面向6G的高空基站HIBS全球發(fā)展趨勢(shì)與分析

王婷婷，周瑤，劉吉鳳，牛憶瑩

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

2019 年6 月，工信部向四家運(yùn)營(yíng)商發(fā)放5G 牌照，5G 正式進(jìn)入商用期。5G 聚焦基礎(chǔ)功能增強(qiáng)、大規(guī)模機(jī)器通信和垂直行業(yè)拓展三大方向，助力賦能各行各業(yè)，將人、物、行業(yè)的通信體驗(yàn)提升到了新階段。隨著近年來5G 的快速發(fā)展，全球很多國(guó)家逐漸開始研究6G 通信技術(shù)，通過政策支持、資金投入、人力投入等方式推動(dòng)6G 技術(shù)預(yù)研。相比5G，6G 網(wǎng)絡(luò)將更加泛在、智能、安全，通信網(wǎng)絡(luò)與大數(shù)據(jù)、人工智能深度融合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生。同時(shí)，6G 網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)空天地全方位覆蓋，滿足當(dāng)前飛機(jī)、輪船、孤島等區(qū)域通信需求，彌合數(shù)字鴻溝[1-2]。

如圖1 所示，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)通常包括三部分：由高、中、低軌衛(wèi)星組成的天基網(wǎng)絡(luò)，由各種飛機(jī)、飛行器、高空平臺(tái)、低空平臺(tái)組成的空基網(wǎng)絡(luò)，以及由地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)組成的地基網(wǎng)絡(luò)，三者有機(jī)融合、統(tǒng)一規(guī)劃，形成多層次、一體化的融合網(wǎng)絡(luò)[3]。其中，將高空平臺(tái)（HAPS,High Altitude Platform Stations）作為國(guó)際移動(dòng)通信（IMT,International Mobile Telecommunication）基站，具有覆蓋范圍大、部署機(jī)動(dòng)靈活、傳播損耗小等優(yōu)勢(shì)，吸引了日本、德國(guó)、中國(guó)等多個(gè)國(guó)家的注意力，成為了ITU-R WRC-23 1.4議題、3GPP Release 15 至Release 18 的 研究重點(diǎn)之一。

圖1 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)示意圖

1 HIBS全球標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

從ITU-R、3GPP 層面推動(dòng)形成HIBS 全球協(xié)調(diào)一致頻段、頻率規(guī)劃方案和設(shè)備技術(shù)規(guī)范，將有利于促進(jìn)各國(guó)主管機(jī)構(gòu)對(duì)HIBS 頻率進(jìn)行統(tǒng)一劃分與分配，降低國(guó)家間邊境地區(qū)頻率干擾。同時(shí)也有助于推動(dòng)HIBS 在全球的應(yīng)用和發(fā)展，形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，降低HIBS 設(shè)備與終端研發(fā)成本。

1.1 ITU-R

ITU-R 世界無線電大會(huì)（WRC,World Radio Conference）從1997 年便開始HAPS 頻率研究與劃分工作，截止2019 年，在全球范圍以主要業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)31.0—31.3 GHz、38.0—39.5 GHz 頻段，在部分地區(qū)或國(guó)家標(biāo)識(shí)6 GHz、21.4—22.0 GHz、24.25—25.25 GHz、25.25—27.5 GHz、27.9—28.2 GHz、47 GHz等頻段，用于發(fā)展HAPS 固定業(yè)務(wù)。我國(guó)根據(jù)自身需要，以次要業(yè)務(wù)加入了現(xiàn)有的27.9 GHz—28.2 GHz 頻段HAPS 標(biāo)識(shí)的腳注，為我國(guó)HAPS 現(xiàn)有應(yīng)用獲得了國(guó)際規(guī)則地位。

2019 年WRC 大會(huì)上，日本推動(dòng)HIBS 成為WRC-23 研究議題1.4，在全球或區(qū)域范圍內(nèi)，在2.7 GHz 以下頻段已標(biāo)識(shí)IMT 的頻段中，開展HIBS 用于移動(dòng)通信服務(wù)的研究。議題研究頻段包括694—960 MHz、1 710—1 885 MHz、2 500—2 690 MHz 頻段，以及《無線電規(guī)則》第5.388A 款已標(biāo)識(shí)HIBS 的1 885—1 980 MHz、2 010—2 025 MHz、2 110—2 170 MHz 頻段[4]。

