孫震強(qiáng)

（中國電信股份有限公司北京研究院，北京 102209）

1 引言

由于大視頻和新型社交應(yīng)用的影響，2016年國內(nèi)電信業(yè)務(wù)總量同比增長54.2%，再加上各運(yùn)營商不限量套餐的實(shí)施，2017年國內(nèi)電信業(yè)務(wù)總量同比增長76.4%，移動互聯(lián)網(wǎng)滲透到生活方方面面。2018年4月當(dāng)月戶均使用移動互聯(lián)網(wǎng)流量為3.4 GB，比去年同期增長154%，流量消費(fèi)潛力保持高速釋放態(tài)勢。預(yù)計(jì)2018年全年通信行業(yè)將繼續(xù)保持高速發(fā)展，這給通信網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大壓力。

為了實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)和4k/8k等高清視頻和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等大視頻為主的數(shù)字洪峰，實(shí)現(xiàn)以用戶為中心構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)，ITU-R從2012年開始研究5G技術(shù)（IMT-2020），預(yù)計(jì)在2020年實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用。目前，5G愿景和需求已經(jīng)確定，未來5G應(yīng)用將滲透到未來社會的各個領(lǐng)域，為用戶提供光纖般的接入速率、“零”時延的使用體驗(yàn)、千億設(shè)備的連接能力、超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等多場景的一致服務(wù)，業(yè)務(wù)及用戶感知的智能優(yōu)化，同時將為網(wǎng)絡(luò)帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低[1]。

按照ITU的定義，5G需要具備比4G更高的性能，支持0.1 Gbit·s-1~1 Gbit·s-1的用戶體驗(yàn)速率，每平方公里一百萬的連接數(shù)密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里數(shù)十Tbit·s-1的流量密度，每小時500 km以上的移動性和數(shù)十Gbit·s-1的峰值速率。同時，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營的效率，相比4G，頻譜效率提升3~10倍，能效和成本效率提升百倍以上。

ITU已確定了5G的3個應(yīng)用場景：高速率高頻譜效率的增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、高用戶密度低能耗的物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）和低時延高可靠場景（uRLLC）。初期應(yīng)用將以eMMB為主，考慮到5G高頻段大流量的特點(diǎn)，主要考慮了室內(nèi)、熱點(diǎn)和CBD等區(qū)域[2]，而對廣覆蓋場景考慮不多。本文認(rèn)為5G應(yīng)用初期的廣覆蓋場景，尤其是郊區(qū)農(nóng)村等會以4G為主，但應(yīng)用后期5G必將逐步擴(kuò)充到廣大區(qū)域，特別是mMTC和未來的eMBB必將會應(yīng)用到廣覆蓋區(qū)域?？紤]使用高頻段的地面基站進(jìn)行廣域覆蓋的成本極高[5]，本文提出了一種新型的基于平流層高空平臺的5G廣域傘覆蓋方案，具備成本低、部署快的特點(diǎn)，除了現(xiàn)在可以用于應(yīng)急通信以及4G/5G混合組網(wǎng)，也適合在5G發(fā)展中后期使用。

2 平流層高空平臺系統(tǒng)

高空平臺電臺（HAPS, High Altitude Platform Station）由美國SSI公司（Sky Station International）于1996年提出，是指位于距地球20 km~50 km高度并且相對于地球一個特定的標(biāo)稱固定點(diǎn)的物體上的一個電臺[3]。HAPS處于距地面20 km~50 km的平流層中，通過一定的飛行動力與地面保持相對靜止，可以使用已有的無線通信接入技術(shù)，如數(shù)字IP微波和IMT技術(shù)，用于低人口密度等開闊區(qū)域的大面積網(wǎng)絡(luò)覆蓋，與地面網(wǎng)絡(luò)形成補(bǔ)充。

HAPS系統(tǒng)的高度位于臨近空間，相當(dāng)于將承載地面基站的鐵塔提高到20 km~50 km的平流層中，當(dāng)仰角為10°時可覆蓋直徑達(dá)100 km的區(qū)域，具備低成本大面積覆蓋的特點(diǎn)，可用于地面網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)的大范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景。通過將5G技術(shù)引入HAPS系統(tǒng)，更可以實(shí)現(xiàn)廣域的大帶寬移動通信接入，與地面網(wǎng)絡(luò)形成良好補(bǔ)充，例如在海上、偏遠(yuǎn)山村、山脈等場景可以提供遠(yuǎn)超衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的大帶寬通信服務(wù)。

