高空平台通信系统发展现状与前景

郎保真，孙震强

（1.中国信息通信研究院，北京 100191；2.中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

大气平流层（12～50 km）其下为普通航空飞行器的飞行区域，其上为卫星、航天飞行器的区域。在平流层，空气对流运动小，温度和湿度适宜，空气稀薄，适合飞行器平稳飞行。位于平流层的高空平台（HAPS,High Attitude Platform Station）飞行高度高、机动灵活、成本低、部署周期短，具有多种用途，不但具备传统航空、航天飞行器的诸多优点，同时还具备自身独特的能力优势，一定程度上具有“伪卫星”应用特征，当其搭载通信载荷开展应用时，可提供超视距、大容量、机动灵活的通信服务。

高空平台通信网络可以使用普通的地面移动终端，是包括5G 网络在内的地面通信网络和天基通信网络的重要补充和加强，是解决沿海、山地等复杂地形条件下的“宽带通”、“远程通”和“动中通”的有力手段，特别适用于5G 移动通信的基站回传和广域覆盖。近中期可以用于应急通信场合，中长期可以作为移动通信基础网络的一部分。

1 高空平台定义和基本架构

（1）定义

根据国际电信联盟的定义，高空平台是指位于距地球20～50 km 高度，并且相对于地球一个特定的标称固定点的平台。高空平台通信系统是指利用高空平台作为载具，提供通信服务的系统[6]。

（2）高空平台通信系统基本架构

典型的高空平台通信系统通常由关口站、高空平台和固定/移动用户终端构成。

典型的高空平台通信系统示意如图1 所示。

图1 高空平台通信系统

高空平台作为转发平台，可以通过对无线电信号的转发起到延伸网络覆盖的作用，为没有地面通信设施（光纤、微波等）的地方提供网络服务。高空平台通信系统由以下几条链路组成。

关口站链路：即高空平台系统的馈线链路。

HAPS 间链路：在关口站不宜部署（例如海面）时，高空平台间可以通过HAPS 间链路回传数据。

固定业务链路：使用固定业务频率为固定台站提供服务的链路。固定业务链路可以用于网络接入，此时的固定台站是高空平台通信系统的用户终端，例如使用高空平台通信系统用于提供数字广播电视服务；此外，固定业务链路也可以用于其他通信系统的回传，此时的固定台站起到一个传输节点的作用，例如高空平台通信系统可作为移动通信系统的回传链路，在没有光纤、微波通信资源的地区为2G、3G、4G 基站设备提供回传。

移动业务链路：使用移动业务频率为移动用户提供网络接入的链路。这种场景下，将移动业务的基站设备作为载荷搭载在高空平台上，直接为移动终端（例如手机、集群对讲机等）提供服务。

2 高空平台应用场景

高空平台通信系统的高度位于临近空间，相当于将承载地面台站的铁塔提高到20～50 km 的平流层中，当仰角为10°时可覆盖直径达100 km 的区域，具备低成本大面积覆盖的特点，可用于地面网络不可达的大范围网络覆盖场景。特别地，未来通过将5G 技术引入高空平台通信系统，更可以实现广域的大带宽移动通信接入，与地面5G 网络形成良好补充[10]。

根据高空平台通信系统的特点，其主要应用场景如下：

（1）高空平台通信系统可方便地在不便于架设地面基站的远海岛屿（礁）、边远地区等提供通信接入。

（2）高空平台通信系统具有快速部署的特点，因此特别适合于紧急事件或灾难事件的应急通信应用。

3 国际发展现状

（1）ITU 积极推进高空平台标准化工作

ITU-R 早在1997 年就开始高空平台的研究工作，在2015年世界无线电大会（WRC-15）上，更是设立了WRC-19 1.14议题，促进开展新技术条件下高空平台的应用研究，研究高空平台频率需求和可能的高空平台新的频谱划分，候选频段包括在全球范围的38—39.5 GHz 和2 区21.4—22 GHz/24.25—27.5 GHz 频段。最终在WRC-19 大会上新为全球划分了38—39.5 GHz 频段，为2 区新划分了21.4—22 GHz（HAPS 到地面方向）、24.25—25.25 GHz（HAPS 到地面方向）、25.25—27.0 GHz（地面到HAPS 方向）和27.0—27.5 GHz（HAPS 到地面方向）用于HAPS 系统[3]。在WRC-19 大会上，为了进一步促进HAPS 的应用，又特别设立了WRC-23 1.4 议题，考虑在全球或区域范围内，在已为国际移动通信（IMT）确定的2.7 GHz 以下的某些频段内的移动业务中，将高空平台台站用作IMT 基站（HIBS）[4-5]，研究的频段包括：