ITU-R WP5D 首先開展了HIBS 系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)特性、頻譜需求、應(yīng)用場(chǎng)景等研究，2021 年3 月WP5D 第37 次會(huì)議形成的HIBS 系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。目前WP5D 的討論焦點(diǎn)包括HIBS 高度、頻譜需求、天線模型等方面。ITU-R《無線電規(guī)則》規(guī)定HAPS 平臺(tái)高度在20 km 以上，目前的平臺(tái)制造技術(shù)很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到這個(gè)高度，降低平臺(tái)高度要求將有利于產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，但需謹(jǐn)慎考慮高度對(duì)共存兼容性和靈敏度的影響。HIBS 業(yè)務(wù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的頻譜需求會(huì)有較大差異，為了保障HIBS 有足夠的頻譜帶寬，日本、巴西等國(guó)家主張不開展頻譜需求研究，直接通過增加腳注等方式，確定HIBS 對(duì)IMT 頻譜的靈活使用。目前平臺(tái)基站的天線模型參考地面IMT 網(wǎng)絡(luò)的ITU-R M.2101 建議書，為了使HIBS 達(dá)到更好的覆蓋性能，天線模型的設(shè)計(jì)將是關(guān)鍵因素。

表1 ITU-R WP5D第37次會(huì)議HIBS系統(tǒng)參數(shù)

HIBS-網(wǎng)關(guān)的回傳鏈路是HIBS 系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，由于回傳鏈路并不在ITU-R 1.4 議題的研究范疇內(nèi)，HIBS議題的主要推動(dòng)方日本計(jì)劃在下次亞太電信組織APT 無線通信組AWG-28 會(huì)議上，提出HIBS-網(wǎng)關(guān)回傳鏈路的新立項(xiàng)，以推動(dòng)HIBS 系統(tǒng)的研究進(jìn)展?；貍麈溌返暮蜻x研究頻段主要為毫米波頻段。

1.2 3GPP

3GPP 從Release 15 正式開展5G NR 支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、空中平臺(tái)等非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN,Non-Terrestrial Network）技術(shù)研究，NTN 網(wǎng)絡(luò)定位于服務(wù)IMT 未覆蓋或覆蓋不足的地區(qū)，為M2M/IoT 提供連續(xù)性覆蓋，增強(qiáng)IMT 網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力與可靠性，同時(shí)提供多播、廣播業(yè)務(wù)。NTN 網(wǎng)絡(luò)中HAPS 滯空高度為8～50 km，波束足跡直徑在5～200 km 之間，工作頻率在6 GHz 以下頻段，采用FDD 雙工方式，支持室內(nèi)和室外用戶，可采用衛(wèi)星或地面天線模型，并提出多種NTN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。TR 38.821 研究和確定了NTN 網(wǎng)絡(luò)對(duì)NR 系統(tǒng)的潛在影響，并制定相關(guān)解決辦法，同時(shí)通過鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真對(duì)NTN 網(wǎng)絡(luò)部署方案中的性能進(jìn)行評(píng)估。

目前3GPP RAN4 主要聚焦HIBS 使用頻率與技術(shù)指標(biāo)研究，通過在2 GHz 頻段開展HAPS FDD 對(duì)現(xiàn)有地面IMT 網(wǎng)絡(luò)的鄰頻干擾評(píng)估，根據(jù)5%吞吐量損失保護(hù)準(zhǔn)則，分析共存兼容性研究數(shù)據(jù)，制定HAPS 基站ACLR、ACS 指標(biāo)及UE 技術(shù)要求，形成統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范，指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)，推動(dòng)全球產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

