面向6G的高空基站HIBS全球發展趨勢與分析

王婷婷，周瑤，劉吉鳳，牛憶瑩

（中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

2019 年6 月，工信部向四家運營商發放5G 牌照，5G 正式進入商用期。5G 聚焦基礎功能增強、大規模機器通信和垂直行業拓展三大方向，助力賦能各行各業，將人、物、行業的通信體驗提升到了新階段。隨著近年來5G 的快速發展，全球很多國家逐漸開始研究6G 通信技術，通過政策支持、資金投入、人力投入等方式推動6G 技術預研。相比5G，6G 網絡將更加泛在、智能、安全，通信網絡與大數據、人工智能深度融合，實現網絡智慧內生。同時，6G 網絡將實現空天地全方位覆蓋，滿足當前飛機、輪船、孤島等區域通信需求，彌合數字鴻溝[1-2]。

如圖1 所示，空天地一體化網絡通常包括三部分：由高、中、低軌衛星組成的天基網絡，由各種飛機、飛行器、高空平臺、低空平臺組成的空基網絡，以及由地面蜂窩網絡組成的地基網絡，三者有機融合、統一規劃，形成多層次、一體化的融合網絡[3]。其中，將高空平臺（HAPS,High Altitude Platform Stations）作為國際移動通信（IMT,International Mobile Telecommunication）基站，具有覆蓋范圍大、部署機動靈活、傳播損耗小等優勢，吸引了日本、德國、中國等多個國家的注意力，成為了ITU-R WRC-23 1.4議題、3GPP Release 15 至Release 18 的 研究重點之一。

圖1 空天地一體化網絡示意圖

1 HIBS全球標準化進展

從ITU-R、3GPP 層面推動形成HIBS 全球協調一致頻段、頻率規劃方案和設備技術規范，將有利于促進各國主管機構對HIBS 頻率進行統一劃分與分配，降低國家間邊境地區頻率干擾。同時也有助于推動HIBS 在全球的應用和發展，形成規模經濟，降低HIBS 設備與終端研發成本。

1.1 ITU-R

ITU-R 世界無線電大會（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務標識31.0—31.3 GHz、38.0—39.5 GHz 頻段，在部分地區或國家標識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，用于發展HAPS 固定業務。我國根據自身需要，以次要業務加入了現有的27.9 GHz—28.2 GHz 頻段HAPS 標識的腳注，為我國HAPS 現有應用獲得了國際規則地位。

2019 年WRC 大會上，日本推動HIBS 成為WRC-23 研究議題1.4，在全球或區域范圍內，在2.7 GHz 以下頻段已標識IMT 的頻段中，開展HIBS 用于移動通信服務的研究。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《無線電規則》第5.388A 款已標識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 系統架構、技術特性、頻譜需求、應用場景等研究，2021 年3 月WP5D 第37 次會議形成的HIBS 系統參數如表1 所示。目前WP5D 的討論焦點包括HIBS 高度、頻譜需求、天線模型等方面。ITU-R《無線電規則》規定HAPS 平臺高度在20 km 以上，目前的平臺制造技術很難在短時間內達到這個高度，降低平臺高度要求將有利于產業鏈發展，但需謹慎考慮高度對共存兼容性和靈敏度的影響。HIBS 業務在不同應用場景下的頻譜需求會有較大差異，為了保障HIBS 有足夠的頻譜帶寬，日本、巴西等國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IMT 頻譜的靈活使用。目前平臺基站的天線模型參考地面IMT 網絡的ITU-R M.2101 建議書，為了使HIBS 達到更好的覆蓋性能，天線模型的設計將是關鍵因素。

表1 ITU-R WP5D第37次會議HIBS系統參數

HIBS-網關的回傳鏈路是HIBS 系統的重要環節，由于回傳鏈路并不在ITU-R 1.4 議題的研究范疇內，HIBS議題的主要推動方日本計劃在下次亞太電信組織APT 無線通信組AWG-28 會議上，提出HIBS-網關回傳鏈路的新立項，以推動HIBS 系統的研究進展?；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 支持衛星網絡、空中平臺等非地面網絡（NTN,Non-Terrestrial Network）技術研究，NTN 網絡定位于服務IMT 未覆蓋或覆蓋不足的地區，為M2M/IoT 提供連續性覆蓋，增強IMT 網絡覆蓋能力與可靠性，同時提供多播、廣播業務。NTN 網絡中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，支持室內和室外用戶，可采用衛星或地面天線模型，并提出多種NTN 網絡架構設計。TR 38.821 研究和確定了NTN 網絡對NR 系統的潛在影響，并制定相關解決辦法，同時通過鏈路級和系統級仿真對NTN 網絡部署方案中的性能進行評估。

