高空平臺(tái)通信系統(tǒng)頻譜需求研究

劉為 溫文坤 趙丹 何雯 宋怡昕

【摘? 要】關(guān)注“輕于空氣”HAPS平臺(tái)通信技術(shù)的部署場景和系統(tǒng)特性，基于現(xiàn)有及可預(yù)期達(dá)到的無線通信水平，結(jié)合我國西北人口稀少地區(qū)以及西南人口密集山區(qū)的自然情況，對(duì)HAPS寬帶接入的頻譜需求進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)合我國典型地區(qū)的雨衰值、HAPS高空平臺(tái)及地面臺(tái)站的鏈路特性分析鏈路預(yù)算進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，利用HAPS在邊遠(yuǎn)地區(qū)提供寬帶連接具備技術(shù)可行性。

【關(guān)鍵詞】高空平臺(tái)站;平流層通信;頻譜需求

中圖分類號(hào)：TN927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）05-0065-07

1? ?引言

根據(jù)《無線電規(guī)則》的定義[1]，高空平臺(tái)站（HAPS， High Altitude Platform Station）是指位于距地面高度20 km～50 km（大氣平流層）并相對(duì)地球表面特定點(diǎn)保持固定的站點(diǎn)。應(yīng)用現(xiàn)有無線接入技術(shù)，HAPS系統(tǒng)以較低建設(shè)成本覆蓋廣闊區(qū)域，適合于偏遠(yuǎn)農(nóng)村、海岸線、山脈、沙漠等地區(qū)的寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。同時(shí)，HAPS系統(tǒng)部署靈活，受地理、天氣等外部環(huán)境因素影響小，可應(yīng)用于災(zāi)區(qū)救援等應(yīng)急通信場景。上述特點(diǎn)使其具有廣泛應(yīng)用前景。

ITU-R對(duì)HAPS的研究始于1997年。至WRC-2009，ITU-R已完成47 GHz/48 GHz、28 GHz/31 GHz和6 GHz三個(gè)HAPS頻段劃分，形成ITU-R F.1500、F.1501、F.1819[2]等HAPS技術(shù)和操作特性、共存性分析等建議書和報(bào)告。其中，47 GHz/48 GHz頻段為全球范圍，28 GHz/31 GHz頻段為1區(qū)和3區(qū)的部分國家，6 GHz頻段僅適用于5個(gè)國家，上述頻段及其應(yīng)用場景、帶寬及使用區(qū)域如表1所示[3]：

2015年世界無線電通信大會(huì)（WRC-15）通過了第160號(hào)決議，設(shè)立WRC-19 1.14議題，促進(jìn)開展新技術(shù)條件下HAPS系統(tǒng)的應(yīng)用研究[4]。決議確定研究HAPS系統(tǒng)的頻譜需求，包括修改現(xiàn)有HAPS無線規(guī)則以及研究新頻段擴(kuò)展而新增HAPS頻譜分配。新增頻譜包括38 GHz—39.5 GHz（全球）、21.4 GHz—22 GHz和24.25 GHz—27.5 GHz（2區(qū)）。

2016年至2018年ITU-R WP5C已召開6次會(huì)議，起草了工作計(jì)劃、CPM報(bào)告、技術(shù)與操作特性研究報(bào)告和共用與兼容性分析研究報(bào)告等。各國結(jié)合本國應(yīng)用需求分別提出系統(tǒng)技術(shù)特性和頻譜需求，采用不同的分析方法和天線模板對(duì)HAPS系統(tǒng)與其它無線電業(yè)務(wù)的兼容性開展研究。我國也設(shè)立了專門的議題研究小組，在此方面展開了研究，提交提案表達(dá)我國在此議題的觀點(diǎn)[5-19]，根據(jù)工作計(jì)劃，2019年2月的CPM-2會(huì)議主要目標(biāo)是形成CPM報(bào)告草案，具備提交WRC-19大會(huì)的條件。