2 HIBS應(yīng)用暢想與產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

2.1 HIBS應(yīng)用場(chǎng)景

HIBS 通過采用低頻段傳輸，在廣域覆蓋和深度覆蓋方面具有更好的覆蓋性能。滯空高度20 km 的平臺(tái)，覆蓋半徑可達(dá)到100 km，總覆蓋范圍31 500 km2[5]。相比目前地面通信系統(tǒng)逐漸采用的高頻段，2.7 GHz 以下頻段的電磁波波長(zhǎng)更長(zhǎng)，更容易發(fā)生衍射，對(duì)障礙物的繞射能力更強(qiáng)，從而能夠提供更好的深度覆蓋性能。同時(shí)，HIBS 對(duì)自然災(zāi)害的抗毀能力更強(qiáng)，我國(guó)近年地震、洪澇等自然災(zāi)害頻發(fā)，通過快速部署HIBS 平臺(tái)，可為搶險(xiǎn)救災(zāi)提供更可靠的通信保障。

（1）全球泛在通信

目前全球陸地的通信覆蓋范圍只有30%，在偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠、戈壁、偏僻島嶼等區(qū)域，由于基站建設(shè)困難、成本高收益低等情況，很多地區(qū)目前仍覆蓋不足甚至無覆蓋。同時(shí)，隨著地面通信系統(tǒng)從2G、3G、4G 發(fā)展到5G，未來發(fā)展到B5G/6G，低頻資源基本飽和，逐漸向高頻發(fā)展。高頻電磁波傳播損耗更大，信號(hào)繞射能力弱，需采用大規(guī)模天線陣列，通過提高發(fā)射增益，達(dá)到與低頻相同的傳輸距離，這就使得5G 天線能耗非常大。目前5G 系統(tǒng)中，基站設(shè)備耗電比重接近70%，如何高效利用能源，提供大范圍、高可靠性的低成本覆蓋，是運(yùn)營(yíng)商向B5G、6G 發(fā)展必須解決的問題。

如圖2 所示，通過將HIBS 部署在地面IMT 部署薄弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)，單個(gè)平臺(tái)覆蓋100 km 半徑，可替代上千個(gè)5G 基站，多個(gè)平臺(tái)協(xié)同組網(wǎng)將大大擴(kuò)大覆蓋范圍，既能解決地面基站建設(shè)選址難的問題，也能降低網(wǎng)絡(luò)部署成本與運(yùn)營(yíng)成本。當(dāng)HIBS 與地面IMT 基站部署區(qū)域重疊時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)干擾問題。目前ITU-R WP5D 工作組正在對(duì)HIBS 與地面IMT 系統(tǒng)間的干擾問題及干擾抑制措施進(jìn)行評(píng)估與研究。在無線電通信中，常見的干擾抑制措施有調(diào)整發(fā)射功率、設(shè)置PFD 限值、空間隔離、保護(hù)帶等。

圖2 HIBS覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)示意圖

（2）6G 物聯(lián)網(wǎng)

5G、6G 的愿景均提到萬物互聯(lián)、萬物智聯(lián)，地面5G 網(wǎng)絡(luò)由于頻率逐步升高，導(dǎo)致物理信道傳輸損耗增大，覆蓋性能不如3G/4G。在5G 三大應(yīng)用場(chǎng)景中，相比eMBB 和URLLC，3GPP 對(duì)mMTC 的標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)度緩慢、進(jìn)展較小。如何解決萬物互聯(lián)，是6G 的重點(diǎn)研究方向和挑戰(zhàn)。通過HIBS 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感器終端的深度覆蓋，低成本解決物聯(lián)網(wǎng)通信，將有助于6G 實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)演進(jìn)與商業(yè)落地。

2.2 產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展

HIBS 通過高空平臺(tái)搭載IMT 基站提供服務(wù)，目前IMT 通信技術(shù)不斷迭代更新，高空平臺(tái)的制造技術(shù)、平臺(tái)控制技術(shù)、電池續(xù)航能力、載荷能力等，成為制約HIBS 發(fā)展的關(guān)鍵。2012 年以來，太陽(yáng)能電池、輕質(zhì)復(fù)合材料、自動(dòng)航空電子設(shè)備和天線技術(shù)等方面取得了突破性進(jìn)展，太陽(yáng)能無人機(jī)的性能大大提高。國(guó)際Google、Facebook 等科技公司已啟動(dòng)了高空平臺(tái)研究與試驗(yàn)工作，我國(guó)北京航空航天大學(xué)、中科院等單位也開展了平流層飛艇和太陽(yáng)能無人機(jī)的攻關(guān)工作，推動(dòng)HIBS 平臺(tái)制造技術(shù)發(fā)展。