目前3GPP RAN4 主要聚焦HIBS 使用頻率與技術指標研究，通過在2 GHz 頻段開展HAPS FDD 對現有地面IMT 網絡的鄰頻干擾評估，根據5%吞吐量損失保護準則，分析共存兼容性研究數據，制定HAPS 基站ACLR、ACS 指標及UE 技術要求，形成統一技術規范，指導產品研發，推動全球產業鏈發展。

2 HIBS應用暢想與產業進展

2.1 HIBS應用場景

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，覆蓋半徑可達到100 km，總覆蓋范圍31 500 km2[5]。相比目前地面通信系統逐漸采用的高頻段，2.7 GHz 以下頻段的電磁波波長更長，更容易發生衍射，對障礙物的繞射能力更強，從而能夠提供更好的深度覆蓋性能。同時，HIBS 對自然災害的抗毀能力更強，我國近年地震、洪澇等自然災害頻發，通過快速部署HIBS 平臺，可為搶險救災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%，在偏遠山區、沙漠、戈壁、偏僻島嶼等區域，由于基站建設困難、成本高收益低等情況，很多地區目前仍覆蓋不足甚至無覆蓋。同時，隨著地面通信系統從2G、3G、4G 發展到5G，未來發展到B5G/6G，低頻資源基本飽和，逐漸向高頻發展。高頻電磁波傳播損耗更大，信號繞射能力弱，需采用大規模天線陣列，通過提高發射增益，達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 系統中，基站設備耗電比重接近70%，如何高效利用能源，提供大范圍、高可靠性的低成本覆蓋，是運營商向B5G、6G 發展必須解決的問題。

如圖2 所示，通過將HIBS 部署在地面IMT 部署薄弱的偏遠地區，單個平臺覆蓋100 km 半徑，可替代上千個5G 基站，多個平臺協同組網將大大擴大覆蓋范圍，既能解決地面基站建設選址難的問題，也能降低網絡部署成本與運營成本。當HIBS 與地面IMT 基站部署區域重疊時，可能會出現干擾問題。目前ITU-R WP5D 工作組正在對HIBS 與地面IMT 系統間的干擾問題及干擾抑制措施進行評估與研究。在無線電通信中，常見的干擾抑制措施有調整發射功率、設置PFD 限值、空間隔離、保護帶等。

圖2 HIBS覆蓋偏遠地區示意圖

（2）6G 物聯網

5G、6G 的愿景均提到萬物互聯、萬物智聯，地面5G 網絡由于頻率逐步升高，導致物理信道傳輸損耗增大，覆蓋性能不如3G/4G。在5G 三大應用場景中，相比eMBB 和URLLC，3GPP 對mMTC 的標準化工作進度緩慢、進展較小。如何解決萬物互聯，是6G 的重點研究方向和挑戰。通過HIBS 實現大規模傳感器終端的深度覆蓋，低成本解決物聯網通信，將有助于6G 實現萬物互聯，推動物聯網技術演進與商業落地。

2.2 產業鏈進展

HIBS 通過高空平臺搭載IMT 基站提供服務，目前IMT 通信技術不斷迭代更新，高空平臺的制造技術、平臺控制技術、電池續航能力、載荷能力等，成為制約HIBS 發展的關鍵。2012 年以來，太陽能電池、輕質復合材料、自動航空電子設備和天線技術等方面取得了突破性進展，太陽能無人機的性能大大提高。國際Google、Facebook 等科技公司已啟動了高空平臺研究與試驗工作，我國北京航空航天大學、中科院等單位也開展了平流層飛艇和太陽能無人機的攻關工作，推動HIBS 平臺制造技術發展。

2020 年2 月，HAPS 聯盟宣布成立，聚合了來自通信、航空航天領域的多家公司，包括軟銀子公司HAPS Mobile、谷歌Alphabet Loon、空中客車防務及航天公司、巴帝電信、中國電信、德國電信、愛立信、Intelsat US、諾基亞和西班牙電信等，初步形成全球產業鏈結構。HAPS 聯盟致力于推動高空平臺站HAPS 業務的發展，建立協作式的全球HAPS 生態系統，利用高空飛行器在全球范圍內提供通信服務，消除數字鴻溝。