2? ?部署場景及系統(tǒng)特性

在HAPS應(yīng)用體系架構(gòu)中，高空平臺(tái)在距地面20km～50 km的高度徘徊飛行，為地面覆蓋地區(qū)固定用戶駐地設(shè)備（CPE， Custom Premised Equipment）提供寬帶接入服務(wù)，為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)連接用戶骨干網(wǎng)絡(luò)提供連接，以及提供臨時(shí)部署的應(yīng)急通信服務(wù)。

HAPS系統(tǒng)主要特點(diǎn)包括：大范圍的視線（LOS， Line of Sight）連接、為固定CPE提供寬帶接入服務(wù)能力、在地面接入點(diǎn)之間提供連接，以及快速部署、易于維修。

圖1展示了一種“輕于空氣”（LTA， Lighter Than Air）HAPS的部署案例，即用戶CPE（Customer Premise Equipment，客戶終端設(shè)備）通過HAPS平臺(tái)接入互聯(lián)網(wǎng)。在此類場景中，設(shè)想的HAPS平臺(tái)覆蓋半徑至少為50 km，即覆蓋面積為7 854 km2。覆蓋區(qū)域劃分為多個(gè)小區(qū)，小區(qū)使用窄波束予以覆蓋，以時(shí)分或空分的方式接入小區(qū)多個(gè)用戶CPE。

3? ?頻譜需求分析

3.1? 概述

根據(jù)ITU-R WP5C 2017年11月會(huì)議主席報(bào)告附錄13[20]，HAPS業(yè)務(wù)包括特殊應(yīng)用業(yè)務(wù)及連通性業(yè)務(wù)。特殊應(yīng)用業(yè)務(wù)主要是應(yīng)急通信;連通性業(yè)務(wù)是指在通信基礎(chǔ)設(shè)施假設(shè)困難地區(qū)提供節(jié)點(diǎn)間的寬帶連接，包括用戶設(shè)備與關(guān)口站以及用戶設(shè)備之間的連接。由于各國定義的連通性業(yè)務(wù)使用場景差異明顯，頻譜使用需求分析結(jié)果也有明確不同，具體數(shù)值范圍如表2所示。

頻譜需求取決于HAPS系統(tǒng)的業(yè)務(wù)容量以及技術(shù)操作特性，下文將結(jié)合國內(nèi)需求說明頻譜需求的計(jì)算分析過程。

3.2? 業(yè)務(wù)容量測算

（1）業(yè)務(wù)容量測試方法說明

HAPS對(duì)覆蓋區(qū)的頻譜需求可根據(jù)人口密度、業(yè)務(wù)特性、前后向使用比例及業(yè)務(wù)滲透率等參數(shù)測算，方法如表3所示：

（2）國內(nèi)業(yè)務(wù)容量需求分析

HAPS系統(tǒng)具有部署方式簡便靈活的特點(diǎn)，基本不受地形或氣候影響，特別是LTA HAPS系統(tǒng)，借助太陽能、高效蓄電池等新能源技術(shù)可持久工作[2， 5]。相比于在山地、高原等施工困難的區(qū)域布設(shè)地面通信基礎(chǔ)設(shè)施，HAPS能夠以更低的成本、更快的建設(shè)周期覆蓋上述人口稀疏地區(qū)，消除互聯(lián)網(wǎng)鴻溝。

中國對(duì)HAPS主要應(yīng)用設(shè)想是在邊遠(yuǎn)地區(qū)提供寬帶連接，特別是西部地區(qū)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展指數(shù)的最后6名均位于西部[21]，依次是貴州、新疆、甘肅、寧夏、青海和西藏。其中，西部地區(qū)的特點(diǎn)是地域廣闊、人口總量少，除人口密集的城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)外，廣大農(nóng)村地區(qū)、高原地區(qū)缺乏互聯(lián)網(wǎng)接入的地面通信基礎(chǔ)設(shè)施。而貴州、云南的地形以高原山地為主，主要困難在于農(nóng)村地區(qū)布設(shè)地面基礎(chǔ)通信設(shè)施困難、成本過高。分析選取5省地區(qū)的2015年人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示[22]：

