面向6G的高空基站HIBS全球发展趋势与分析

王婷婷，周瑶，刘吉凤，牛憶莹

（中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

2019 年6 月，工信部向四家运营商发放5G 牌照，5G 正式进入商用期。5G 聚焦基础功能增强、大规模机器通信和垂直行业拓展三大方向，助力赋能各行各业，将人、物、行业的通信体验提升到了新阶段。随着近年来5G 的快速发展，全球很多国家逐渐开始研究6G 通信技术，通过政策支持、资金投入、人力投入等方式推动6G 技术预研。相比5G，6G 网络将更加泛在、智能、安全，通信网络与大数据、人工智能深度融合，实现网络智慧内生。同时，6G 网络将实现空天地全方位覆盖，满足当前飞机、轮船、孤岛等区域通信需求，弥合数字鸿沟[1-2]。

如图1 所示，空天地一体化网络通常包括三部分：由高、中、低轨卫星组成的天基网络，由各种飞机、飞行器、高空平台、低空平台组成的空基网络，以及由地面蜂窝网络组成的地基网络，三者有机融合、统一规划，形成多层次、一体化的融合网络[3]。其中，将高空平台（HAPS,High Altitude Platform Stations）作为国际移动通信（IMT,International Mobile Telecommunication）基站，具有覆盖范围大、部署机动灵活、传播损耗小等优势，吸引了日本、德国、中国等多个国家的注意力，成为了ITU-R WRC-23 1.4议题、3GPP Release 15 至Release 18 的 研究重点之一。

图1 空天地一体化网络示意图

1 HIBS全球标准化进展

从ITU-R、3GPP 层面推动形成HIBS 全球协调一致频段、频率规划方案和设备技术规范，将有利于促进各国主管机构对HIBS 频率进行统一划分与分配，降低国家间边境地区频率干扰。同时也有助于推动HIBS 在全球的应用和发展，形成规模经济，降低HIBS 设备与终端研发成本。

1.1 ITU-R

ITU-R 世界无线电大会（WRC,World Radio Conference）从1997 年便开始HAPS 频率研究与划分工作，截止2019 年，在全球范围以主要业务标识31.0—31.3 GHz、38.0—39.5 GHz 频段，在部分地区或国家标识6 GHz、21.4—22.0 GHz、24.25—25.25 GHz、25.25—27.5 GHz、27.9—28.2 GHz、47 GHz等频段，用于发展HAPS 固定业务。我国根据自身需要，以次要业务加入了现有的27.9 GHz—28.2 GHz 频段HAPS 标识的脚注，为我国HAPS 现有应用获得了国际规则地位。

2019 年WRC 大会上，日本推动HIBS 成为WRC-23 研究议题1.4，在全球或区域范围内，在2.7 GHz 以下频段已标识IMT 的频段中，开展HIBS 用于移动通信服务的研究。议题研究频段包括694—960 MHz、1 710—1 885 MHz、2 500—2 690 MHz 频段，以及《无线电规则》第5.388A 款已标识HIBS 的1 885—1 980 MHz、2 010—2 025 MHz、2 110—2 170 MHz 频段[4]。

ITU-R WP5D 首先开展了HIBS 系统架构、技术特性、频谱需求、应用场景等研究，2021 年3 月WP5D 第37 次会议形成的HIBS 系统参数如表1 所示。目前WP5D 的讨论焦点包括HIBS 高度、频谱需求、天线模型等方面。ITU-R《无线电规则》规定HAPS 平台高度在20 km 以上，目前的平台制造技术很难在短时间内达到这个高度，降低平台高度要求将有利于产业链发展，但需谨慎考虑高度对共存兼容性和灵敏度的影响。HIBS 业务在不同应用场景下的频谱需求会有较大差异，为了保障HIBS 有足够的频谱带宽，日本、巴西等国家主张不开展频谱需求研究，直接通过增加脚注等方式，确定HIBS 对IMT 频谱的灵活使用。目前平台基站的天线模型参考地面IMT 网络的ITU-R M.2101 建议书，为了使HIBS 达到更好的覆盖性能，天线模型的设计将是关键因素。

表1 ITU-R WP5D第37次会议HIBS系统参数

HIBS-网关的回传链路是HIBS 系统的重要环节，由于回传链路并不在ITU-R 1.4 议题的研究范畴内，HIBS议题的主要推动方日本计划在下次亚太电信组织APT 无线通信组AWG-28 会议上，提出HIBS-网关回传链路的新立项，以推动HIBS 系统的研究进展。回传链路的候选研究频段主要为毫米波频段。

