高空平台通信系统频谱划分综述

郎 磊，赵 丹，宋志群*

(1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2．中国人民解放军军事科学院系统工程研究院，北京 100039 )

0 引言

高空平台通信系统由高空平台站(High Altitude Platform Stations,HAPS)、地面关口站和用户终端组成。根据国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)《无线电规则》定义，高空平台站是指距离地表20～50 km并相对于地表某一特定的标称固定点保持固定的台站[1]，业内也将HAPS作为高空平台通信系统的简称。

HAPS可以作为地面移动通信网和天基卫星通信网的强有力补充，为陆地偏远地区和海上用户提供宽带无线接入和海量物联等信息服务，也可为抢险救灾等应急通信领域提供通信保障，具有广泛的应用前景。国际电信联盟无线电通信局 (ITU-R)对HAPS的研究始于20世纪90年代末，早期HAPS系统的发展理念以通信信号的广覆盖为目的，为地面和海上用户提供直接接入服务，至2012年世界无线电通信大会(World Radiocommunication Conference,WRC)已完成多个频段划分和技术建议[2]。具体来说，是为HAPS业务划分了47/48 GHz，28/31 GHz，6 GHz三个可用频段。其中47/48 GHz频段为全球频段，28/31 GHz频段指定用于1区(阿拉伯国家、非洲、欧洲、独联体国家)和3区(亚洲和太平洋)的部分国家，6 GHz频段用于HAPS关口站通信，仅可用于澳大利亚等5个国家。国际电信联盟同时完成了一系列相关的技术和操作特性及兼容性研究等方面的建议书和报告，由于作为有效载荷平台的平流层飞行器关键技术一直没有取得根本性突破，未有成熟的高空平台出现，因此HAPS业务没有真正得到应用[3]。

自2012年以来，随着太阳能电池、轻质复合材料、自动航空电子设备和天线技术等方面取得了突破性进展，以平流层飞艇、平流层飘空气球和平流层太阳能无人机为承载平台的HAPS应用可行性大大提高，HAPS系统的发展理念演进到作为应急通信和陆上偏远地区、海上用户提供宽带接入和物联服务，地面接入设备不再是普通用户终端，而是用户数据终端(Customer Premise Equipment,CPE)，再由CPE设备转换成WiFi信号提供给最终用户使用。目前可供HAPS全球使用的频谱带宽较窄且使用受限，不能满足将来HAPS频谱需求。基于上述考虑,WRC-15大会上通过了第160号决议，设立WRC-19 1.14议题，期望通过开展新技术条件下的HAPS系统研究工作，对现有HAPS频率划分的修改和对新增频段的研究来扩展HAPS的频谱标识[4]。

自2016年起，在ITU-R WP5C工作组研究框架下，就HAPS工作计划、大会预备报告(CPM)，频谱需求与技术操作特性研究，共存与兼容性研究等方面开展了大量的工作。工信部无管局设立了1.14议题研究小组，就国内关切的28/31 GHz，38～39.5 GHz等频段开展了详细研究，并以提案形式向ITU-R工作组提交了研究成果[5-10]。在埃及沙姆沙伊赫召开的WRC-19大会上，与会各国频谱主管部门与业界专家就HAPS事项研究工作1.14议题进行了广泛深入地讨论，最终达成了关于HAPS系统的最新频率划分。

本文将回顾WRC-19 1.14议题的研究过程，分别就HAPS平台与技术特性、频谱需求以及主要关切方观点、WRC-19大会HAPS频段划分、未来WRC-23大会对HAPS系统的进一步研究等几方面展开详细分析。

1 HAPS平台与技术操作特性

1.1 HAPS平台介绍

HAPS系统分为平台部分和载荷部分。平台部分主要分为平流层飞艇、平流层飘空气球以及平流层太阳能无人机三大类。下面分别就上述三类平台进行介绍。

平流层飞艇以法国泰雷兹集团阿莱尼亚宇航公司的平流层巴士(Stratobus)为代表，概念图如图1所示。

图1 泰雷兹集团“平流层巴士”概念图Fig.1 Conceptual design of stratobus

平流层巴士长140 m，体积85 000 m3，重达8 300 kg，可携带最多450 kg有效载荷在18～20 km高度平流层飞行，使用太阳能电池板供电，可以抵抗90 km/h的平流层风速，可在平流层高度定点执行环境监控、安全监视与区域通信覆盖任务[11]。

