高空平台通信系统频谱需求研究

刘为 温文坤 赵丹 何雯 宋怡昕

【摘  要】关注“轻于空气”HAPS平台通信技术的部署场景和系统特性，基于现有及可预期达到的无线通信水平，结合我国西北人口稀少地区以及西南人口密集山区的自然情况，对HAPS宽带接入的频谱需求进行了分析计算，结合我国典型地区的雨衰值、HAPS高空平台及地面台站的链路特性分析链路预算进行研究，结果显示，利用HAPS在边远地区提供宽带连接具备技术可行性。

【关键词】高空平台站;平流层通信;频谱需求

中图分类号：TN927

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）05-0065-07

1   引言

根据《无线电规则》的定义[1]，高空平台站（HAPS， High Altitude Platform Station）是指位于距地面高度20 km～50 km（大气平流层）并相对地球表面特定点保持固定的站点。应用现有无线接入技术，HAPS系统以较低建设成本覆盖广阔区域，适合于偏远农村、海岸线、山脉、沙漠等地区的宽带网络服务。同时，HAPS系统部署灵活，受地理、天气等外部环境因素影响小，可应用于灾区救援等应急通信场景。上述特点使其具有广泛应用前景。

ITU-R对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三个HAPS频段划分，形成ITU-R F.1500、F.1501、F.1819[2]等HAPS技术和操作特性、共存性分析等建议书和报告。其中，47 GHz/48 GHz频段为全球范围，28 GHz/31 GHz频段为1区和3区的部分国家，6 GHz频段仅适用于5个国家，上述频段及其应用场景、带宽及使用区域如表1所示[3]：

2015年世界无线电通信大会（WRC-15）通过了第160号决议，设立WRC-19 1.14议题，促进开展新技术条件下HAPS系统的应用研究[4]。决议确定研究HAPS系统的频谱需求，包括修改现有HAPS无线规则以及研究新频段扩展而新增HAPS频谱分配。新增频谱包括38 GHz—39.5 GHz（全球）、21.4 GHz—22 GHz和24.25 GHz—27.5 GHz（2区）。

2016年至2018年ITU-R WP5C已召开6次会议，起草了工作计划、CPM报告、技术与操作特性研究报告和共用与兼容性分析研究报告等。各国结合本国应用需求分别提出系统技术特性和频谱需求，采用不同的分析方法和天线模板对HAPS系统与其它无线电业务的兼容性开展研究。我国也设立了专门的议题研究小组，在此方面展开了研究，提交提案表达我国在此议题的观点[5-19]，根据工作计划，2019年2月的CPM-2会议主要目标是形成CPM报告草案，具备提交WRC-19大会的条件。

2   部署场景及系统特性

在HAPS应用体系架构中，高空平台在距地面20km～50 km的高度徘徊飞行，为地面覆盖地区固定用户驻地设备（CPE， Custom Premised Equipment）提供宽带接入服务，为网络接入点连接用户骨干网络提供连接，以及提供临时部署的应急通信服务。

HAPS系统主要特点包括：大范围的视线（LOS， Line of Sight）连接、为固定CPE提供宽带接入服务能力、在地面接入点之间提供连接，以及快速部署、易于维修。

图1展示了一种“轻于空气”（LTA， Lighter Than Air）HAPS的部署案例，即用户CPE（Customer Premise Equipment，客户终端设备）通过HAPS平台接入互联网。在此类场景中，设想的HAPS平台覆盖半径至少为50 km，即覆盖面积为7 854 km2。覆盖区域划分为多个小区，小区使用窄波束予以覆盖，以时分或空分的方式接入小区多个用户CPE。

3   頻谱需求分析

3.1  概述

根据ITU-R WP5C 2017年11月会议主席报告附录13[20]，HAPS业务包括特殊应用业务及连通性业务。特殊应用业务主要是应急通信;连通性业务是指在通信基础设施假设困难地区提供节点间的宽带连接，包括用户设备与关口站以及用户设备之间的连接。由于各国定义的连通性业务使用场景差异明显，频谱使用需求分析结果也有明确不同，具体数值范围如表2所示。

频谱需求取决于HAPS系统的业务容量以及技术操作特性，下文将结合国内需求说明频谱需求的计算分析过程。

3.2  业务容量测算

（1）业务容量测试方法说明

HAPS对覆盖区的频谱需求可根据人口密度、业务特性、前后向使用比例及业务渗透率等参数测算，方法如表3所示：

（2）国内业务容量需求分析

HAPS系统具有部署方式简便灵活的特点，基本不受地形或气候影响，特别是LTA HAPS系统，借助太阳能、高效蓄电池等新能源技术可持久工作[2， 5]。相比于在山地、高原等施工困难的区域布设地面通信基础设施，HAPS能够以更低的成本、更快的建设周期覆盖上述人口稀疏地区，消除互联网鸿沟。

中国对HAPS主要应用设想是在边远地区提供宽带连接，特别是西部地区。根据统计，互联网发展指数的最后6名均位于西部[21]，依次是贵州、新疆、甘肃、宁夏、青海和西藏。其中，西部地区的特点是地域广阔、人口总量少，除人口密集的城市和乡镇外，广大农村地区、高原地区缺乏互联网接入的地面通信基础设施。而贵州、云南的地形以高原山地为主，主要困难在于农村地区布设地面基础通信设施困难、成本过高。分析选取5省地区的2015年人口统计数据如表4所示[22]：

