS 系統的偏移可分為水平、垂直、傾斜，垂直的偏移會使得系統 容量有明顯的改變，為了消除偏移所造成的影響，可以利用機械裝置-推進 器，來使 HAPS 系統回復到原來服務的位置。或是利用多架 HAPS 系統服 務單一個區域，以增加系統的多樣性[6]。
若整合 HAPS 系統與地面系統時，[7]提出兩種系統模型，一為波束分 別指向地面各細胞中心，另一為指向地面細胞邊緣，由結果顯示指向地面 細胞邊緣的系統容量會比指向細胞中心來的多。
而利用多架 HAPS 來擴大整體服務範圍時，因為各架 HAPS 系統分別 位於不同的地理位置，不再像單架 HAPS 系統時可以忽略遮蔽效應 (shadowing)，必須將其所帶來的影響也考慮進來[8]。
1.4 研究動機
在 HAPS 系統偏移時，除了利用推進器[2]或是用多架 HAPS 服務單一 區域以增加系統多樣性[6]來對抗造成的影響以外，是否還有什麼其他方式 可以降低對系統容量的改變，我們也非常的好奇，本論文提出兩種形式的 天線，探討當 HAPS 系統遭受到風力而偏移時，系統容量的變化情形。
而當在計算 HAPS 系統上下鏈系統容量時，是以遭受到最嚴重干擾的 中心細胞來當作參考細胞，這樣計算出來的系統容量勢必會低估系統應有 的容量，所以本論文提出利用最佳化理論(Optimization Theory)來計算每個 細胞的最大容量，以達系統的最佳容量。
文獻[5]提到波束投影在地面時的形狀應為橢圓，而我們對此建構出無 縫的系統感到興趣，因此本論文利用此文獻，提出建構一無縫系統的方 式。最後，在多架 HAPS 系統下的遮蔽效應與多路徑衰退(multipath fading) 是不能被忽略[8]，我們好奇在這樣的系統下，遮蔽效應與多路徑衰退的影 響會對系統容量造成多大的變化，本論文以兩種計算細胞容量的方式，探 討之間的差別。
本論文的安排如下：
第二章： 本章為在兩種天線形式下的 HASP 系統偏移下，個別討論細胞 的容量變化與服務範圍的改變情形。
第三章： 利用已有的細胞投影公式，提出波束寬為-13dB 的細胞主波束投 射位置以建立出無縫隙的系統，並且最佳化每個細胞的容量，
以提升系統的整體容量。
第四章： 本章提以多架 HAPS 系統擴大服務範圍，利用兩種通道模型- simplified 通道模型與 RLN 通道模型計算細胞各層的容量，並且 分析比較兩種通道模型所得結果之差異。
圖 2-1 細胞架構圖(N = 3)