中国电子科技集团公司第三十八研究所、北京航空航天大学等单位也陆续开展了平流层飞艇的设计、制造与测试工作，基本性能与国际水平相当，在平流层飞艇这一领域，国内基本与国际水平相当，研制进度较国际上更快一些，预计在2025年左右可以看到较为成熟的平流层飞艇系统进入到实际应用阶段。

平流层飘空气球以谷歌公司的“龙”计划气球为代表，如图2所示。

图2 谷歌公司“龙”计划平流层飘空气球Fig.2 Google project loon balloon

谷歌气球可在18～25 km的平流层高度飞行，携带4G-LTE载荷部署空中无线网络，使用来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的风速数据识别出具有所需速度和方向的风层之后，通过调整气球气囊中氦气与空气的比例，来控制气球在平流层中的海拔高度，利用不同风层的风向不同的特点，平流层飘空气球可在一定区域内盘旋，实现为特定区域地面用户提供网络接入的能力[12]。

平流层太阳能无人机以空客公司“西风”系列无人机为代表，如图3所示。

图3 空客公司“西风”太阳能无人机Fig.3 Airbus zephyr strato-solar drone

“西风”无人机是世界领先的太阳能平流层无人机，可执行全球的防务、环境监测、通信覆盖等多种任务，目前已经完成在平流层的长期飞行测试，并交付给用户三架，其依靠太阳能电池作为能源，单次飞行能力为1个月左右，将卫星的持久性与无人机的灵活性有机结合在一起。“西风”无人机为生产型Zephyr S，其翼展为25 m，质量75 kg，可搭载5～12 kg的光学载荷、传感器和通信设备等有效载荷，可为任务载荷提供250 W的供电能力；而目前正在开发中的较大型Zephyr T的翼展为33 m，质量140 kg，更大的尺寸使其能够容纳更大质量的有效载荷[13]。

中国航天科技集团公司第十一研究院研制的“彩虹”太阳能无人机在2017年圆满完成临近空间飞行试验，其翼展45 m，留空时间大于24 h，升限超过20 km，载荷能力约为20 kg。

1.2 HAPS有效载荷介绍

通信有效载荷包括移动通信载荷、毫米波通信载荷以及激光通信载荷等。谷歌平流层飘空气球搭载的有效通信载荷可快速为通信受限地区提供网络连接服务[14]。

最初谷歌为飘空气球配备的是使用2.4 GHz和5.8 GHz ISM频段的通信设备，可以向用户提供与3G相当的速度，随后与当地运营商合作，搭载广域覆盖的eNodeB LTE基站，一个高速定向链路和一个备用无线电通信设备，如图4所示。目前尚不清楚如何修改依赖短通信时间的技术(例如VoIP)，使其在类似于移动电话的环境中工作，在移动电话中，信号必须通过多个气球中继才能到达更广泛的互联网。每个飘空气球可覆盖地面直径约40 km的区域，可同时为数百人提供接入服务。目前谷歌的气球网络可以覆盖地面多达5 000 km2，单手机用户可达15 Mbit/s的通信速度，CPE设备可达40 Mbit/s的通信速度。

图4 谷歌气球LTE载荷Fig.4 Google balloon LTE payload

谷歌公司还尝试在飘空气球平台之间用激光通信，如图5所示，实现平台间信息的中继与组网功能，已经实现了100 km的距离内155 Mbit/s的数据速率[15]。

图5 谷歌气球间激光通信设备Fig.5 Google balloon inter-laser link

此外脸书公司之前也测试了基于天鹰无人机(Aquila)的毫米波通信设备，如图6所示，该设备实现了13 km 距离上以20 Gbit/s的速度，所使用的毫米波通信组件包括仅使用105 W总功耗和2 GHz带宽的发射器和接收器，主要实现HAPS平台的信息回传[16]。

