HAPS通信系統研究現狀及展望

李行政　中國移動通信集團設計院有限公司工程師張冬晨　中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師朱禹濤　中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

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HAPS通信系統研究現狀及展望

李行政中國移動通信集團設計院有限公司工程師
張冬晨中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師
朱禹濤中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

摘要：介紹了高空平流程電臺（HAPS）通信系統國內外研究與頻率劃分的情況，根據WRC15相關決議分析我國在下個ITU研究周期關于HAPS的主要研究內容，并進行相應的影響分析與技術展望。

關鍵詞：高空平臺通信系統；世界無線電通信大會；寬帶接入系統

1　引言

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

●應用于偏遠的農村、海岸線、山脈、沙漠等地區的網絡覆蓋。HAPS系統覆蓋面積大，可以使用已有的無線通信接入技術，以較低的建設成本覆蓋大面積區域。

●應用于災區通信或戰時通信。HAPS系統的部署受地理、天氣等外部環境因素影響較小，靈活可靠。

HAPS作為一種非常具有應用前景的技術，受到美國、歐盟、日本、韓國等國家和地區的廣泛關注，相關技術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，輕質復合材料、自主航空電子設備以及天線技術的發展，解決了HAPS短板問題，增加了其實際部署的可行性，Google、Facebook等科技公司也對該技術進行創新性研究及技術試驗。ITU長期以來一直開展HAPS相關技術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WRC研究周期內對HAPS技術進行立項，重點研究頻譜需求、候選頻段、關鍵技術以及現有頻率劃分的合理性及必要性等，以促進人們高空平臺系統獲得寬帶服務。本文將首先介紹HAPS技術的國內外研究進展，進而介紹世界無線通信大會對該技術的研究情況，并重點介紹WRC15形成的COM6/ 21號決議的內容，最后討論HAPS的影響分析及技術展望。

2　國內外研究情況

國外對HAPS系統研究起步較早，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研計劃，并取得了一定的技術積累。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的研發工作，有力推動了該技術的研究與實現。

2013年，Google正式對外公布Project Loon項目，計劃通過向大氣平流層發射大量搭載無線通訊設備的高空氣球（見圖1），建設一個環繞地球飛行的氣球帶，組成一個空中的無線“大網”，來為偏遠地區的人們提供無線網絡服務。據了解目前該項目已完成在新西蘭、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，而向地面發送的通訊信號則是使用了LTE技術，在巴西部署的氣球網絡傳速可達176Mbit/s，并同時為語音電話提供了的40Mbit/s的傳輸速度。Google公司計劃從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（聯邦通訊委員會）提交了申請文件。

FacebookCEO扎克伯格在MWC2016上談論了他們的互聯網無人機計劃，計劃在2016年晚些時候來測試他們的互聯網無人機Aquila（見圖2），希望借助Aquila來進行互聯網基礎性建設以此來讓那些沒有互聯網服務的地區享受到互聯網帶來的便利。Aquila無人機外殼上包裹上了太陽能電池板，保證了其續航能力，部署后可以在6～9萬英尺的高度盤旋長達90天，Aquila無人機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，我國在該研究領域的起步較晚，近年來也有部分高校或科研院所開展關鍵技術的預研，但在高空平臺的開發與制造方面與國外有較大的差距，且缺乏一手的測試數據。值得指出的是，中國移動、華為、中興等公司在中國通信標準化協會聯合牽頭開展“高空基站系統設備技術要求”的研究，并于2012年發布行業標準（YDB103-2012），該標準以2G、3G基站為例，規定了利用高空載體承載基站，實現高空基站的系統方案的技術要求，以及基站分系統、供電分系統、傳輸分系統和浮空器平臺分系統相關的技術要求。2015年底，中國移動也開展高空應急基站的試驗研究工作，采取安全性能高、負荷能力大、穩定性較高的氦氣艇搭載小型化4G設備（300～1000m），規避地形起伏遮擋，實現了遠距離的網絡覆蓋，同時也驗證了利用VoLTE解決災區應急語音通信問題。

綜上優缺點所述，根據現場焊縫的實際情況，適宜選擇這兩種方法或者兩者結合進行檢測，以符合標準要求和質量要求。

圖1　Google公司用于高空通信系統的高空氣球

圖2　Facebook公司用于高空通信系統的無人機

3　世界無線電通信大會研究情況

為了推動HAPS技術的研究與發展，世界無線電通信大會（WRC，World RadiocommunicationConference）在1997年便啟動了HAPS相關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系統做了標識（除2區），目前包括韓國、俄羅斯、印度、日本、菲律賓、朝鮮、越南等多個國家支持將上述頻段應用于HAPS系統；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務：1區和3區的1885～1980、2010～2025和2110～2170MHz頻段，2區的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，輕質復合材料、自主航空電子設備以及天線技術的發展，解決了HAPS短板問題，增加了其實際部署的可行性。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，計劃下一個研究周期內對HAPS技術進行立項，重點研究頻譜需求、候選頻段、關鍵技術等內容，以促進人民通過HAPS系統獲得寬帶服務。具體來講，該項目主要包括以下幾個方面。

