高空平臺(tái)通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與前景

郎保真，孫震強(qiáng)

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

大氣平流層（12～50 km）其下為普通航空飛行器的飛行區(qū)域，其上為衛(wèi)星、航天飛行器的區(qū)域。在平流層，空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)小，溫度和濕度適宜，空氣稀薄，適合飛行器平穩(wěn)飛行。位于平流層的高空平臺(tái)（HAPS,High Attitude Platform Station）飛行高度高、機(jī)動(dòng)靈活、成本低、部署周期短，具有多種用途，不但具備傳統(tǒng)航空、航天飛行器的諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備自身獨(dú)特的能力優(yōu)勢，一定程度上具有“偽衛(wèi)星”應(yīng)用特征，當(dāng)其搭載通信載荷開展應(yīng)用時(shí)，可提供超視距、大容量、機(jī)動(dòng)靈活的通信服務(wù)。

高空平臺(tái)通信網(wǎng)絡(luò)可以使用普通的地面移動(dòng)終端，是包括5G 網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的地面通信網(wǎng)絡(luò)和天基通信網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充和加強(qiáng)，是解決沿海、山地等復(fù)雜地形條件下的“寬帶通”、“遠(yuǎn)程通”和“動(dòng)中通”的有力手段，特別適用于5G 移動(dòng)通信的基站回傳和廣域覆蓋。近中期可以用于應(yīng)急通信場合，中長期可以作為移動(dòng)通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的一部分。

1 高空平臺(tái)定義和基本架構(gòu)

（1）定義

根據(jù)國際電信聯(lián)盟的定義，高空平臺(tái)是指位于距地球20～50 km 高度，并且相對(duì)于地球一個(gè)特定的標(biāo)稱固定點(diǎn)的平臺(tái)。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)是指利用高空平臺(tái)作為載具，提供通信服務(wù)的系統(tǒng)[6]。

（2）高空平臺(tái)通信系統(tǒng)基本架構(gòu)

典型的高空平臺(tái)通信系統(tǒng)通常由關(guān)口站、高空平臺(tái)和固定/移動(dòng)用戶終端構(gòu)成。

典型的高空平臺(tái)通信系統(tǒng)示意如圖1 所示。

圖1 高空平臺(tái)通信系統(tǒng)

高空平臺(tái)作為轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)，可以通過對(duì)無線電信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)起到延伸網(wǎng)絡(luò)覆蓋的作用，為沒有地面通信設(shè)施（光纖、微波等）的地方提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)由以下幾條鏈路組成。

關(guān)口站鏈路：即高空平臺(tái)系統(tǒng)的饋線鏈路。

HAPS 間鏈路：在關(guān)口站不宜部署（例如海面）時(shí)，高空平臺(tái)間可以通過HAPS 間鏈路回傳數(shù)據(jù)。

固定業(yè)務(wù)鏈路：使用固定業(yè)務(wù)頻率為固定臺(tái)站提供服務(wù)的鏈路。固定業(yè)務(wù)鏈路可以用于網(wǎng)絡(luò)接入，此時(shí)的固定臺(tái)站是高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的用戶終端，例如使用高空平臺(tái)通信系統(tǒng)用于提供數(shù)字廣播電視服務(wù)；此外，固定業(yè)務(wù)鏈路也可以用于其他通信系統(tǒng)的回傳，此時(shí)的固定臺(tái)站起到一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)的作用，例如高空平臺(tái)通信系統(tǒng)可作為移動(dòng)通信系統(tǒng)的回傳鏈路，在沒有光纖、微波通信資源的地區(qū)為2G、3G、4G 基站設(shè)備提供回傳。

移動(dòng)業(yè)務(wù)鏈路：使用移動(dòng)業(yè)務(wù)頻率為移動(dòng)用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入的鏈路。這種場景下，將移動(dòng)業(yè)務(wù)的基站設(shè)備作為載荷搭載在高空平臺(tái)上，直接為移動(dòng)終端（例如手機(jī)、集群對(duì)講機(jī)等）提供服務(wù)。

2 高空平臺(tái)應(yīng)用場景

高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的高度位于臨近空間，相當(dāng)于將承載地面臺(tái)站的鐵塔提高到20～50 km 的平流層中，當(dāng)仰角為10°時(shí)可覆蓋直徑達(dá)100 km 的區(qū)域，具備低成本大面積覆蓋的特點(diǎn)，可用于地面網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)的大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景。特別地，未來通過將5G 技術(shù)引入高空平臺(tái)通信系統(tǒng)，更可以實(shí)現(xiàn)廣域的大帶寬移動(dòng)通信接入，與地面5G 網(wǎng)絡(luò)形成良好補(bǔ)充[10]。