图6 脸书公司天鹰无人机毫米波测试Fig.6 Facebook Aquila drone millimeter wave communication test

1.3 HAPS系统技术操作特性与部署场景介绍

HAPS系统由平流层平台和所搭载的通信载荷组成，该平台在预定平流层高度飞行，为平台下底中心点给定半径内50 km内的地面用户提供通信服务，如图7所示。HAPS与服务区域内地面上的若干固定CPE进行通信，并且通过平台服务区域内关口站进行数据回传。

图7 HAPS系统服务区域Fig.7 HAP system service area

每个HAPS平台都可为以下底中心点为圆心、半径Ruser的范围提供通信覆盖，在20 km高度下，HAPS平台最多可以覆盖半径50 km的区域。

HAPS平台升至平流层后，其位置可能随时间推移而变化，但需按照要求在一个圆柱形空间范围内运动，如图8所示。

图8 HAPS活动范围示意图Fig.8 HAPS volume of movement

HAPS平台的飞行路径需要保持在该圆柱体体积内。圆柱体半径RHAPS是指平台在提供服务时距离标称中心的最大距离。Amin是平台的最低高度，Amax是平台的最高高度。典型的HAPS平台飞行特性参数如表1所示。

表1 HAPS平台几何参数特性Tab.1 HAPS platform geometric characteristics

图9为ITU建议的HAPS系统应用场景[17]，该场景是针对无信息接入服务的陆上偏远地区，说明HAPS系统与地面上CPE设备和关口站(Gateway)的连接关系，它们共同提供宽带接入。ITU 最新定义的HAPS系统是空中的移动通信基础设施，依靠其对地通信覆盖的能力，将偏远地区的地面小型网络设施与移动服务提供商 (ISP) 网关连接起来，一般情况下地面的小型网络是以CPE设备作为地面的接入节点。

图9 ITU建议HAPS系统应用场景Fig.9 ITU HAPS scenario

HAPS系统根据需求将波束指向用户CPE或地面关口站，如图10所示，在CPE波束覆盖区域部署用户终端设备，将ISP信息通过其他有线(网线)或无线方式(WiFi)重新分配给最终用户，从而实现未连接区域用户的网络接入。

图10 HAPS覆盖区域及CPE/关口站波束覆盖区域Fig.10 HAPS coverage and CPE/GW beam coverage area

2 频谱需求分析

2.1 概述

HAPS系统频谱需求分析是基于其具体的应用场景，在WRC-19 1.14议题框架下定义了两种HAPS系统应用场景，分别是HAPS宽带连接场景和宽带HAPS特定应用场景。宽带HAPS连接场景是指在中长期内为用户提供Internet访问，它可以直接为最终用户提供宽带接入，或是提供到接入点的链接；宽带HAPS特定应用场景主要是指下列场景[17]：

① 自然灾害救援任务，如火灾、地震及海啸等灾害，需要在救援组织和救援人员之间进行沟通，以进行协调和了解情况；

② 野外探险与勘探等场景中，需要保证探险、勘探团队与区域总部之间沟通需求。

ITU-RHAPS业务频谱需求报告[8]中对不同HAPS系统的频谱需求做了总结研究，如表2所示[18]。按照HAPS宽带连接场景和特定应用场景来分，由于各国定义的宽带连接场景差异明显，频谱需求分析结果也有较大差别。

表2 HAPS系统频谱需求

2.2 国内HAPS业务容量与频谱需求分析

国内HAPS应用的主要设想是为偏远地区提供宽带连接服务，按照业务容量测算方法[19]，如表3所示，对国内HAPS业务容量进行测算。

表3 宽带HAPS应用业务容量估算Tab.3 Capacity demand for broadband HAPS application

西部三省、区平均人口密度约为10人/km2，基于轻于空气平台平流层飞艇的技术能力，按照每户月均IP流量为30 GB/月，可以计算得出HAPS系统应该提供6.2 Gbit/s的链路总吞吐量，假设前向链路与反向链路比值为7:1，则前向链路最大容量为5.425 Gbit/s。假定每个HAPS覆盖范围内设置两个关口站，HAPS与CPE设备间通信假定使用5面天线，且每面天线有4个波束均支持双极化复用，可得西部三省、区平均频谱需求如表4[19]所示。由表4看出，国内西部三省、区对HAPS频谱需求不超过300 MHz。