●ITU-R研究HAPS的頻譜需求，以便在固定業務中提供寬帶連通性，同時考慮以下內容：

——HAPS系統的當前劃分與部署情況。

——HAPS寬帶系統的預期部署情形和相關需求，例如在偏遠地區。

——HAPS系統技術及操作特性，包括通過技術及高效的頻譜利用實現HAPS技術的演進及其部署。

——ITU-R研究在全球或區域層面上使用現有頻率劃分的適用性，同時考慮相應的規則條款，如現有HAPS頻率劃分相關的地域及技術限制。

●ITU-R開展將以下頻段應用于HAPS的可行性：

——在全球范圍內研究將38～39.5GHz頻段應用于HAPS技術的可行性。

——在2區研究將21.4～22和24.25～27.5GHz頻段應用于HAPS技術的可行性。

參考《中華人民共和國無線電頻率劃分規定》，目前我國在38～39.5GHz頻段及其附近頻段的業務劃分情況如表1所示。可以看出38～39.5GHz頻段已劃分給固定、衛星固定（空對地）、移動等業務。因此需開展HAPS與已有業務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、衛星固定（空對地）、衛星移動（空對地）、移動（航空移動除外）等多種業務，也有必須要開展HAPS與鄰頻系統的電磁兼容特性的研究工作。

●為了對現有業務予以保護，ITU-R開展候選頻段HAPS系統與已劃分業務的同頻兼容性研究，以及可能會涉及的鄰頻電磁兼容研究。

為了促進HAPS技術在我國的應用與發展，維護國家利益，我國也應積極跟蹤國際研究進展，盡快啟動國內HAPS頻譜需求、候選頻段、關鍵技術等內容的研究，并將研究成果輸入至ITU。根據WRC15會議的COM6/21號決議，我國相應的研究工作應至少包括但不限于以下4個方面：

——HAPS系統頻譜需求研究。

——HAPS系統關鍵技術研究，包括回傳技術、接入技術、組網技術等。

——我國HAPS候選頻段研究，重點考慮之前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，即定位在回傳或轉發等應用，但實際上HAPS未來的應用還可以是接入網部分，其未來頻率還可以使用地面移動通信的頻段。所以，當HAPS采用地面移動通信系統無線接入技術或頻率時，還需要評估其與地面公眾移動通信系統的共存干擾。

4　影響分析與展望

從目前的發展形勢來看，HAPS有望成為繼地面移動通信系統、衛星通信系統之后的第三種通信方式，且與地面移動通信系統、衛星通信系統相比，HAPS也有諸多優點，如覆蓋面積大、系統部署靈活、無線信道質量好等。

HAPS通信系統、衛星通信系統、地面移動通信系統的特性對比分析如表2所示。基于表2分析的HAPS技術的諸多優點，將是對現有運營商網絡部署方式的有效補充：鑒于其覆蓋面積大、部署容易的特點，該技術有望成為運營商解決偏遠地域低成本覆蓋的重要技術手段；鑒于其部署時間受環境因素影響較小的特點，該技術將為快速恢復災區通信提供了一種重要的選擇。

從Google、Facebook等科技公司技術研究及試驗的情況可以看出，目前HAPS無線接入技術發展趨勢是采用與地面移動通信系統相同的無線接入技術與頻率，而傳輸則采用較高的通信頻率，其組網方式如圖3所示。該組網方式的優點是用戶無需更換終端便可享用HAPS系統提供的寬帶接入服務，這樣更便于HAPS技術的快速應用及推廣，無需擔憂受限于終端產業的發展。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大HAPS系統的覆蓋范圍。

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

表1　我國38～39.5GHz頻段及鄰頻業務劃分情況

表2　3種通信系統特征對比

圖3　HAPS通信系統組網示意圖

5　結束語

本文介紹了世界無線電通信大會對HAPS技術研究與頻率劃分的現狀，并根據WRC15相關決議分析了我國在下一個WRC研究周期內關于HAPS議題的主要研究內容，為后續研究奠定基礎。同時，本文還調研了HAPS技術國內外研究進展情況，并進行了該技術的影響分析及展望。

參考文獻

［1］中華人民共和國工業和信息化部.中華人民共和國無線電頻率劃分規定［Z］.2014.

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［4］ITU. Provisional Final Acts World Radiocommunication Conference（WRC-15）［OL］. ITU，2015. http://www.itu.int/en/ ITU-R/conferences/wrc/2015/Pages/default.aspx.

［5］中國通信標準化協會.高空基站系統設備技術要求:YDB 103-2012［S/OL］.北京:中國通信標準化協會，2012. http:// www.ptsn.net.cn/standard/std_query/show-ydb-104-1.htm.

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）