HAPS通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望

李行政　中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司工程師張冬晨　中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級工程師朱禹濤　中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師

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HAPS通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望

李行政中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司工程師
張冬晨中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司高級工程師
朱禹濤中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師

摘要：介紹了高空平流程電臺（HAPS）通信系統(tǒng)國內(nèi)外研究與頻率劃分的情況，根據(jù)WRC15相關(guān)決議分析我國在下個(gè)ITU研究周期關(guān)于HAPS的主要研究內(nèi)容，并進(jìn)行相應(yīng)的影響分析與技術(shù)展望。

關(guān)鍵詞：高空平臺通信系統(tǒng)；世界無線電通信大會；寬帶接入系統(tǒng)

1　引言

高空平流層電臺（HAPS，High Altitude Platform Station）系統(tǒng)將無線基站安放在長時(shí)間停留在高空的飛行器上來提供電信業(yè)務(wù)。《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》將HAPS定義為位于地球20～50km的高度，并且相對于地球在一個(gè)特定的標(biāo)稱固定點(diǎn)的某個(gè)物體上的電臺。HAPS技主要有以下幾個(gè)典型的應(yīng)用場景：

●應(yīng)用于偏遠(yuǎn)的農(nóng)村、海岸線、山脈、沙漠等地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。HAPS系統(tǒng)覆蓋面積大，可以使用已有的無線通信接入技術(shù)，以較低的建設(shè)成本覆蓋大面積區(qū)域。

●應(yīng)用于災(zāi)區(qū)通信或戰(zhàn)時(shí)通信。HAPS系統(tǒng)的部署受地理、天氣等外部環(huán)境因素影響較小，靈活可靠。

HAPS作為一種非常具有應(yīng)用前景的技術(shù)，受到美國、歐盟、日本、韓國等國家和地區(qū)的廣泛關(guān)注，相關(guān)技術(shù)研究的起步也相對較早。近年來，隨著太陽能電池板效率、電磁能量密度的提升，輕質(zhì)復(fù)合材料、自主航空電子設(shè)備以及天線技術(shù)的發(fā)展，解決了HAPS短板問題，增加了其實(shí)際部署的可行性，Google、Facebook等科技公司也對該技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性研究及技術(shù)試驗(yàn)。ITU長期以來一直開展HAPS相關(guān)技術(shù)問題及頻率劃分的研究工作，在2015年的世界無線通信大會上，美國等國家成功推動WRC15形成COM6/21號決議，決定在下一個(gè)WRC研究周期內(nèi)對HAPS技術(shù)進(jìn)行立項(xiàng)，重點(diǎn)研究頻譜需求、候選頻段、關(guān)鍵技術(shù)以及現(xiàn)有頻率劃分的合理性及必要性等，以促進(jìn)人們高空平臺系統(tǒng)獲得寬帶服務(wù)。本文將首先介紹HAPS技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展，進(jìn)而介紹世界無線通信大會對該技術(shù)的研究情況，并重點(diǎn)介紹WRC15形成的COM6/ 21號決議的內(nèi)容，最后討論HAPS的影響分析及技術(shù)展望。

2　國內(nèi)外研究情況

國外對HAPS系統(tǒng)研究起步較早，美國、日本、韓國、德國、法國、英國、以色列等國家在2000年左右均已啟動國家級預(yù)研計(jì)劃，并取得了一定的技術(shù)積累。近年來，以Google、Facebook為代表的科技公司也啟動了高空基站通信系統(tǒng)的研發(fā)工作，有力推動了該技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)。