表4 国内HAPS业务频谱需求估计Tab.4 Spectrum needs estimation in china

3 ITU框架下HAPS业务频谱划分观点

在刚刚过去的研究周期内，各国在ITU-R WP5C工作组内对HAPS业务与卫星固定业务、卫星移动业务、HAPS业务与移动通信业务(IMT-2020)、HAPS业务与科学研究业务(主要是射电天文业务)的共存与兼容性开展了大量的研究工作，但各关切方处于各自的利益考虑，共存与兼容性研究成果差异较大[20]。国内主要关切的是27.9～28.2 GHz/31.0～31.3 GHz频段内HAPS业务与卫星固定业务，38～39.5 GHz频段内HAPS业务与IMT-2020业务的共存与兼容性分析[21-25]。

3.1 各相关方观点

在ITU-R 2015—2019研究周期内，与HAPS系统相关的1.14议题获得广泛关注，在WP5C工作组会议中展开了广泛的讨论，主要就HAPS业务与卫星固定业务/卫星移动业务、HAPS业务与移动通信业务以及HAPS业务与射电天文科学业务等的共存与兼容性进行分析。

按照上述业务的操作者可分为卫星业务阵营、IMT业务阵营和HAPS阵营。各阵营主要观点如下：

① 卫星业务阵营：作为实际卫星操作者，有大量的卫星资源已经或者即将部署，认为HAPS业务存在潜在的干扰可能，影响卫星资源的充分利用，因此在HAPS谋求新的频谱划分上持坚定的反对态度；

② 移动通信业务阵营：对HAPS业务谋求新的频率资源持谨慎支持态度，对HAPS业务与移动通信业务共存施加了苛刻的保护条件限制；

③ HAPS业务阵营：积极推进HAPS业务新增频谱。

3.2 国内观点

国内在高空平台通信系统的研究领域也作了大量投入。在国家相关重大专项的支持下，北京航空航天大学、中科院等单位同步开展了平流层飞艇和太阳能无人机的攻关工作，在飞艇安全回收、飞行控制、柔性太阳能电池和蒙皮材料等方面取得了一系列技术突破。目前整体技术水平处于世界前列。

国内卫星业务部门、移动通信运营商、学界、科研院所、潜在应用单位在工信部无管局的领导和协调下，对HAPS业务在国内开展情况以及今后的发展情况考虑，综合各方面考虑，特别是针对国内偏远地区频谱需求不超过300 MHz的基本现实，采取加入HAPS标识的5.537A脚注的策略(该脚注允许ITU各缔约国在28/31 GHz频段内上下行各300 MHz带宽内部署HAPS台站)，同时注意对同频段的卫星和移动业务的保护[26-29]，为国内HAPS现有应用获得了国际规则地位。

4 WRC-19 HAPS系统频谱划分进展

4.1 WRC-19 HAPS系统频谱划分决定

近几年HAPS高空平台技术的快速发展客观上推动了1.14议题在WRC-19大会上成为关注的热点。然而由于议题牵涉到天、空、地多个无线电系统多个频段的共存分析和规则制定，最初各方存在较大分歧，讨论过程异常艰难。直到大会闭幕前的最后一次全会，才通过1.14议题的最终决议。“在全球范围内，在固定业务划分下新增38～39.5 GHz频段，扩展31～31.3 GHz频段标识用于高空平台站(HAPS)固定通信(双向使用)，在满足HAPS应用需求的同时，对HAPS下行方向使用提出了具体限制以保护现有的固定、移动和卫星固定业务台站不受影响[30]”。通过整理历届世界无线电通信大会有关高空平台通信系统的频率划分，最终形成了表5所示的HAPS频谱划分结果。