2.3 HIBS通信試驗

隨著HIBS 平臺技術與通信技術的發展，國內外企業、研究機構開始聯合開展HIBS 通信網絡技術試驗與性能驗證，為HIBS 系統設計與業務發展提供實測數據支撐。

2020 年9 月，鵬程實驗室聯合中國聯通、中興通訊等多個廠家共同開展海洋立體通信外場試驗項目，通過空中平臺搭載5G 基站，與地面核心網拉遠傳輸構成整體組網，實現了空中基站對水面半徑20 km 的覆蓋，5G 天線設備性能指標良好。后續計劃繼續提升平臺高度，持續開展空中平臺通信技術攻關，助力空天地海一體化網絡發展。

2020 年10 月19 日，德國電信進行了HAPS 試驗，平臺高度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，與地面手機終端進行VoLTE 語音和數據通信服務，終端上下行速率分別達到20 Mbps 和70 Mbps，并實現了終端在HAPS 小區與地面IMT 小區間的切換。德國電信未來將在HAPS 平臺上安裝1028 天線單元的大規模天線陣列，通過發射多波束形成200 個小區，地面覆蓋直徑的目標為140 km。同年11 月，軟銀HAPS Mobile 公司和谷歌Loon LCC 公司開展了太陽能無人飛機系統Sunglider 測試，Sunglider 運行在平流層，服務鏈路為700 MHz 頻段，采用LTE 技術，回傳鏈路為70—80 GHz 毫米波頻段，實現了地面手機用戶與互聯網用戶間的視頻通話。

3 HIBS發展趨勢與技術挑戰

從整體來看，HIBS 目前發展勢頭良好。在頻率與技術標準化方面，ITU-R、3GPP 均已開展系統架構、系統特性、干擾共存等研究分析，推動頻率劃分與標準規范全球統一。HIBS 在ITU-R、3GPP 的標準化工作均在IMT工作組開展，也便于探索空基網絡與地基網絡融合方式，從無線空口協議、資源分配、調度等多個層面實現網絡深層次融合。在平臺制造技術方面，太陽能電池、天線技術、輕質復合材料等取得關鍵進展，國內外企業、高校、研究機構積極開展平臺研發與試飛。在產業鏈方面，由多家電信運營商、設備制造商、航空航天公司組成HAPS聯盟，開展多項HIBS 通信試驗，共同推動構建HIBS 全球協作式產業鏈。同時HIBS 可以直接利用成本低、技術成熟的IMT 終端，在終端產業鏈方面具有天然優勢。

3.1 頻率

頻率是通信網絡發展的基礎，頻段、帶寬、射頻指標、部署限制是影響HIBS 網絡性能指標與業務應用的關鍵因素。國際上對于是否研究HIBS 頻譜需求存在較大爭議，不開展頻譜需求研究而直接使用IMT 頻譜，預計在現有無線電監管規則框架下會面臨一定困難，同時也會引發一些主管機構的質疑。此外，目前低頻資源已劃分給多種空間、航空和地面業務使用，同鄰頻業務復雜，例如固定、廣播、衛星地球探測、氣象衛星、空間研究、航空移動、航空無線電導航、陸地移動等，涉及科學研究、宇宙探測、軍民使用的多個方面。為保障現有業務正常開展，需開展HIBS 與同鄰頻主要業務、部分易受影響的次要業務間的干擾分析，制定帶內帶外射頻指標和部署條件限制，這些限制條件也會影響HIBS 的設備能力。

3.2 技術

目前ITU-R、3GPP 等已開展高空基站頻率劃分、技術標準、網絡融合等方向的研究，部分HIBS 參數參考地面網絡。由于將基站升空后，覆蓋半徑迅速擴大，導致小區容量密度非常低。增大發射功率、擴大天線陣列等方式，由于HIBS 平臺能源與載荷受限，難以實現理想效果。如何設計平臺與終端天線模塊，滿足用戶各類業務的速率需求，兼顧平臺續航與服務性能，對HIBS 系統發展與業務性能具有重要意義。此外，HIBS 與地面IMT 基站高度相差20 km，信號傳輸存在時延差，TDD 模式下如何進行統一協議設計，終端在HIBS 小區與地面IMT 小區間如何切換，在網絡融合時也需要重點考慮。

4 結束語

本文對高空基站HIBS 全球產業進展現狀進行了總結，介紹了HIBS 在ITU-R、3GPP 等全球標準化組織的研究進展與技術焦點，總結了HIBS 系統優勢與潛在應用場景，從HIBS 平臺研發技術、通信技術、通信試驗等方面分析了產業鏈整體進展，最后提出HIBS 未來發展趨勢與關鍵技術挑戰。隨著ITU-R、3GPP 等標準化組織對HIBS 干擾共存研究的開展，逐步推進HIBS 頻率標識與劃分，平臺技術與通信技術協同發展，HIBS 產業也將進入快速發展階段，助力6G 實現泛在連接、萬物互聯愿景。