在西藏、青海、新疆約占全國土地面積三分之一的地區(qū)，平均人口密度為9.05人/km2?；?015年自然人口增長率為1.05%，粗略估計(jì)2020年增至每公里約9.54人/km2。為簡便考慮，后續(xù)相關(guān)計(jì)算中人口密度取值為10人/km2。

基于現(xiàn)有LTA HAPS系統(tǒng)技術(shù)能力，假定HAPS單點(diǎn)覆蓋半徑為50 km。根據(jù)《The Zettabyte Era： Trends and Analysis， 2016》（思科）[23]提供的數(shù)據(jù)，用戶月均IP流量將從2015年的10 GB/月，增長為2020年25GB/月，考慮移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)的增長，計(jì)算目標(biāo)值調(diào)高為30 GB/月?；谏鲜龅貐^(qū)的人口分布數(shù)據(jù)，西藏、青海、新疆3省的平均業(yè)務(wù)流量模型如表5所示。

由上述計(jì)算結(jié)果可見，HAPS系統(tǒng)應(yīng)該提供6.20 Gbit·s-1的鏈路吞吐量。假設(shè)前向鏈路與反向鏈路

的比值為7：1，則前向鏈路最大容量為5.425 Gbit·s-1。

3.3? 系統(tǒng)頻譜效率

HAPS系統(tǒng)的前向&反向鏈路的頻譜效率如表6所示：

系統(tǒng)頻譜效率取值參照DVB-S2X系統(tǒng)。其中，地面信關(guān)站（GW）與HAPS之間的位置相對(duì)固定，通信鏈路采用更高增益的定向天線，因此采用5.5 bit·s-1·Hz-1的最高值;而地面CPE與HAPS之間的鏈路給出了3個(gè)建議值（低、平均、高）用以推算不同信道條件下的系統(tǒng)帶寬需求。

3.4? 頻譜需求計(jì)算

（1）新疆、青海、西藏的廣域覆蓋

假定每個(gè)HAPS覆蓋范圍內(nèi)地面設(shè)置2個(gè)GW，并處于不同方向，可通過2個(gè)波束實(shí)現(xiàn)隔離，因此設(shè)定頻譜復(fù)用因子為1。HAPS與CPE之間的通信假定采用5副多波束天線，每個(gè)天線有4個(gè)波束，并支持LHCP&RHCP極化復(fù)用。基于表4及表5計(jì)算所得的新疆、青海、西藏的平均頻譜需求如表7所示：

其中，名義總帶寬需求指HAPS鏈路總吞吐率/頻譜效率。

（2）貴州、云南多山地形農(nóng)村地區(qū)覆蓋

貴州、云南的人口密度高于中國西部地區(qū)，需要使用更多波束以提高系統(tǒng)容量。根據(jù)當(dāng)前及可預(yù)見的技術(shù)發(fā)展，將HAPS最高波束數(shù)量設(shè)定為28個(gè)，其它參數(shù)與前文一致。貴州、云南二省平均頻譜需求如表8所示。

3.5? 小結(jié)

由上述頻譜需求計(jì)算結(jié)果可形成如下結(jié)論：

（1）西藏、青海、新疆區(qū)域，使用28 GHz/31 GHz頻段，上下行各300 MHz帶寬可以滿足要求。

（2）云南、貴州地區(qū)頻譜需求劇增，需要新增38 GHz—39.5 GHz頻段，且鏈路預(yù)算要求能傳輸頻譜效率至少達(dá)到3.3 bit·s-1·Hz-1以上。

（3）建議28 GHz/31 GHz頻段的上下行各300 MHz帶寬主要用于西部人口密度低（<10人/km2）的區(qū)域，其帶寬需求由表7給出。

（4）新增38 GHz—39.5 GHz頻段可考慮用于西南部高原區(qū)域人口密度高（>100人/km2）的區(qū)域，其帶寬需求由表8給出。

4? ?操作技術(shù)特性研究

4.1? 雨衰考慮

根據(jù)ITU-R P.837-6 2012，我國及周邊地區(qū)降雨率統(tǒng)計(jì)分布如圖2所示。

根據(jù)圖中降雨分布，可得出國內(nèi)如下典型地區(qū)的雨衰值，如表9所示：

從表9可見，我國典型區(qū)域雨衰分布差異較大。后續(xù)計(jì)算中采用典型的10 dB～12 dB雨衰余量。

4.2? 鏈路預(yù)算

（1）鏈路特性參數(shù)

