高空平臺通信系統頻譜需求研究

劉為 溫文坤 趙丹 何雯 宋怡昕

【摘? 要】關注“輕于空氣”HAPS平臺通信技術的部署場景和系統特性，基于現有及可預期達到的無線通信水平，結合我國西北人口稀少地區以及西南人口密集山區的自然情況，對HAPS寬帶接入的頻譜需求進行了分析計算，結合我國典型地區的雨衰值、HAPS高空平臺及地面臺站的鏈路特性分析鏈路預算進行研究，結果顯示，利用HAPS在邊遠地區提供寬帶連接具備技術可行性。

【關鍵詞】高空平臺站;平流層通信;頻譜需求

中圖分類號：TN927

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）05-0065-07

1? ?引言

根據《無線電規則》的定義[1]，高空平臺站（HAPS， High Altitude Platform Station）是指位于距地面高度20 km～50 km（大氣平流層）并相對地球表面特定點保持固定的站點。應用現有無線接入技術，HAPS系統以較低建設成本覆蓋廣闊區域，適合于偏遠農村、海岸線、山脈、沙漠等地區的寬帶網絡服務。同時，HAPS系統部署靈活，受地理、天氣等外部環境因素影響小，可應用于災區救援等應急通信場景。上述特點使其具有廣泛應用前景。

ITU-R對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HAPS頻段劃分，形成ITU-R F.1500、F.1501、F.1819[2]等HAPS技術和操作特性、共存性分析等建議書和報告。其中，47 GHz/48 GHz頻段為全球范圍，28 GHz/31 GHz頻段為1區和3區的部分國家，6 GHz頻段僅適用于5個國家，上述頻段及其應用場景、帶寬及使用區域如表1所示[3]：

2015年世界無線電通信大會（WRC-15）通過了第160號決議，設立WRC-19 1.14議題，促進開展新技術條件下HAPS系統的應用研究[4]。決議確定研究HAPS系統的頻譜需求，包括修改現有HAPS無線規則以及研究新頻段擴展而新增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）。

2016年至2018年ITU-R WP5C已召開6次會議，起草了工作計劃、CPM報告、技術與操作特性研究報告和共用與兼容性分析研究報告等。各國結合本國應用需求分別提出系統技術特性和頻譜需求，采用不同的分析方法和天線模板對HAPS系統與其它無線電業務的兼容性開展研究。我國也設立了專門的議題研究小組，在此方面展開了研究，提交提案表達我國在此議題的觀點[5-19]，根據工作計劃，2019年2月的CPM-2會議主要目標是形成CPM報告草案，具備提交WRC-19大會的條件。

2? ?部署場景及系統特性

在HAPS應用體系架構中，高空平臺在距地面20km～50 km的高度徘徊飛行，為地面覆蓋地區固定用戶駐地設備（CPE， Custom Premised Equipment）提供寬帶接入服務，為網絡接入點連接用戶骨干網絡提供連接，以及提供臨時部署的應急通信服務。

HAPS系統主要特點包括：大范圍的視線（LOS， Line of Sight）連接、為固定CPE提供寬帶接入服務能力、在地面接入點之間提供連接，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，客戶終端設備）通過HAPS平臺接入互聯網。在此類場景中，設想的HAPS平臺覆蓋半徑至少為50 km，即覆蓋面積為7 854 km2。覆蓋區域劃分為多個小區，小區使用窄波束予以覆蓋，以時分或空分的方式接入小區多個用戶CPE。

3? ?頻譜需求分析

3.1? 概述

根據ITU-R WP5C 2017年11月會議主席報告附錄13[20]，HAPS業務包括特殊應用業務及連通性業務。特殊應用業務主要是應急通信;連通性業務是指在通信基礎設施假設困難地區提供節點間的寬帶連接，包括用戶設備與關口站以及用戶設備之間的連接。由于各國定義的連通性業務使用場景差異明顯，頻譜使用需求分析結果也有明確不同，具體數值范圍如表2所示。

