HAPS通信系统研究现状及展望

李行政　中国移动通信集团设计院有限公司工程师张冬晨　中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师朱禹涛　中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师



HAPS通信系统研究现状及展望

李行政中国移动通信集团设计院有限公司工程师
张冬晨中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师
朱禹涛中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

摘要：介绍了高空平流程电台（HAPS）通信系统国内外研究与频率划分的情况，根据WRC15相关决议分析我国在下个ITU研究周期关于HAPS的主要研究内容，并进行相应的影响分析与技术展望。

关键词：高空平台通信系统；世界无线电通信大会；宽带接入系统

1　引言

高空平流层电台（HAPS，High Altitude Platform Station）系统将无线基站安放在长时间停留在高空的飞行器上来提供电信业务。《中华人民共和国无线电频率划分规定》将HAPS定义为位于地球20～50km的高度，并且相对于地球在一个特定的标称固定点的某个物体上的电台。HAPS技主要有以下几个典型的应用场景：

●应用于偏远的农村、海岸线、山脉、沙漠等地区的网络覆盖。HAPS系统覆盖面积大，可以使用已有的无线通信接入技术，以较低的建设成本覆盖大面积区域。

●应用于灾区通信或战时通信。HAPS系统的部署受地理、天气等外部环境因素影响较小，灵活可靠。

HAPS作为一种非常具有应用前景的技术，受到美国、欧盟、日本、韩国等国家和地区的广泛关注，相关技术研究的起步也相对较早。近年来，随着太阳能电池板效率、电磁能量密度的提升，轻质复合材料、自主航空电子设备以及天线技术的发展，解决了HAPS短板问题，增加了其实际部署的可行性，Google、Facebook等科技公司也对该技术进行创新性研究及技术试验。ITU长期以来一直开展HAPS相关技术问题及频率划分的研究工作，在2015年的世界无线通信大会上，美国等国家成功推动WRC15形成COM6/21号决议，决定在下一个WRC研究周期内对HAPS技术进行立项，重点研究频谱需求、候选频段、关键技术以及现有频率划分的合理性及必要性等，以促进人们高空平台系统获得宽带服务。本文将首先介绍HAPS技术的国内外研究进展，进而介绍世界无线通信大会对该技术的研究情况，并重点介绍WRC15形成的COM6/ 21号决议的内容，最后讨论HAPS的影响分析及技术展望。

2　国内外研究情况

国外对HAPS系统研究起步较早，美国、日本、韩国、德国、法国、英国、以色列等国家在2000年左右均已启动国家级预研计划，并取得了一定的技术积累。近年来，以Google、Facebook为代表的科技公司也启动了高空基站通信系统的研发工作，有力推动了该技术的研究与实现。

2013年，Google正式对外公布Project Loon项目，计划通过向大气平流层发射大量搭载无线通讯设备的高空气球（见图1），建设一个环绕地球飞行的气球带，组成一个空中的无线“大网”，来为偏远地区的人们提供无线网络服务。据了解目前该项目已完成在新西兰、巴西、美国加州等地的部署测试，其中高空气球使用的传输频率为71～76和81～86GHz之间，而向地面发送的通讯信号则是使用了LTE技术，在巴西部署的气球网络传速可达176Mbit/s，并同时为语音电话提供了的40Mbit/s的传输速度。Google公司计划从2016年初在美国全境展开为期两年的部署测试，并已向美国FCC（联邦通讯委员会）提交了申请文件。

FacebookCEO扎克伯格在MWC2016上谈论了他们的互联网无人机计划，计划在2016年晚些时候来测试他们的互联网无人机Aquila（见图2），希望借助Aquila来进行互联网基础性建设以此来让那些没有互联网服务的地区享受到互联网带来的便利。Aquila无人机外壳上包裹上了太阳能电池板，保证了其续航能力，部署后可以在6～9万英尺的高度盘旋长达90天，Aquila无人机将在高空提供用户可以搜寻得到的Wi-Fi和4G信号。