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）

当前国际电联《无线电规则》为HAPS 划分的频段信息和相关脚注汇总如表1、表2 所示[1-2,7]：

表1 无线电规则中IMT频段用于HAPS的相关脚注

表2 无线电规则中FS业务频段用于HAPS的相关脚注

（2）亚太地区开启高空平台相关研究和试验

在2018 年3 月召开的亚太电信组织2019 年世界无线电大会第三次准备会议上，日本提交的文稿建议在未来世界无线电大会上设立一个新的议题，考虑在2 GHz左右和2 GHz 以下标识给移动通信的频段上使用高空平台电台作为移动通信基站。该会议随即向亚太电信组织无线工作组发出联络函，要求其开展技术和操作相关的研究工作。2018 年4 月，亚太电信组织无线工作组批准成立了高空平台通信特设工作组，开始围绕高空平台电台用于移动通信基站的相关技术开展研究。目前已经完成了《APT 国家HAPS 现有和未来计划调研问卷》和《在2GHz 左右和2GHz 以下标识给IMT 的频段上使用HAPS作为IMT 基站的技术和操作分析》研究报告，并正在开展《固定业务使用HAPS 系统》报告书的制订工作[8-9]。

日本软银控股的HAPSMobile 公司采用飞翼式无人机实现高空平台通信，其无人机Hawk30 于2019 年10 月23日成功完成了24 个测试点，包括180°转弯，以及更多的航电、电力和推进性能测试。Hawk30 无人机计划作为长航时、高空伪卫星，将能装载电信设备，并以蜂窝无线电向下发射的方式连接移动电话、无人机、物联网硬件等设备。HAPSMobile 公司称，该型无人机能为约314 万公顷（776 万英亩）的区域传输蜂窝数据，能在约65 000 英尺的平流层中连续飞行6 个月，其由10 台电动机驱动，并配备了锂离子电池，这些电池由覆盖在长78 m（256 英尺）翼体上的太阳能电池板充电。

（3）北美欧洲积极研发试验

近年来，谷歌、脸书、空中客车、德国电信、波音等公司积极开展高空平台相关研发和试验。

谷歌的Project Loon 使用气球实现高空平台应用。谷歌气球使用太阳能作为动力，目前，谷歌气球空中停留天数最长记录长达190 天。2017 年3 月，秘鲁受水灾影响，通信受到破坏，谷歌气球与当地政府及运营商进行合作，在72 小时内为4 万平方公里提供了超过160 GB 数据流量的临时通信服务。2018 年9 月，谷歌气球项目通过7个不同的气球实现了向近1 000 km 的范围内发送互联网信号。2020 年7 月在肯尼亚推出了首个商业互联网服务，通过约35 个气球向肯尼亚运营商Telkom 的用户提供4G LTE 服务，覆盖该国中西部地区约50 000 平方公里，包括首都内罗毕。但是谷歌公司认为LOON 的商业可行性之路比预期的要长得多，风险也更大，因此2021 年1 月宣布暂停了进一步的商业化扩展计划。

空中客车公司采用无人机实现高空平台应用。空客研发的Zephyr S 高空无人机系统翼展25 m，仅重75 kg，利用太阳能为螺旋桨发动机提供动力。2018 年7 月，Zephyr S 持续飞行了25 天23 小时57 分钟，打破高空飞行器的飞行时长记录。2020 年的飞行试验包括起飞、爬升、巡航、升级的飞行控制和下降阶段、以及成功的着陆，验证了飞机的敏捷性、控制和操作，证明了在军事和商业市场中必不可少的无人机系统（UAS）的昼夜平流层持久性。