在西藏、青海、新疆约占全国土地面积三分之一的地区，平均人口密度为9.05人/km2。基于2015年自然人口增长率为1.05%，粗略估计2020年增至每公里约9.54人/km2。为简便考虑，后续相关计算中人口密度取值为10人/km2。

基于现有LTA HAPS系统技术能力，假定HAPS单点覆盖半径为50 km。根据《The Zettabyte Era： Trends and Analysis， 2016》（思科）[23]提供的数据，用户月均IP流量将从2015年的10 GB/月，增长为2020年25GB/月，考虑移动视频业务的增长，计算目标值调高为30 GB/月。基于上述地区的人口分布数据，西藏、青海、新疆3省的平均业务流量模型如表5所示。

由上述计算结果可见，HAPS系统应该提供6.20 Gbit·s-1的链路吞吐量。假设前向链路与反向链路

的比值为7：1，则前向链路最大容量为5.425 Gbit·s-1。

3.3  系统频谱效率

HAPS系统的前向&反向链路的频谱效率如表6所示：

系统频谱效率取值参照DVB-S2X系统。其中，地面信关站（GW）与HAPS之间的位置相对固定，通信链路采用更高增益的定向天线，因此采用5.5 bit·s-1·Hz-1的最高值;而地面CPE与HAPS之间的链路给出了3个建议值（低、平均、高）用以推算不同信道条件下的系统带宽需求。

3.4  频谱需求计算

（1）新疆、青海、西藏的广域覆盖

假定每个HAPS覆盖范围内地面设置2个GW，并处于不同方向，可通过2个波束实现隔离，因此设定频谱复用因子为1。HAPS与CPE之间的通信假定采用5副多波束天线，每个天线有4个波束，并支持LHCP&RHCP极化复用。基于表4及表5计算所得的新疆、青海、西藏的平均频谱需求如表7所示：

其中，名义总带宽需求指HAPS链路总吞吐率/频谱效率。

（2）贵州、云南多山地形农村地区覆盖

贵州、云南的人口密度高于中国西部地区，需要使用更多波束以提高系统容量。根据当前及可预见的技术发展，将HAPS最高波束数量设定为28个，其它参数与前文一致。贵州、云南二省平均频谱需求如表8所示。

3.5  小结

由上述频谱需求计算结果可形成如下结论：

（1）西藏、青海、新疆区域，使用28 GHz/31 GHz频段，上下行各300 MHz带宽可以满足要求。

（2）云南、贵州地区频谱需求剧增，需要新增38 GHz—39.5 GHz频段，且链路预算要求能传输频谱效率至少达到3.3 bit·s-1·Hz-1以上。

（3）建议28 GHz/31 GHz频段的上下行各300 MHz带宽主要用于西部人口密度低（<10人/km2）的区域，其带宽需求由表7给出。

（4）新增38 GHz—39.5 GHz频段可考虑用于西南部高原区域人口密度高（>100人/km2）的区域，其带宽需求由表8给出。

4   操作技术特性研究

4.1  雨衰考虑

根据ITU-R P.837-6 2012，我国及周边地区降雨率统计分布如图2所示。

根据图中降雨分布，可得出国内如下典型地区的雨衰值，如表9所示：

从表9可见，我国典型区域雨衰分布差异较大。后续计算中采用典型的10 dB～12 dB雨衰余量。

4.2  链路预算

（1）链路特性参数

考虑表10所示常用调制编码方式特性[8， 13]。

HAPS通信载荷设备链路特性如表11所示[8， 13]：

考虑3种CPE地面站特性，如表12所示[8， 13]：

地面网关站链路特性如表13所示[8， 13]：

（2）链路预算结果

按前文所列出HAPS通信系统操作特性参数并考虑12 dB的雨衰影响，按自由空间损耗传输模型计算链路预算结果如表14所示：

由表14可见，地面网关可部署高增益天线，链路预算充裕，而用户链路则较低。但即使是存在雨衰的情况下，CPE使用小口径天线时链路预算也满足中高阶调制（16QAM）使用要求，使用大口径天线时满足高阶调制（64QAM）使用要求。没有雨衰影响情况下，均可使用高阶调制。因此，链路预算的分析表明HAPS可以满足系统容量要求。

5   结论

本文主要针对“轻于空气”HAPS平台通信技术的部署场景和系统特性进行介绍，基于现有及可预期达到的无线通信水平，结合我国西北人口稀少地区以及西南人口密集山区的自然情况，对HAPS宽带接入的频谱需求进行了分析计算。结合我国典型地区的雨衰值、HAPS高空平台及地面台站的链路特性，进行了链路预算分析，结果显示，利用HAPS在边远地区提供宽带连接具备技术可行性。

由于HAPS目前可行的工作頻段中，27.9 GHz—28.2 GHz/31 GHz—31.3 GHz频段已有固定卫星等现有业务部署，在38 GHz—39.5 GHz频段则有移动业务的共存，同时上述频段也与IMT-2020候选频段存在重叠，因此后续还将进一步开展HAPS系统的频谱共存和兼容性研究工作。

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