1.2 3GPP

3GPP 从Release 15 正式开展5G NR 支持卫星网络、空中平台等非地面网络（NTN,Non-Terrestrial Network）技术研究，NTN 网络定位于服务IMT 未覆盖或覆盖不足的地区，为M2M/IoT 提供连续性覆盖，增强IMT 网络覆盖能力与可靠性，同时提供多播、广播业务。NTN 网络中HAPS 滞空高度为8～50 km，波束足迹直径在5～200 km 之间，工作频率在6 GHz 以下频段，采用FDD 双工方式，支持室内和室外用户，可采用卫星或地面天线模型，并提出多种NTN 网络架构设计。TR 38.821 研究和确定了NTN 网络对NR 系统的潜在影响，并制定相关解决办法，同时通过链路级和系统级仿真对NTN 网络部署方案中的性能进行评估。

目前3GPP RAN4 主要聚焦HIBS 使用频率与技术指标研究，通过在2 GHz 频段开展HAPS FDD 对现有地面IMT 网络的邻频干扰评估，根据5%吞吐量损失保护准则，分析共存兼容性研究数据，制定HAPS 基站ACLR、ACS 指标及UE 技术要求，形成统一技术规范，指导产品研发，推动全球产业链发展。

2 HIBS应用畅想与产业进展

2.1 HIBS应用场景

HIBS 通过采用低频段传输，在广域覆盖和深度覆盖方面具有更好的覆盖性能。滞空高度20 km 的平台，覆盖半径可达到100 km，总覆盖范围31 500 km2[5]。相比目前地面通信系统逐渐采用的高频段，2.7 GHz 以下频段的电磁波波长更长，更容易发生衍射，对障碍物的绕射能力更强，从而能够提供更好的深度覆盖性能。同时，HIBS 对自然灾害的抗毁能力更强，我国近年地震、洪涝等自然灾害频发，通过快速部署HIBS 平台，可为抢险救灾提供更可靠的通信保障。

（1）全球泛在通信

目前全球陆地的通信覆盖范围只有30%，在偏远山区、沙漠、戈壁、偏僻岛屿等区域，由于基站建设困难、成本高收益低等情况，很多地区目前仍覆盖不足甚至无覆盖。同时，随着地面通信系统从2G、3G、4G 发展到5G，未来发展到B5G/6G，低频资源基本饱和，逐渐向高频发展。高频电磁波传播损耗更大，信号绕射能力弱，需采用大规模天线阵列，通过提高发射增益，达到与低频相同的传输距离，这就使得5G 天线能耗非常大。目前5G 系统中，基站设备耗电比重接近70%，如何高效利用能源，提供大范围、高可靠性的低成本覆盖，是运营商向B5G、6G 发展必须解决的问题。

如图2 所示，通过将HIBS 部署在地面IMT 部署薄弱的偏远地区，单个平台覆盖100 km 半径，可替代上千个5G 基站，多个平台协同组网将大大扩大覆盖范围，既能解决地面基站建设选址难的问题，也能降低网络部署成本与运营成本。当HIBS 与地面IMT 基站部署区域重叠时，可能会出现干扰问题。目前ITU-R WP5D 工作组正在对HIBS 与地面IMT 系统间的干扰问题及干扰抑制措施进行评估与研究。在无线电通信中，常见的干扰抑制措施有调整发射功率、设置PFD 限值、空间隔离、保护带等。

图2 HIBS覆盖偏远地区示意图

（2）6G 物联网

5G、6G 的愿景均提到万物互联、万物智联，地面5G 网络由于频率逐步升高，导致物理信道传输损耗增大，覆盖性能不如3G/4G。在5G 三大应用场景中，相比eMBB 和URLLC，3GPP 对mMTC 的标准化工作进度缓慢、进展较小。如何解决万物互联，是6G 的重点研究方向和挑战。通过HIBS 实现大规模传感器终端的深度覆盖，低成本解决物联网通信，将有助于6G 实现万物互联，推动物联网技术演进与商业落地。

2.2 产业链进展

HIBS 通过高空平台搭载IMT 基站提供服务，目前IMT 通信技术不断迭代更新，高空平台的制造技术、平台控制技术、电池续航能力、载荷能力等，成为制约HIBS 发展的关键。2012 年以来，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，太阳能无人机的性能大大提高。国际Google、Facebook 等科技公司已启动了高空平台研究与试验工作，我国北京航空航天大学、中科院等单位也开展了平流层飞艇和太阳能无人机的攻关工作，推动HIBS 平台制造技术发展。

2020 年2 月，HAPS 联盟宣布成立，聚合了来自通信、航空航天领域的多家公司，包括软银子公司HAPS Mobile、谷歌Alphabet Loon、空中客车防务及航天公司、巴帝电信、中国电信、德国电信、爱立信、Intelsat US、诺基亚和西班牙电信等，初步形成全球产业链结构。HAPS 联盟致力于推动高空平台站HAPS 业务的发展，建立协作式的全球HAPS 生态系统，利用高空飞行器在全球范围内提供通信服务，消除数字鸿沟。