2013年，Google正式對外公布Project Loon項(xiàng)目，計(jì)劃通過向大氣平流層發(fā)射大量搭載無線通訊設(shè)備的高空氣球（見圖1），建設(shè)一個(gè)環(huán)繞地球飛行的氣球帶，組成一個(gè)空中的無線“大網(wǎng)”，來為偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們提供無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。據(jù)了解目前該項(xiàng)目已完成在新西蘭、巴西、美國加州等地的部署測試，其中高空氣球使用的傳輸頻率為71～76和81～86GHz之間，而向地面發(fā)送的通訊信號則是使用了LTE技術(shù)，在巴西部署的氣球網(wǎng)絡(luò)傳速可達(dá)176Mbit/s，并同時(shí)為語音電話提供了的40Mbit/s的傳輸速度。Google公司計(jì)劃從2016年初在美國全境展開為期兩年的部署測試，并已向美國FCC（聯(lián)邦通訊委員會）提交了申請文件。

FacebookCEO扎克伯格在MWC2016上談?wù)摿怂麄兊幕ヂ?lián)網(wǎng)無人機(jī)計(jì)劃，計(jì)劃在2016年晚些時(shí)候來測試他們的互聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)Aquila（見圖2），希望借助Aquila來進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)性建設(shè)以此來讓那些沒有互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的地區(qū)享受到互聯(lián)網(wǎng)帶來的便利。Aquila無人機(jī)外殼上包裹上了太陽能電池板，保證了其續(xù)航能力，部署后可以在6～9萬英尺的高度盤旋長達(dá)90天，Aquila無人機(jī)將在高空提供用戶可以搜尋得到的Wi-Fi和4G信號。

相比于國外，我國在該研究領(lǐng)域的起步較晚，近年來也有部分高校或科研院所開展關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研，但在高空平臺的開發(fā)與制造方面與國外有較大的差距，且缺乏一手的測試數(shù)據(jù)。值得指出的是，中國移動、華為、中興等公司在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會聯(lián)合牽頭開展“高空基站系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)要求”的研究，并于2012年發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YDB103-2012），該標(biāo)準(zhǔn)以2G、3G基站為例，規(guī)定了利用高空載體承載基站，實(shí)現(xiàn)高空基站的系統(tǒng)方案的技術(shù)要求，以及基站分系統(tǒng)、供電分系統(tǒng)、傳輸分系統(tǒng)和浮空器平臺分系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)要求。2015年底，中國移動也開展高空應(yīng)急基站的試驗(yàn)研究工作，采取安全性能高、負(fù)荷能力大、穩(wěn)定性較高的氦氣艇搭載小型化4G設(shè)備（300～1000m），規(guī)避地形起伏遮擋，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時(shí)也驗(yàn)證了利用VoLTE解決災(zāi)區(qū)應(yīng)急語音通信問題。

綜上優(yōu)缺點(diǎn)所述，根據(jù)現(xiàn)場焊縫的實(shí)際情況，適宜選擇這兩種方法或者兩者結(jié)合進(jìn)行檢測，以符合標(biāo)準(zhǔn)要求和質(zhì)量要求。

圖1　Google公司用于高空通信系統(tǒng)的高空氣球

圖2　Facebook公司用于高空通信系統(tǒng)的無人機(jī)

3　世界無線電通信大會研究情況

為了推動HAPS技術(shù)的研究與發(fā)展，世界無線電通信大會（WRC，World RadiocommunicationConference）在1997年便啟動了HAPS相關(guān)頻率的研究與劃分工作：WRC97會議對47.2～47.5GHz頻段上做了HAPS的標(biāo)識；后來考慮到47.2～47.5GHz頻段的雨衰特性，在WRC2000會議上又在27.9～28.2GHz（固定下行）/31～31.3GHz（固定上行）對HAPS系統(tǒng)做了標(biāo)識（除2區(qū)），目前包括韓國、俄羅斯、印度、日本、菲律賓、朝鮮、越南等多個(gè)國家支持將上述頻段應(yīng)用于HAPS系統(tǒng)；在WRC12會議上，澳大利亞、布基納法索、科特迪瓦、馬里和尼日利亞5個(gè)國家支持將6440～6520和6560～6640MHz分別作為HAPS到地面以及地面到HAPS的通信頻段。除此之外，在WRC-2000會議上形成的第221號決議，HAPS可以在以下頻段提供移動通信業(yè)務(wù)：1區(qū)和3區(qū)的1885～1980、2010～2025和2110～2170MHz頻段，2區(qū)的1885～1980和2110～2160MHz頻段。