頻譜需求取決于HAPS系統的業務容量以及技術操作特性，下文將結合國內需求說明頻譜需求的計算分析過程。

3.2? 業務容量測算

（1）業務容量測試方法說明

HAPS對覆蓋區的頻譜需求可根據人口密度、業務特性、前后向使用比例及業務滲透率等參數測算，方法如表3所示：

（2）國內業務容量需求分析

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

中國對HAPS主要應用設想是在邊遠地區提供寬帶連接，特別是西部地區。根據統計，互聯網發展指數的最后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，西部地區的特點是地域廣闊、人口總量少，除人口密集的城市和鄉鎮外，廣大農村地區、高原地區缺乏互聯網接入的地面通信基礎設施。而貴州、云南的地形以高原山地為主，主要困難在于農村地區布設地面基礎通信設施困難、成本過高。分析選取5省地區的2015年人口統計數據如表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，平均人口密度為9.05人/km2。基于2015年自然人口增長率為1.05%，粗略估計2020年增至每公里約9.54人/km2。為簡便考慮，后續相關計算中人口密度取值為10人/km2。

基于現有LTA HAPS系統技術能力，假定HAPS單點覆蓋半徑為50 km。根據《The Zettabyte Era： Trends and Analysis， 2016》（思科）[23]提供的數據，用戶月均IP流量將從2015年的10 GB/月，增長為2020年25GB/月，考慮移動視頻業務的增長，計算目標值調高為30 GB/月?；谏鲜龅貐^的人口分布數據，西藏、青海、新疆3省的平均業務流量模型如表5所示。

由上述計算結果可見，HAPS系統應該提供6.20 Gbit·s-1的鏈路吞吐量。假設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? 系統頻譜效率

HAPS系統的前向&反向鏈路的頻譜效率如表6所示：

系統頻譜效率取值參照DVB-S2X系統。其中，地面信關站（GW）與HAPS之間的位置相對固定，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個建議值（低、平均、高）用以推算不同信道條件下的系統帶寬需求。

3.4? 頻譜需求計算

（1）新疆、青海、西藏的廣域覆蓋

假定每個HAPS覆蓋范圍內地面設置2個GW，并處于不同方向，可通過2個波束實現隔離，因此設定頻譜復用因子為1。HAPS與CPE之間的通信假定采用5副多波束天線，每個天線有4個波束，并支持LHCP&RHCP極化復用。基于表4及表5計算所得的新疆、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、云南多山地形農村地區覆蓋

貴州、云南的人口密度高于中國西部地區，需要使用更多波束以提高系統容量。根據當前及可預見的技術發展，將HAPS最高波束數量設定為28個，其它參數與前文一致。貴州、云南二省平均頻譜需求如表8所示。

3.5? 小結

由上述頻譜需求計算結果可形成如下結論：

（1）西藏、青海、新疆區域，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、貴州地區頻譜需求劇增，需要新增38 GHz—39.5 GHz頻段，且鏈路預算要求能傳輸頻譜效率至少達到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域人口密度高（>100人/km2）的區域，其帶寬需求由表8給出。

4? ?操作技術特性研究

4.1? 雨衰考慮

根據ITU-R P.837-6 2012，我國及周邊地區降雨率統計分布如圖2所示。

根據圖中降雨分布，可得出國內如下典型地區的雨衰值，如表9所示：

從表9可見，我國典型區域雨衰分布差異較大。后續計算中采用典型的10 dB～12 dB雨衰余量。

4.2? 鏈路預算

（1）鏈路特性參數

考慮表10所示常用調制編碼方式特性[8， 13]。

HAPS通信載荷設備鏈路特性如表11所示[8， 13]：

考慮3種CPE地面站特性，如表12所示[8， 13]：

地面網關站鏈路特性如表13所示[8， 13]：

（2）鏈路預算結果

按前文所列出HAPS通信系統操作特性參數并考慮12 dB的雨衰影響，按自由空間損耗傳輸模型計算鏈路預算結果如表14所示：

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

5? ?結論

本文主要針對“輕于空氣”HAPS平臺通信技術的部署場景和系統特性進行介紹，基于現有及可預期達到的無線通信水平，結合我國西北人口稀少地區以及西南人口密集山區的自然情況，對HAPS寬帶接入的頻譜需求進行了分析計算。結合我國典型地區的雨衰值、HAPS高空平臺及地面臺站的鏈路特性，進行了鏈路預算分析，結果顯示，利用HAPS在邊遠地區提供寬帶連接具備技術可行性。

由于HAPS目前可行的工作頻段中，27.9 GHz—28.2 GHz/31 GHz—31.3 GHz頻段已有固定衛星等現有業務部署，在38 GHz—39.5 GHz頻段則有移動業務的共存，同時上述頻段也與IMT-2020候選頻段存在重疊，因此后續還將進一步開展HAPS系統的頻譜共存和兼容性研究工作。

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