2.3 HIBS通信试验

随着HIBS 平台技术与通信技术的发展，国内外企业、研究机构开始联合开展HIBS 通信网络技术试验与性能验证，为HIBS 系统设计与业务发展提供实测数据支撑。

2020 年9 月，鹏程实验室联合中国联通、中兴通讯等多个厂家共同开展海洋立体通信外场试验项目，通过空中平台搭载5G 基站，与地面核心网拉远传输构成整体组网，实现了空中基站对水面半径20 km 的覆盖，5G 天线设备性能指标良好。后续计划继续提升平台高度，持续开展空中平台通信技术攻关，助力空天地海一体化网络发展。

2020 年10 月19 日，德国电信进行了HAPS 试验，平台高度14 km，地面覆盖直径约10 km，工作在2.1 GHz 频段（10 MHz 带宽），采用LTE 技术，与地面手机终端进行VoLTE 语音和数据通信服务，终端上下行速率分别达到20 Mbps 和70 Mbps，并实现了终端在HAPS 小区与地面IMT 小区间的切换。德国电信未来将在HAPS 平台上安装1028 天线单元的大规模天线阵列，通过发射多波束形成200 个小区，地面覆盖直径的目标为140 km。同年11 月，软银HAPS Mobile 公司和谷歌Loon LCC 公司开展了太阳能无人飞机系统Sunglider 测试，Sunglider 运行在平流层，服务链路为700 MHz 频段，采用LTE 技术，回传链路为70—80 GHz 毫米波频段，实现了地面手机用户与互联网用户间的视频通话。

3 HIBS发展趋势与技术挑战

从整体来看，HIBS 目前发展势头良好。在频率与技术标准化方面，ITU-R、3GPP 均已开展系统架构、系统特性、干扰共存等研究分析，推动频率划分与标准规范全球统一。HIBS 在ITU-R、3GPP 的标准化工作均在IMT工作组开展，也便于探索空基网络与地基网络融合方式，从无线空口协议、资源分配、调度等多个层面实现网络深层次融合。在平台制造技术方面，太阳能电池、天线技术、轻质复合材料等取得关键进展，国内外企业、高校、研究机构积极开展平台研发与试飞。在产业链方面，由多家电信运营商、设备制造商、航空航天公司组成HAPS联盟，开展多项HIBS 通信试验，共同推动构建HIBS 全球协作式产业链。同时HIBS 可以直接利用成本低、技术成熟的IMT 终端，在终端产业链方面具有天然优势。

3.1 频率

频率是通信网络发展的基础，频段、带宽、射频指标、部署限制是影响HIBS 网络性能指标与业务应用的关键因素。国际上对于是否研究HIBS 频谱需求存在较大争议，不开展频谱需求研究而直接使用IMT 频谱，预计在现有无线电监管规则框架下会面临一定困难，同时也会引发一些主管机构的质疑。此外，目前低频资源已划分给多种空间、航空和地面业务使用，同邻频业务复杂，例如固定、广播、卫星地球探测、气象卫星、空间研究、航空移动、航空无线电导航、陆地移动等，涉及科学研究、宇宙探测、军民使用的多个方面。为保障现有业务正常开展，需开展HIBS 与同邻频主要业务、部分易受影响的次要业务间的干扰分析，制定带内带外射频指标和部署条件限制，这些限制条件也会影响HIBS 的设备能力。

3.2 技术

目前ITU-R、3GPP 等已开展高空基站频率划分、技术标准、网络融合等方向的研究，部分HIBS 参数参考地面网络。由于将基站升空后，覆盖半径迅速扩大，导致小区容量密度非常低。增大发射功率、扩大天线阵列等方式，由于HIBS 平台能源与载荷受限，难以实现理想效果。如何设计平台与终端天线模块，满足用户各类业务的速率需求，兼顾平台续航与服务性能，对HIBS 系统发展与业务性能具有重要意义。此外，HIBS 与地面IMT 基站高度相差20 km，信号传输存在时延差，TDD 模式下如何进行统一协议设计，终端在HIBS 小区与地面IMT 小区间如何切换，在网络融合时也需要重点考虑。

4 结束语

本文对高空基站HIBS 全球产业进展现状进行了总结，介绍了HIBS 在ITU-R、3GPP 等全球标准化组织的研究进展与技术焦点，总结了HIBS 系统优势与潜在应用场景，从HIBS 平台研发技术、通信技术、通信试验等方面分析了产业链整体进展，最后提出HIBS 未来发展趋势与关键技术挑战。随着ITU-R、3GPP 等标准化组织对HIBS 干扰共存研究的开展，逐步推进HIBS 频率标识与划分，平台技术与通信技术协同发展，HIBS 产业也将进入快速发展阶段，助力6G 实现泛在连接、万物互联愿景。