德国电信及其合作伙伴英国初创公司Stratospheric Platforms于2020 年10 月19 日在地球的平流层成功测试了一个空中基站，一架在1.4 万米高空飞行的遥控飞机，成功地将机载天线连接到地面4G 网络。德国电信合作伙伴Stratospheric Platforms表示，其轻量级平台的翼展为60 m，但重量只有3.5 吨，能在高空停留约9 天。该飞行器使用零排放氢燃料电池系统，比太阳能电池产生的电力要多得多。德国电信表示，这个空中基站可以覆盖周围140 km 的区域。该项目采用了5G Ready的LTE 技术，工作频段为2.1 GHz，信道带宽为10 MHz，可提供VoLTE 语音和数据通信。路测结果显示，智能手机通过飞机上的天线连接德国电信的地面移动网络，下载速度可达70 Mbps，上传速度达20 Mbps。同时，手机还可以在飞行平台提供的小区与地面基站的小区之间实现来回切换。该项目还在开发支持6 GHz 以下和毫米波频段的天线版本，以后HAPS 不但将用于解决室外广覆盖，还将用来解决室内覆盖，部署固定无线服务以替代固网家宽，以及覆盖飞机等[11]。

（4）成立行业联盟促进高空平台产业发展

由世界领先的电信、技术、飞行和航空航天领域的行业领导者组建的HAPS 联盟于2019 年初宣布成立。HAPS 联盟的成员包括软银（Softbank）公司旗下的HAPSMobile，Alphabet旗下的Loon、AeroVironment，空中客车防务及航天公司（Airbus Defence and Space），巴帝电信（Bharti Airtel），中国电信，德国电信（Deutsche Telekom），爱立信，Intelsat US，诺基亚，软银和西班牙电信（Telefónica）。该联盟共同致力于在地球平流层中使用高空飞行器来消除数字鸿沟，并将网络连接带给世界上更多的人群、地方和事物。HAPS 联盟成立的目的在于，使各成员公司能够与各国相关部门共同推动高空平台通信业务的发展，建立协作式的HAPS 生态系统，制定共同的产品规范，促进HAPS 网络互操作性的标准化。

4 在我国的应用前景分析和面临的挑战

受益于高空平台本身的特点，高空平台通信系统在我国具有广泛的应用前景。

（1）普遍服务

我国存在着很大部分例如沙漠、海洋等不便于架设地面基站的偏远地区，这些地区地面通信的使用维护成本过高。高空平台自身具有大范围对地/海面覆盖能力，能够为远海岛屿（礁）、边远地区等提供宽带通信。例如，通过高空平台通信系统即可实现对我国南海及岛屿的全域覆盖，解决我国南海部分岛礁无法架设基站、通信存在盲区的问题。

（2）紧急事件和灾难事件

我国幅员辽阔，自然灾害频发。由于高空平台具有快速部署和灵活机动的特点，因此特别适合于紧急事件或灾难事件，例如遇到大的自然灾害或突发事件，可以临时升空或紧急调度一个高空通信平台到事发地上空，为散布在现场的工作人员提供迅速可靠的通信联络保障。

当前，高空平台通信系统在我国的发展也面临着一些问题和挑战。

（1）飞行器平台成熟度

我国在高空平台飞行器设计方面技术发展很快，技术转化为应用的条件正在逐渐走向成熟，但在实践阶段和飞行经验上距离实际商用还需进一步验证。另外，搭载的通信设备需求给平台提出的续航能力要求及供电能力要求也需要进一步验证。

（2）宽带通信系统设计

高空平台飞行在距离地面20 km 的高空，受限于高空平台的载重限制，搭载的通信设备需要轻量化。同时，通信设备需要工作在低气温、低气压的工作条件下，对设备内部元器件的设计、温度保持及整机散热等方面都提出了更高的要求，通信系统需要做针对性的重新设计。

5 结束语

我国幅员辽阔、海上疆域广大，自然灾害频发，对于地形复杂偏远、基础设施建设不足的区域，传统的网络接入形式难以满足包括5G 在内的信息网络全覆盖的需求，高空平台具有的大范围对地/ 海面覆盖能力和快速部署能力，可以为我国的应急通信以及偏远地区网络接入提供便捷的实现方案。2023 年的国际电联世界无线电大会（WRC-23）1.4 议题将进一步研究将高空平台台站用作IMT 基站的技术、场景和部署问题，并确定全球或区域的统一实施频段，可以预见大会议题将进一步促进推动相关产业链成熟和应用创新。随着产业链的成熟，高空平台通信系统将在我国得到更加广泛的应用和部署，并在普遍服务和抗震救灾等各个方面发挥重要作用。