2020 年2 月，HAPS 聯(lián)盟宣布成立，聚合了來自通信、航空航天領(lǐng)域的多家公司，包括軟銀子公司HAPS Mobile、谷歌Alphabet Loon、空中客車防務(wù)及航天公司、巴帝電信、中國(guó)電信、德國(guó)電信、愛立信、Intelsat US、諾基亞和西班牙電信等，初步形成全球產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)。HAPS 聯(lián)盟致力于推動(dòng)高空平臺(tái)站HAPS 業(yè)務(wù)的發(fā)展，建立協(xié)作式的全球HAPS 生態(tài)系統(tǒng)，利用高空飛行器在全球范圍內(nèi)提供通信服務(wù)，消除數(shù)字鴻溝。

2.3 HIBS通信試驗(yàn)

隨著HIBS 平臺(tái)技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)開始聯(lián)合開展HIBS 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)試驗(yàn)與性能驗(yàn)證，為HIBS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與業(yè)務(wù)發(fā)展提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

2020 年9 月，鵬程實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)聯(lián)通、中興通訊等多個(gè)廠家共同開展海洋立體通信外場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目，通過空中平臺(tái)搭載5G 基站，與地面核心網(wǎng)拉遠(yuǎn)傳輸構(gòu)成整體組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了空中基站對(duì)水面半徑20 km 的覆蓋，5G 天線設(shè)備性能指標(biāo)良好。后續(xù)計(jì)劃繼續(xù)提升平臺(tái)高度，持續(xù)開展空中平臺(tái)通信技術(shù)攻關(guān)，助力空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

2020 年10 月19 日，德國(guó)電信進(jìn)行了HAPS 試驗(yàn)，平臺(tái)高度14 km，地面覆蓋直徑約10 km，工作在2.1 GHz 頻段（10 MHz 帶寬），采用LTE 技術(shù)，與地面手機(jī)終端進(jìn)行VoLTE 語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)，終端上下行速率分別達(dá)到20 Mbps 和70 Mbps，并實(shí)現(xiàn)了終端在HAPS 小區(qū)與地面IMT 小區(qū)間的切換。德國(guó)電信未來將在HAPS 平臺(tái)上安裝1028 天線單元的大規(guī)模天線陣列，通過發(fā)射多波束形成200 個(gè)小區(qū)，地面覆蓋直徑的目標(biāo)為140 km。同年11 月，軟銀HAPS Mobile 公司和谷歌Loon LCC 公司開展了太陽(yáng)能無人飛機(jī)系統(tǒng)Sunglider 測(cè)試，Sunglider 運(yùn)行在平流層，服務(wù)鏈路為700 MHz 頻段，采用LTE 技術(shù)，回傳鏈路為70—80 GHz 毫米波頻段，實(shí)現(xiàn)了地面手機(jī)用戶與互聯(lián)網(wǎng)用戶間的視頻通話。

3 HIBS發(fā)展趨勢(shì)與技術(shù)挑戰(zhàn)

從整體來看，HIBS 目前發(fā)展勢(shì)頭良好。在頻率與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面，ITU-R、3GPP 均已開展系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)特性、干擾共存等研究分析，推動(dòng)頻率劃分與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范全球統(tǒng)一。HIBS 在ITU-R、3GPP 的標(biāo)準(zhǔn)化工作均在IMT工作組開展，也便于探索空基網(wǎng)絡(luò)與地基網(wǎng)絡(luò)融合方式，從無線空口協(xié)議、資源分配、調(diào)度等多個(gè)層面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)深層次融合。在平臺(tái)制造技術(shù)方面，太陽(yáng)能電池、天線技術(shù)、輕質(zhì)復(fù)合材料等取得關(guān)鍵進(jìn)展，國(guó)內(nèi)外企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)積極開展平臺(tái)研發(fā)與試飛。在產(chǎn)業(yè)鏈方面，由多家電信運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商、航空航天公司組成HAPS聯(lián)盟，開展多項(xiàng)HIBS 通信試驗(yàn)，共同推動(dòng)構(gòu)建HIBS 全球協(xié)作式產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)HIBS 可以直接利用成本低、技術(shù)成熟的IMT 終端，在終端產(chǎn)業(yè)鏈方面具有天然優(yōu)勢(shì)。