表5 WRC-19 HAPS频谱划分Tab.5 WRC-19 HAPS identifications

WRC-19大会通过的相关决议既解决了未来HAPS业务发展的频率问题，又通过制定适当的规则加强了对相同频段及相邻频段的移动、卫星固定、卫星地球探测等其他无线电业务的保护，对推动HAPS系统的发展具有重要意义。

4.2 HAPS新研究决议

根据WRC-19 大会第247号决议，建议考虑在某些情况下，全球或区域移动业务中使用高空平台站作为IMT基站(HIBS)，使用已经为IMT确定的2.7 GHz以下频段实现移动覆盖连接。按照ITU-R工作安排，指定ITU-R WP5D工作组负责开展具体研究工作[20,30-31]，此外还可能涉及与ITU-R WP 3K,WP 3M,WP 4A,WP 4C,WP 5A,WP 5B,WP 5C,WP 6A,WP 7B,WP 7C,WP 7D等工作组开展联络协调工作。具体来说，涉及的工作内容包括五部分：

① 考虑以下情况酌情研究作为IMT基站的高空平台站在移动业务中提供移动连接的频谱需求：

根据第221号决议(WRC-07，修订版)中条款，1区和3区中的1 885～1 980 MHz,2 010～2 025 MHz,2 110～2 170 MHz以及2区中的1 885～1 980 MHz，2 110～2 160 MHz频段被纳入第5.388A款中，供HIBS使用；作为IMT基站的高空平台通信系统设想的使用和部署场景作为地面IMT网络的补充；作为IMT基站的高空平台通信系统的技术和操作特性及要求。

② 考虑到已经完成的研究以及ITU-R内正在进行研究的结果，应及时对WRC-23开展并完成共用和兼容性研究，以确保对业务的保护，而不会对其部署施加任何附加的技术或规则限制。为实现IMT的全球或区域协调，对2.7 GHz以下的某些频段或当中的部分频段，作为主要业务来划分频段，包括现有系统、计划开发系统以及相邻业务(如适用)展开研究。即：694～960 MHz；1 710～1 885 MHz (1 710～1 815 MHz将仅用于3区中的上行链路)；2 500～2 690 MHz (2 500～2 535 MHz将仅用于3区中的上行链路，3区中的2 655～2 690 MHz除外)。

③ 研究第221号决议(WRC-07，修订版)中的条款，1区和3区中的1 885～1 980 MHz,2 010～2 025 MHz,2 110～2 170 MHz以及2区中的1 885～1 980 MHz,2 110～2 160 MHz频段，并对现有脚注和相关决议进行适当修改，以促进采用IMT最新无线电接口技术的、作为IMT基站的高空平台通信系统的使用。

④ 研究作为IMT基站的高空平台通信系统(HIBS)的定义，包括对《无线电规则》条款可能酌情做出的修改。

⑤ 酌情起草ITU-R建议书和报告，同时考虑到上述并做出决议，请ITU-R 1，2，3，4进一步做出决议并邀请WRC-23根据上述研究结果，考虑在全球或区域范围内，在已为IMT确定的、2.7 GHz以下的某些频段内，将高空平台通信系统用作IMT基站，并酌情采取必要的规则行动，同时考虑到对5.286AA,5.317A,5.341A,5.341B,5.341C,5.346,5.346A,5.384A,5.388等脚注的更改超出了本决议的范围，对在这些脚注中提到的频段内部署地面IMT系统不应施加任何额外的规则或技术限制，请主管部门通过向ITU-R提交文稿的形式，积极参与这些研究。

5 结论

国际电信联盟在高空平台通信系统频谱划分方面开展了卓有成效的研究，特别是在WRC-19 1.14议题推动下就高空平台通信系统技术与操作特性、部署场景、关键技术以及共存与兼容性分析做了大量细致高效的工作，取得了大量成果，为HAPS未来发展奠定了基础。国内各相关部门在工信部无管局的领导和协调下，针对HAPS业务国内开展情况以及今后的发展情况进行统筹考虑，同意在28/31 GHz频段内上下行各300 MHz带宽内部署HAPS台站，同时注意对同频段的卫星和移动业务的保护，为我国国内HAPS现有应用获得了国际规则地位。