根據(jù)高空平臺(tái)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，其主要應(yīng)用場景如下：

（1）高空平臺(tái)通信系統(tǒng)可方便地在不便于架設(shè)地面基站的遠(yuǎn)海島嶼（礁）、邊遠(yuǎn)地區(qū)等提供通信接入。

（2）高空平臺(tái)通信系統(tǒng)具有快速部署的特點(diǎn)，因此特別適合于緊急事件或?yàn)?zāi)難事件的應(yīng)急通信應(yīng)用。

3 國際發(fā)展現(xiàn)狀

（1）ITU 積極推進(jìn)高空平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化工作

ITU-R 早在1997 年就開始高空平臺(tái)的研究工作，在2015年世界無線電大會(huì)（WRC-15）上，更是設(shè)立了WRC-19 1.14議題，促進(jìn)開展新技術(shù)條件下高空平臺(tái)的應(yīng)用研究，研究高空平臺(tái)頻率需求和可能的高空平臺(tái)新的頻譜劃分，候選頻段包括在全球范圍的38—39.5 GHz 和2 區(qū)21.4—22 GHz/24.25—27.5 GHz 頻段。最終在WRC-19 大會(huì)上新為全球劃分了38—39.5 GHz 頻段，為2 區(qū)新劃分了21.4—22 GHz（HAPS 到地面方向）、24.25—25.25 GHz（HAPS 到地面方向）、25.25—27.0 GHz（地面到HAPS 方向）和27.0—27.5 GHz（HAPS 到地面方向）用于HAPS 系統(tǒng)[3]。在WRC-19 大會(huì)上，為了進(jìn)一步促進(jìn)HAPS 的應(yīng)用，又特別設(shè)立了WRC-23 1.4 議題，考慮在全球或區(qū)域范圍內(nèi)，在已為國際移動(dòng)通信（IMT）確定的2.7 GHz 以下的某些頻段內(nèi)的移動(dòng)業(yè)務(wù)中，將高空平臺(tái)臺(tái)站用作IMT 基站（HIBS）[4-5]，研究的頻段包括：

694—960 MHz；

1 710—1 885 MHz（1 710—1 815 MHz 將僅用于3區(qū)中的上行鏈路）；

2 500—2 690 MHz（2 500—2 535 MHz 將僅用于3區(qū)中的上行鏈路，3 區(qū)中的2 655—2 690 MHz 除外）

當(dāng)前國際電聯(lián)《無線電規(guī)則》為HAPS 劃分的頻段信息和相關(guān)腳注匯總?cè)绫?、表2 所示[1-2,7]：

表1 無線電規(guī)則中IMT頻段用于HAPS的相關(guān)腳注

表2 無線電規(guī)則中FS業(yè)務(wù)頻段用于HAPS的相關(guān)腳注

（2）亞太地區(qū)開啟高空平臺(tái)相關(guān)研究和試驗(yàn)

在2018 年3 月召開的亞太電信組織2019 年世界無線電大會(huì)第三次準(zhǔn)備會(huì)議上，日本提交的文稿建議在未來世界無線電大會(huì)上設(shè)立一個(gè)新的議題，考慮在2 GHz左右和2 GHz 以下標(biāo)識(shí)給移動(dòng)通信的頻段上使用高空平臺(tái)電臺(tái)作為移動(dòng)通信基站。該會(huì)議隨即向亞太電信組織無線工作組發(fā)出聯(lián)絡(luò)函，要求其開展技術(shù)和操作相關(guān)的研究工作。2018 年4 月，亞太電信組織無線工作組批準(zhǔn)成立了高空平臺(tái)通信特設(shè)工作組，開始圍繞高空平臺(tái)電臺(tái)用于移動(dòng)通信基站的相關(guān)技術(shù)開展研究。目前已經(jīng)完成了《APT 國家HAPS 現(xiàn)有和未來計(jì)劃調(diào)研問卷》和《在2GHz 左右和2GHz 以下標(biāo)識(shí)給IMT 的頻段上使用HAPS作為IMT 基站的技術(shù)和操作分析》研究報(bào)告，并正在開展《固定業(yè)務(wù)使用HAPS 系統(tǒng)》報(bào)告書的制訂工作[8-9]。