近年來，隨著太陽能電池板效率、電磁能量密度的提升，輕質(zhì)復(fù)合材料、自主航空電子設(shè)備以及天線技術(shù)的發(fā)展，解決了HAPS短板問題，增加了其實(shí)際部署的可行性。在2015年底的WRC15會議上，美國等國家成功推動WRC15形成COM6/21號決議，計(jì)劃下一個(gè)研究周期內(nèi)對HAPS技術(shù)進(jìn)行立項(xiàng)，重點(diǎn)研究頻譜需求、候選頻段、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容，以促進(jìn)人民通過HAPS系統(tǒng)獲得寬帶服務(wù)。具體來講，該項(xiàng)目主要包括以下幾個(gè)方面。

●ITU-R研究HAPS的頻譜需求，以便在固定業(yè)務(wù)中提供寬帶連通性，同時(shí)考慮以下內(nèi)容：

——HAPS系統(tǒng)的當(dāng)前劃分與部署情況。

——HAPS寬帶系統(tǒng)的預(yù)期部署情形和相關(guān)需求，例如在偏遠(yuǎn)地區(qū)。

——HAPS系統(tǒng)技術(shù)及操作特性，包括通過技術(shù)及高效的頻譜利用實(shí)現(xiàn)HAPS技術(shù)的演進(jìn)及其部署。

——ITU-R研究在全球或區(qū)域?qū)用嫔鲜褂矛F(xiàn)有頻率劃分的適用性，同時(shí)考慮相應(yīng)的規(guī)則條款，如現(xiàn)有HAPS頻率劃分相關(guān)的地域及技術(shù)限制。

●ITU-R開展將以下頻段應(yīng)用于HAPS的可行性：

——在全球范圍內(nèi)研究將38～39.5GHz頻段應(yīng)用于HAPS技術(shù)的可行性。

——在2區(qū)研究將21.4～22和24.25～27.5GHz頻段應(yīng)用于HAPS技術(shù)的可行性。

參考《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》，目前我國在38～39.5GHz頻段及其附近頻段的業(yè)務(wù)劃分情況如表1所示。可以看出38～39.5GHz頻段已劃分給固定、衛(wèi)星固定（空對地）、移動等業(yè)務(wù)。因此需開展HAPS與已有業(yè)務(wù)的同頻部署干擾問題研究工作，評估頻率共享的可行性；另外，37.5～38GHz以及39.5～40GHz頻段也劃分給固定、衛(wèi)星固定（空對地）、衛(wèi)星移動（空對地）、移動（航空移動除外）等多種業(yè)務(wù)，也有必須要開展HAPS與鄰頻系統(tǒng)的電磁兼容特性的研究工作。

●為了對現(xiàn)有業(yè)務(wù)予以保護(hù)，ITU-R開展候選頻段HAPS系統(tǒng)與已劃分業(yè)務(wù)的同頻兼容性研究，以及可能會涉及的鄰頻電磁兼容研究。

為了促進(jìn)HAPS技術(shù)在我國的應(yīng)用與發(fā)展，維護(hù)國家利益，我國也應(yīng)積極跟蹤國際研究進(jìn)展，盡快啟動國內(nèi)HAPS頻譜需求、候選頻段、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容的研究，并將研究成果輸入至ITU。根據(jù)WRC15會議的COM6/21號決議，我國相應(yīng)的研究工作應(yīng)至少包括但不限于以下4個(gè)方面：

——HAPS系統(tǒng)頻譜需求研究。

——HAPS系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，包括回傳技術(shù)、接入技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)等。