考慮表10所示常用調(diào)制編碼方式特性[8， 13]。

HAPS通信載荷設(shè)備鏈路特性如表11所示[8， 13]：

考慮3種CPE地面站特性，如表12所示[8， 13]：

地面網(wǎng)關(guān)站鏈路特性如表13所示[8， 13]：

（2）鏈路預(yù)算結(jié)果

按前文所列出HAPS通信系統(tǒng)操作特性參數(shù)并考慮12 dB的雨衰影響，按自由空間損耗傳輸模型計(jì)算鏈路預(yù)算結(jié)果如表14所示：

由表14可見，地面網(wǎng)關(guān)可部署高增益天線，鏈路預(yù)算充裕，而用戶鏈路則較低。但即使是存在雨衰的情況下，CPE使用小口徑天線時(shí)鏈路預(yù)算也滿足中高階調(diào)制（16QAM）使用要求，使用大口徑天線時(shí)滿足高階調(diào)制（64QAM）使用要求。沒有雨衰影響情況下，均可使用高階調(diào)制。因此，鏈路預(yù)算的分析表明HAPS可以滿足系統(tǒng)容量要求。

5? ?結(jié)論

本文主要針對(duì)“輕于空氣”HAPS平臺(tái)通信技術(shù)的部署場景和系統(tǒng)特性進(jìn)行介紹，基于現(xiàn)有及可預(yù)期達(dá)到的無線通信水平，結(jié)合我國西北人口稀少地區(qū)以及西南人口密集山區(qū)的自然情況，對(duì)HAPS寬帶接入的頻譜需求進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)合我國典型地區(qū)的雨衰值、HAPS高空平臺(tái)及地面臺(tái)站的鏈路特性，進(jìn)行了鏈路預(yù)算分析，結(jié)果顯示，利用HAPS在邊遠(yuǎn)地區(qū)提供寬帶連接具備技術(shù)可行性。

由于HAPS目前可行的工作頻段中，27.9 GHz—28.2 GHz/31 GHz—31.3 GHz頻段已有固定衛(wèi)星等現(xiàn)有業(yè)務(wù)部署，在38 GHz—39.5 GHz頻段則有移動(dòng)業(yè)務(wù)的共存，同時(shí)上述頻段也與IMT-2020候選頻段存在重疊，因此后續(xù)還將進(jìn)一步開展HAPS系統(tǒng)的頻譜共存和兼容性研究工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國際電信聯(lián)盟. 無線電規(guī)則 第1.66A號(hào)定義[S]. 2016.

[2] 國際電信聯(lián)盟. 無線電建議 ITU-R F.1819 Protection of the radio astronomy service in the 48.94-49.04 GHz band from unwanted emissions from HAPS in the 47.2-47.5 GHz and 47.9-48.2 GHz bands[S]. 2007.

[3] 國際電信聯(lián)盟. 無線電規(guī)則 第120、145、150號(hào)決議[S]. 2016.

[4] 國際電信聯(lián)盟. 無線電規(guī)則 第160號(hào)決議[S]. 2016.

[5] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第146號(hào)提案，Proposals on working document towards a preliminary draft new Report ITU-R F.[BROADBAND_HAPS][S]. 2016.

[6] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第267號(hào)提案，Proposals on working document towards a preliminary draft new Report ITU-R F.[BROADBAND_HAPS][S]. 2017.

[7] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第359號(hào)提案，Proposed modification of working document on the methodologies of sharing and compatibility studies for HAPS in the bands considered under Resolution 16， agenda item 1.14 （WRC-19） - Examples of methodologies to be used in the sharing and compatibility studies between HAPS and primary incumbent services in the bands considered for HAPS under Resolution 160[S]. 2017.