日本軟銀控股的HAPSMobile 公司采用飛翼式無人機(jī)實(shí)現(xiàn)高空平臺(tái)通信，其無人機(jī)Hawk30 于2019 年10 月23日成功完成了24 個(gè)測試點(diǎn)，包括180°轉(zhuǎn)彎，以及更多的航電、電力和推進(jìn)性能測試。Hawk30 無人機(jī)計(jì)劃作為長航時(shí)、高空偽衛(wèi)星，將能裝載電信設(shè)備，并以蜂窩無線電向下發(fā)射的方式連接移動(dòng)電話、無人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)硬件等設(shè)備。HAPSMobile 公司稱，該型無人機(jī)能為約314 萬公頃（776 萬英畝）的區(qū)域傳輸蜂窩數(shù)據(jù)，能在約65 000 英尺的平流層中連續(xù)飛行6 個(gè)月，其由10 臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配備了鋰離子電池，這些電池由覆蓋在長78 m（256 英尺）翼體上的太陽能電池板充電。

（3）北美歐洲積極研發(fā)試驗(yàn)

近年來，谷歌、臉書、空中客車、德國電信、波音等公司積極開展高空平臺(tái)相關(guān)研發(fā)和試驗(yàn)。

谷歌的Project Loon 使用氣球?qū)崿F(xiàn)高空平臺(tái)應(yīng)用。谷歌氣球使用太陽能作為動(dòng)力，目前，谷歌氣球空中停留天數(shù)最長記錄長達(dá)190 天。2017 年3 月，秘魯受水災(zāi)影響，通信受到破壞，谷歌氣球與當(dāng)?shù)卣斑\(yùn)營商進(jìn)行合作，在72 小時(shí)內(nèi)為4 萬平方公里提供了超過160 GB 數(shù)據(jù)流量的臨時(shí)通信服務(wù)。2018 年9 月，谷歌氣球項(xiàng)目通過7個(gè)不同的氣球?qū)崿F(xiàn)了向近1 000 km 的范圍內(nèi)發(fā)送互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)。2020 年7 月在肯尼亞推出了首個(gè)商業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，通過約35 個(gè)氣球向肯尼亞運(yùn)營商Telkom 的用戶提供4G LTE 服務(wù)，覆蓋該國中西部地區(qū)約50 000 平方公里，包括首都內(nèi)羅畢。但是谷歌公司認(rèn)為LOON 的商業(yè)可行性之路比預(yù)期的要長得多，風(fēng)險(xiǎn)也更大，因此2021 年1 月宣布暫停了進(jìn)一步的商業(yè)化擴(kuò)展計(jì)劃。

空中客車公司采用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)高空平臺(tái)應(yīng)用?？湛脱邪l(fā)的Zephyr S 高空無人機(jī)系統(tǒng)翼展25 m，僅重75 kg，利用太陽能為螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。2018 年7 月，Zephyr S 持續(xù)飛行了25 天23 小時(shí)57 分鐘，打破高空飛行器的飛行時(shí)長記錄。2020 年的飛行試驗(yàn)包括起飛、爬升、巡航、升級(jí)的飛行控制和下降階段、以及成功的著陸，驗(yàn)證了飛機(jī)的敏捷性、控制和操作，證明了在軍事和商業(yè)市場中必不可少的無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）的晝夜平流層持久性。

德國電信及其合作伙伴英國初創(chuàng)公司Stratospheric Platforms于2020 年10 月19 日在地球的平流層成功測試了一個(gè)空中基站，一架在1.4 萬米高空飛行的遙控飛機(jī)，成功地將機(jī)載天線連接到地面4G 網(wǎng)絡(luò)。德國電信合作伙伴Stratospheric Platforms表示，其輕量級(jí)平臺(tái)的翼展為60 m，但重量只有3.5 噸，能在高空停留約9 天。該飛行器使用零排放氫燃料電池系統(tǒng)，比太陽能電池產(chǎn)生的電力要多得多。德國電信表示，這個(gè)空中基站可以覆蓋周圍140 km 的區(qū)域。該項(xiàng)目采用了5G Ready的LTE 技術(shù)，工作頻段為2.1 GHz，信道帶寬為10 MHz，可提供VoLTE 語音和數(shù)據(jù)通信。路測結(jié)果顯示，智能手機(jī)通過飛機(jī)上的天線連接德國電信的地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，下載速度可達(dá)70 Mbps，上傳速度達(dá)20 Mbps。同時(shí)，手機(jī)還可以在飛行平臺(tái)提供的小區(qū)與地面基站的小區(qū)之間實(shí)現(xiàn)來回切換。該項(xiàng)目還在開發(fā)支持6 GHz 以下和毫米波頻段的天線版本，以后HAPS 不但將用于解決室外廣覆蓋，還將用來解決室內(nèi)覆蓋，部署固定無線服務(wù)以替代固網(wǎng)家寬，以及覆蓋飛機(jī)等[11]。

（4）成立行業(yè)聯(lián)盟促進(jìn)高空平臺(tái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