3.1 頻率

頻率是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)，頻段、帶寬、射頻指標(biāo)、部署限制是影響HIBS 網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)與業(yè)務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。國(guó)際上對(duì)于是否研究HIBS 頻譜需求存在較大爭(zhēng)議，不開展頻譜需求研究而直接使用IMT 頻譜，預(yù)計(jì)在現(xiàn)有無線電監(jiān)管規(guī)則框架下會(huì)面臨一定困難，同時(shí)也會(huì)引發(fā)一些主管機(jī)構(gòu)的質(zhì)疑。此外，目前低頻資源已劃分給多種空間、航空和地面業(yè)務(wù)使用，同鄰頻業(yè)務(wù)復(fù)雜，例如固定、廣播、衛(wèi)星地球探測(cè)、氣象衛(wèi)星、空間研究、航空移動(dòng)、航空無線電導(dǎo)航、陸地移動(dòng)等，涉及科學(xué)研究、宇宙探測(cè)、軍民使用的多個(gè)方面。為保障現(xiàn)有業(yè)務(wù)正常開展，需開展HIBS 與同鄰頻主要業(yè)務(wù)、部分易受影響的次要業(yè)務(wù)間的干擾分析，制定帶內(nèi)帶外射頻指標(biāo)和部署條件限制，這些限制條件也會(huì)影響HIBS 的設(shè)備能力。

3.2 技術(shù)

目前ITU-R、3GPP 等已開展高空基站頻率劃分、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)融合等方向的研究，部分HIBS 參數(shù)參考地面網(wǎng)絡(luò)。由于將基站升空后，覆蓋半徑迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致小區(qū)容量密度非常低。增大發(fā)射功率、擴(kuò)大天線陣列等方式，由于HIBS 平臺(tái)能源與載荷受限，難以實(shí)現(xiàn)理想效果。如何設(shè)計(jì)平臺(tái)與終端天線模塊，滿足用戶各類業(yè)務(wù)的速率需求，兼顧平臺(tái)續(xù)航與服務(wù)性能，對(duì)HIBS 系統(tǒng)發(fā)展與業(yè)務(wù)性能具有重要意義。此外，HIBS 與地面IMT 基站高度相差20 km，信號(hào)傳輸存在時(shí)延差，TDD 模式下如何進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)議設(shè)計(jì)，終端在HIBS 小區(qū)與地面IMT 小區(qū)間如何切換，在網(wǎng)絡(luò)融合時(shí)也需要重點(diǎn)考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高空基站HIBS 全球產(chǎn)業(yè)進(jìn)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，介紹了HIBS 在ITU-R、3GPP 等全球標(biāo)準(zhǔn)化組織的研究進(jìn)展與技術(shù)焦點(diǎn)，總結(jié)了HIBS 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)與潛在應(yīng)用場(chǎng)景，從HIBS 平臺(tái)研發(fā)技術(shù)、通信技術(shù)、通信試驗(yàn)等方面分析了產(chǎn)業(yè)鏈整體進(jìn)展，最后提出HIBS 未來發(fā)展趨勢(shì)與關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著ITU-R、3GPP 等標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)HIBS 干擾共存研究的開展，逐步推進(jìn)HIBS 頻率標(biāo)識(shí)與劃分，平臺(tái)技術(shù)與通信技術(shù)協(xié)同發(fā)展，HIBS 產(chǎn)業(yè)也將進(jìn)入快速發(fā)展階段，助力6G 實(shí)現(xiàn)泛在連接、萬物互聯(lián)愿景。