[8]國際電信聯(lián)盟. WP5C第360號(hào)提案，Proposed modification on working document towards a preliminary draft new Recommendation ITU-R F.[BROADBAND HAPS CHARACTERISTICS]-Deployment and technical characteristics of broadband high altitude platform stations in the bands 6 440-6 520 MHz， 6 560-6 640 MHz， 21.4-22.0 GHz， 24.25-27.5 GHz， 27.9-28.2 GHz， 31.0-31.3 GHz， 38.0-39.5 GHz， 47.2-47.5 GHz and 47.9-48.2 GHz[S]. 2017.

[9] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第361號(hào)提案，Proposed modification on working document towards a preliminary draft new Report ITU-R F.[HAPS-SPECTRUM-NEEDS]-Existing identifications and spectrum needs of high-altitude platform stations （HAPS） broadband links operating in the fixed service[S]. 2017.

[10] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第492號(hào)提案，Proposed modification of working document on the sharing and compatibility studies for HAPS and FSS in the 38-39.5 GHz frequency range[S]. 2018.

[11] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第493號(hào)提案，Proposed modification of working document on the sharing and compatibility studies for HAPS in the 27.9-28.2 GHz and 31.0-31.3 GHz frequency ranges[S]. 2018.

[12] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第494號(hào)提案，Proposed modification of working document toward draft CPM text on WRC19 agenda item 1.14[S]. 2018.

[13] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第495號(hào)提案，Proposed modification of working document towards a preliminary draft new Recommendation ITU-R F.[BROADBAND HAPS CHARACTERISTICS]-Deployment and technical characteristics of broadband high altitude platform stations in the bands 6 440-6 520 MHz， 6 560-6 640 MHz， 21.4-22.0 GHz， 24.25-27.5 GHz， 27.9-28.2 GHz， 31.0-31.3 GHz， 38.0-39.5 GHz， 47.2-47.5 GHz and 47.9-48.2 GHz[S]. 2018.

[14] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第496號(hào)提案，Proposed revision of working document to the sharing and compatibility studies for HAPS and mobile service （IMT-2020） in the 38-39.5 GHz frequency range[S]. 2018.

[15] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第601號(hào)提案，Proposed revision of preliminary draft new Report ITU-R F.[HAPS-39GHz]-The sharing and compatibility studies of HAPS and mobile service （IMT-2020） in the 38-39.5 GHz frequency range[S]. 2018.

[16] 國際電信聯(lián). WP5C第602號(hào)提案，Proposed revision to preliminary draft new Report ITU-R F.[HAPS-31 GHz]-Sharing and compatibility studies of HAPS systems in the 27.9-28.2 GHz and 31.0-31.3 GHz frequency ranges[S]. 2018.

[17] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第603號(hào)提案，Proposed revision to preliminary draft new Report ITU-R F.[HAPS-39GHz]-Sharing and compatibility studies of HAPS systems in the 38-39.5 GHz frequency range[S]. 2018.

[18] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第640號(hào)提案，Proposed revision to preliminary draft new Report ITU-R F.[HAPS-31 GHz][S]. 2019.

[19] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第640號(hào)提案，Proposed revision to preliminary draft new Report ITU-R F.[HAPS-39.5 GHz][S]. 2019.

[20] 國際電信聯(lián)盟. WP5C第410號(hào)報(bào)告附錄13，HAPS SPEC REQUIREMENT[S]. 2017.

[21] 騰訊研究院. 中國互聯(lián)網(wǎng)+指數(shù)報(bào)告（2018）[R]. 2018.

[22] 中國人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局. 國家數(shù)據(jù)[EB/OL]. [2019-05-05]. http：//data.stats.gov.cn/index.htm.

[23] Cisco Systems， Inc. The Zettabyte Era： Trends and Analysis Whitepaper[R]. 2016.

[24] 國際電信聯(lián)盟. P.837-6 2012： Characteristics of precipitation for propagation modelling[S]. 2012.

[25] 國際電信聯(lián)盟. P.838： Specific attenuation model for rain for use in prediction methods[S]. 2005.