由世界領(lǐng)先的電信、技術(shù)、飛行和航空航天領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者組建的HAPS 聯(lián)盟于2019 年初宣布成立。HAPS 聯(lián)盟的成員包括軟銀（Softbank）公司旗下的HAPSMobile，Alphabet旗下的Loon、AeroVironment，空中客車防務(wù)及航天公司（Airbus Defence and Space），巴帝電信（Bharti Airtel），中國電信，德國電信（Deutsche Telekom），愛立信，Intelsat US，諾基亞，軟銀和西班牙電信（Telefónica）。該聯(lián)盟共同致力于在地球平流層中使用高空飛行器來消除數(shù)字鴻溝，并將網(wǎng)絡(luò)連接帶給世界上更多的人群、地方和事物。HAPS 聯(lián)盟成立的目的在于，使各成員公司能夠與各國相關(guān)部門共同推動(dòng)高空平臺(tái)通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，建立協(xié)作式的HAPS 生態(tài)系統(tǒng)，制定共同的產(chǎn)品規(guī)范，促進(jìn)HAPS 網(wǎng)絡(luò)互操作性的標(biāo)準(zhǔn)化。

4 在我國的應(yīng)用前景分析和面臨的挑戰(zhàn)

受益于高空平臺(tái)本身的特點(diǎn)，高空平臺(tái)通信系統(tǒng)在我國具有廣泛的應(yīng)用前景。

（1）普遍服務(wù)

我國存在著很大部分例如沙漠、海洋等不便于架設(shè)地面基站的偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地區(qū)地面通信的使用維護(hù)成本過高。高空平臺(tái)自身具有大范圍對(duì)地/海面覆蓋能力，能夠?yàn)檫h(yuǎn)海島嶼（礁）、邊遠(yuǎn)地區(qū)等提供寬帶通信。例如，通過高空平臺(tái)通信系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)我國南海及島嶼的全域覆蓋，解決我國南海部分島礁無法架設(shè)基站、通信存在盲區(qū)的問題。

（2）緊急事件和災(zāi)難事件

我國幅員遼闊，自然災(zāi)害頻發(fā)。由于高空平臺(tái)具有快速部署和靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，因此特別適合于緊急事件或?yàn)?zāi)難事件，例如遇到大的自然災(zāi)害或突發(fā)事件，可以臨時(shí)升空或緊急調(diào)度一個(gè)高空通信平臺(tái)到事發(fā)地上空，為散布在現(xiàn)場的工作人員提供迅速可靠的通信聯(lián)絡(luò)保障。

當(dāng)前，高空平臺(tái)通信系統(tǒng)在我國的發(fā)展也面臨著一些問題和挑戰(zhàn)。

（1）飛行器平臺(tái)成熟度

我國在高空平臺(tái)飛行器設(shè)計(jì)方面技術(shù)發(fā)展很快，技術(shù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用的條件正在逐漸走向成熟，但在實(shí)踐階段和飛行經(jīng)驗(yàn)上距離實(shí)際商用還需進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，搭載的通信設(shè)備需求給平臺(tái)提出的續(xù)航能力要求及供電能力要求也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

（2）寬帶通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高空平臺(tái)飛行在距離地面20 km 的高空，受限于高空平臺(tái)的載重限制，搭載的通信設(shè)備需要輕量化。同時(shí)，通信設(shè)備需要工作在低氣溫、低氣壓的工作條件下，對(duì)設(shè)備內(nèi)部元器件的設(shè)計(jì)、溫度保持及整機(jī)散熱等方面都提出了更高的要求，通信系統(tǒng)需要做針對(duì)性的重新設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

我國幅員遼闊、海上疆域廣大，自然災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)于地形復(fù)雜偏遠(yuǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足的區(qū)域，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入形式難以滿足包括5G 在內(nèi)的信息網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的需求，高空平臺(tái)具有的大范圍對(duì)地/ 海面覆蓋能力和快速部署能力，可以為我國的應(yīng)急通信以及偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入提供便捷的實(shí)現(xiàn)方案。2023 年的國際電聯(lián)世界無線電大會(huì)（WRC-23）1.4 議題將進(jìn)一步研究將高空平臺(tái)臺(tái)站用作IMT 基站的技術(shù)、場景和部署問題，并確定全球或區(qū)域的統(tǒng)一實(shí)施頻段，可以預(yù)見大會(huì)議題將進(jìn)一步促進(jìn)推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈成熟和應(yīng)用創(chuàng)新。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，高空平臺(tái)通信系統(tǒng)將在我國得到更加廣泛的應(yīng)用和部署，并在普遍服務(wù)和抗震救災(zāi)等各個(gè)方面發(fā)揮重要作用。