相比于国外，我国在该研究领域的起步较晚，近年来也有部分高校或科研院所开展关键技术的预研，但在高空平台的开发与制造方面与国外有较大的差距，且缺乏一手的测试数据。值得指出的是，中国移动、华为、中兴等公司在中国通信标准化协会联合牵头开展“高空基站系统设备技术要求”的研究，并于2012年发布行业标准（YDB103-2012），该标准以2G、3G基站为例，规定了利用高空载体承载基站，实现高空基站的系统方案的技术要求，以及基站分系统、供电分系统、传输分系统和浮空器平台分系统相关的技术要求。2015年底，中国移动也开展高空应急基站的试验研究工作，采取安全性能高、负荷能力大、稳定性较高的氦气艇搭载小型化4G设备（300～1000m），规避地形起伏遮挡，实现了远距离的网络覆盖，同时也验证了利用VoLTE解决灾区应急语音通信问题。

综上优缺点所述，根据现场焊缝的实际情况，适宜选择这两种方法或者两者结合进行检测，以符合标准要求和质量要求。

图1　Google公司用于高空通信系统的高空气球

图2　Facebook公司用于高空通信系统的无人机

3　世界无线电通信大会研究情况

为了推动HAPS技术的研究与发展，世界无线电通信大会（WRC，World RadiocommunicationConference）在1997年便启动了HAPS相关频率的研究与划分工作：WRC97会议对47.2～47.5GHz频段上做了HAPS的标识；后来考虑到47.2～47.5GHz频段的雨衰特性，在WRC2000会议上又在27.9～28.2GHz（固定下行）/31～31.3GHz（固定上行）对HAPS系统做了标识（除2区），目前包括韩国、俄罗斯、印度、日本、菲律宾、朝鲜、越南等多个国家支持将上述频段应用于HAPS系统；在WRC12会议上，澳大利亚、布基纳法索、科特迪瓦、马里和尼日利亚5个国家支持将6440～6520和6560～6640MHz分别作为HAPS到地面以及地面到HAPS的通信频段。除此之外，在WRC-2000会议上形成的第221号决议，HAPS可以在以下频段提供移动通信业务：1区和3区的1885～1980、2010～2025和2110～2170MHz频段，2区的1885～1980和2110～2160MHz频段。

近年来，随着太阳能电池板效率、电磁能量密度的提升，轻质复合材料、自主航空电子设备以及天线技术的发展，解决了HAPS短板问题，增加了其实际部署的可行性。在2015年底的WRC15会议上，美国等国家成功推动WRC15形成COM6/21号决议，计划下一个研究周期内对HAPS技术进行立项，重点研究频谱需求、候选频段、关键技术等内容，以促进人民通过HAPS系统获得宽带服务。具体来讲，该项目主要包括以下几个方面。

●ITU-R研究HAPS的频谱需求，以便在固定业务中提供宽带连通性，同时考虑以下内容：

——HAPS系统的当前划分与部署情况。

——HAPS宽带系统的预期部署情形和相关需求，例如在偏远地区。

——HAPS系统技术及操作特性，包括通过技术及高效的频谱利用实现HAPS技术的演进及其部署。

——ITU-R研究在全球或区域层面上使用现有频率划分的适用性，同时考虑相应的规则条款，如现有HAPS频率划分相关的地域及技术限制。

●ITU-R开展将以下频段应用于HAPS的可行性：

——在全球范围内研究将38～39.5GHz频段应用于HAPS技术的可行性。

——在2区研究将21.4～22和24.25～27.5GHz频段应用于HAPS技术的可行性。

参考《中华人民共和国无线电频率划分规定》，目前我国在38～39.5GHz频段及其附近频段的业务划分情况如表1所示。可以看出38～39.5GHz频段已划分给固定、卫星固定（空对地）、移动等业务。因此需开展HAPS与已有业务的同频部署干扰问题研究工作，评估频率共享的可行性；另外，37.5～38GHz以及39.5～40GHz频段也划分给固定、卫星固定（空对地）、卫星移动（空对地）、移动（航空移动除外）等多种业务，也有必须要开展HAPS与邻频系统的电磁兼容特性的研究工作。

●为了对现有业务予以保护，ITU-R开展候选频段HAPS系统与已划分业务的同频兼容性研究，以及可能会涉及的邻频电磁兼容研究。

为了促进HAPS技术在我国的应用与发展，维护国家利益，我国也应积极跟踪国际研究进展，尽快启动国内HAPS频谱需求、候选频段、关键技术等内容的研究，并将研究成果输入至ITU。根据WRC15会议的COM6/21号决议，我国相应的研究工作应至少包括但不限于以下4个方面：