——我國HAPS候選頻段研究，重點(diǎn)考慮之前WRC會議已劃分頻段。

——研究我國將38～39.5GHz頻段作為HAPS候選頻段的可行性。

需要指出的是，目前關(guān)于HAPS的頻率研究主要考慮是HAPS為固定的，即定位在回傳或轉(zhuǎn)發(fā)等應(yīng)用，但實(shí)際上HAPS未來的應(yīng)用還可以是接入網(wǎng)部分，其未來頻率還可以使用地面移動通信的頻段。所以，當(dāng)HAPS采用地面移動通信系統(tǒng)無線接入技術(shù)或頻率時(shí)，還需要評估其與地面公眾移動通信系統(tǒng)的共存干擾。

4　影響分析與展望

從目前的發(fā)展形勢來看，HAPS有望成為繼地面移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)之后的第三種通信方式，且與地面移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，HAPS也有諸多優(yōu)點(diǎn)，如覆蓋面積大、系統(tǒng)部署靈活、無線信道質(zhì)量好等。

HAPS通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、地面移動通信系統(tǒng)的特性對比分析如表2所示。基于表2分析的HAPS技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，將是對現(xiàn)有運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)部署方式的有效補(bǔ)充：鑒于其覆蓋面積大、部署容易的特點(diǎn)，該技術(shù)有望成為運(yùn)營商解決偏遠(yuǎn)地域低成本覆蓋的重要技術(shù)手段；鑒于其部署時(shí)間受環(huán)境因素影響較小的特點(diǎn)，該技術(shù)將為快速恢復(fù)災(zāi)區(qū)通信提供了一種重要的選擇。

從Google、Facebook等科技公司技術(shù)研究及試驗(yàn)的情況可以看出，目前HAPS無線接入技術(shù)發(fā)展趨勢是采用與地面移動通信系統(tǒng)相同的無線接入技術(shù)與頻率，而傳輸則采用較高的通信頻率，其組網(wǎng)方式如圖3所示。該組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)是用戶無需更換終端便可享用HAPS系統(tǒng)提供的寬帶接入服務(wù)，這樣更便于HAPS技術(shù)的快速應(yīng)用及推廣，無需擔(dān)憂受限于終端產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另外，無線接入采用較低的通信頻率也是考慮到低頻段信號傳播、穿透損耗比較小，這在一定程度上可以擴(kuò)大HAPS系統(tǒng)的覆蓋范圍。

但是，科技公司借助HAPS系統(tǒng)推廣的該類無線寬帶接入服務(wù)將無疑對現(xiàn)有移動通信運(yùn)營商的寬帶接入業(yè)務(wù)帶來一定的沖擊。另一方面，即便是運(yùn)營商部署HAPS系統(tǒng)，若HAPS采用地面移動通信系統(tǒng)的接入技術(shù)、頻率（或鄰頻）時(shí)，可能會產(chǎn)生與地面移動通信系統(tǒng)間的互干擾問題，因此在部署前也需要進(jìn)行全面的電磁兼容研究。

表1　我國38～39.5GHz頻段及鄰頻業(yè)務(wù)劃分情況

表2　3種通信系統(tǒng)特征對比

圖3　HAPS通信系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

5　結(jié)束語

本文介紹了世界無線電通信大會對HAPS技術(shù)研究與頻率劃分的現(xiàn)狀，并根據(jù)WRC15相關(guān)決議分析了我國在下一個(gè)WRC研究周期內(nèi)關(guān)于HAPS議題的主要研究內(nèi)容，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，本文還調(diào)研了HAPS技術(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展情況，并進(jìn)行了該技術(shù)的影響分析及展望。

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Research and prospect of high altitude platform station

Li Xingzheng，Zhang Dongchen，Zhu Yutao

Abstract：This paper introduces the research progress and frequency allocation of high altitude platform station （HAPS）， and then analyze the main research contents of HAPS in the next ITU research period according to the relevant resolution of WRC15. In addition， the influence and technology prospect ofHAPSis given in this paper.

Keywords：high altitude platform station； world radiocommunication conference； broadband access system

收稿日期：（2016-03-11）