——HAPS系统频谱需求研究。

——HAPS系统关键技术研究，包括回传技术、接入技术、组网技术等。

——我国HAPS候选频段研究，重点考虑之前WRC会议已划分频段。

——研究我国将38～39.5GHz频段作为HAPS候选频段的可行性。

需要指出的是，目前关于HAPS的频率研究主要考虑是HAPS为固定的，即定位在回传或转发等应用，但实际上HAPS未来的应用还可以是接入网部分，其未来频率还可以使用地面移动通信的频段。所以，当HAPS采用地面移动通信系统无线接入技术或频率时，还需要评估其与地面公众移动通信系统的共存干扰。

4　影响分析与展望

从目前的发展形势来看，HAPS有望成为继地面移动通信系统、卫星通信系统之后的第三种通信方式，且与地面移动通信系统、卫星通信系统相比，HAPS也有诸多优点，如覆盖面积大、系统部署灵活、无线信道质量好等。

HAPS通信系统、卫星通信系统、地面移动通信系统的特性对比分析如表2所示。基于表2分析的HAPS技术的诸多优点，将是对现有运营商网络部署方式的有效补充：鉴于其覆盖面积大、部署容易的特点，该技术有望成为运营商解决偏远地域低成本覆盖的重要技术手段；鉴于其部署时间受环境因素影响较小的特点，该技术将为快速恢复灾区通信提供了一种重要的选择。

从Google、Facebook等科技公司技术研究及试验的情况可以看出，目前HAPS无线接入技术发展趋势是采用与地面移动通信系统相同的无线接入技术与频率，而传输则采用较高的通信频率，其组网方式如图3所示。该组网方式的优点是用户无需更换终端便可享用HAPS系统提供的宽带接入服务，这样更便于HAPS技术的快速应用及推广，无需担忧受限于终端产业的发展。另外，无线接入采用较低的通信频率也是考虑到低频段信号传播、穿透损耗比较小，这在一定程度上可以扩大HAPS系统的覆盖范围。

但是，科技公司借助HAPS系统推广的该类无线宽带接入服务将无疑对现有移动通信运营商的宽带接入业务带来一定的冲击。另一方面，即便是运营商部署HAPS系统，若HAPS采用地面移动通信系统的接入技术、频率（或邻频）时，可能会产生与地面移动通信系统间的互干扰问题，因此在部署前也需要进行全面的电磁兼容研究。

表1　我国38～39.5GHz频段及邻频业务划分情况

表2　3种通信系统特征对比

图3　HAPS通信系统组网示意图

5　结束语

本文介绍了世界无线电通信大会对HAPS技术研究与频率划分的现状，并根据WRC15相关决议分析了我国在下一个WRC研究周期内关于HAPS议题的主要研究内容，为后续研究奠定基础。同时，本文还调研了HAPS技术国内外研究进展情况，并进行了该技术的影响分析及展望。

参考文献

［1］中华人民共和国工业和信息化部.中华人民共和国无线电频率划分规定［Z］.2014.

［2］游思晴.平流层CDMA移动通信蜂窝网的性能研究［D］.北京邮电大学，2012.

［3］葛玥.基于OFDM技术的HAPS通信系统模型及仿真研究［D］.北京交通大学，2015.

［4］ITU. Provisional Final Acts World Radiocommunication Conference（WRC-15）［OL］. ITU，2015. http://www.itu.int/en/ ITU-R/conferences/wrc/2015/Pages/default.aspx.

［5］中国通信标准化协会.高空基站系统设备技术要求:YDB 103-2012［S/OL］.北京:中国通信标准化协会，2012. http:// www.ptsn.net.cn/standard/std_query/show-ydb-104-1.htm.

Research and prospect of high altitude platform station

Li Xingzheng，Zhang Dongchen，Zhu Yutao

Abstract：This paper introduces the research progress and frequency allocation of high altitude platform station （HAPS）， and then analyze the main research contents of HAPS in the next ITU research period according to the relevant resolution of WRC15. In addition， the influence and technology prospect ofHAPSis given in this paper.

Keywords：high altitude platform station； world radiocommunication conference； broadband access system

收稿日期：（2016-03-11）