3 國內(nèi)外的HAPS發(fā)展?fàn)顩r

ITU-R長期以來一直開展HAPS相關(guān)技術(shù)問題及頻率劃分的研究工作，重點(diǎn)研究頻譜需求、候選頻段、關(guān)鍵技術(shù)以及現(xiàn)有頻率劃分的合理性及必要性等，特別是HAPS對現(xiàn)有系統(tǒng)的無線干擾問題，以促進(jìn)人們使用高空平臺系統(tǒng)獲得寬帶服務(wù)。

HAPS作為一種非常具有應(yīng)用前景的技術(shù)，獲得了美國、歐盟、日本、韓國等國家和地區(qū)的廣泛關(guān)注，相關(guān)技術(shù)研究的起步也相對較早。近年來，隨著太陽能電池板、輕質(zhì)復(fù)合材料、自主航空電子設(shè)備以及天線等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，HAPS的一些短板問題得到了解決，增加了其實(shí)際部署的可行性[4]。

我國在高空平臺的研究領(lǐng)域投入了大量的人力、物力和財力，在國家“863計(jì)劃”臨近空間站、國家高分辨率對地觀測重大專項(xiàng)、平流層飛艇預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)演示驗(yàn)證等項(xiàng)目的支持下，航空航天等相關(guān)單位同步開展了平流層飛艇和太陽能無人機(jī)的攻關(guān)工作，在飛艇安全回收、飛行控制、鋰硫電池、柔性太陽能電池和蒙皮材料等方面取得了一系列技術(shù)突破。目前整體技術(shù)水平處于世界前列。預(yù)計(jì)2020年左右，隨著人類對平流層環(huán)境的認(rèn)識還有待深入和HAPS搭載技術(shù)成熟，國內(nèi)高空平臺工程化應(yīng)用中有望實(shí)現(xiàn)突破，可為HAPS提供實(shí)用化承載平臺，這和5G規(guī)模商用的時間點(diǎn)相吻合。

4 5G的高空平臺技術(shù)方案

在ITU的研究中，將HAPS應(yīng)用歸類于地面業(yè)務(wù)，包括固定業(yè)務(wù)和移動業(yè)務(wù)。其中，固定業(yè)務(wù)用的地面終端均為固定臺站，臺站再通過其他無線通信技術(shù)（例如IMT、WLAN）與服務(wù)對象（用戶終端）通信，顯然，HAPS固定業(yè)務(wù)系統(tǒng)就相當(dāng)于一種多跳微波回傳網(wǎng)絡(luò)。本文認(rèn)為HAPS更重要的是應(yīng)用在下一代移動通信中，將5G基站部署在平流層平臺上，可以提供兩類服務(wù)，一類被稱為5G終端方案，是將5G基站部署在平流層平臺上直接為5G用戶終端提供服務(wù)；另一類被稱為5G中繼方案，可以利用HAPS 5G作為傘覆蓋進(jìn)行4G/4G+的回傳。

（1）5G終端方案：如圖1所示，將5G基站部署在平流層飛艇之上，可直接為5G用戶終端提供服務(wù)。地面終端也從固定的定制終端變成了全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)良好的移動通信終端，不但在提供的通信服務(wù)上更加靈活，也極大降低了用戶的終端采購費(fèi)用，具備低成本廣覆蓋的優(yōu)勢。同時，面向空中信號覆蓋不可達(dá)的區(qū)域，例如室內(nèi)、船艙等密閉空間，可以利用地面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行覆蓋。

圖1 HAPS用于5G終端通信系統(tǒng)

對于地面通信系統(tǒng)的基站而言，直接應(yīng)用于HAPS首先需要面對的技術(shù)難題在于鏈路預(yù)算受限，相比地面的覆蓋場景，空中基站需要更寬的天線波束（意味著更低的天線增益）和更遠(yuǎn)的覆蓋距離，以現(xiàn)有4G技術(shù)難以滿足大面積覆蓋的要求。其次，對于50 km半徑的覆蓋范圍，目前4G使用的單波束在容量上存在劣勢，容量密度顯著不足。而采用5G的Massive MIMO技術(shù)則可能彌補(bǔ)這一缺陷，相比地面基站，飛艇的安裝空間限制更小，可引入相比地面網(wǎng)絡(luò)更高規(guī)模的大陣列天線，從而提供更好的天線增益以彌補(bǔ)鏈路損耗，此外Massive MIMO技術(shù)提供的空分復(fù)用也可以極大提升容量密度。5G基站也可以滿足ITU關(guān)于HAPS固定業(yè)務(wù)臺站在天線方面的要求，比如采用五面體天線。

本文認(rèn)為HAPS用于5G系統(tǒng)，主要針對eMBB和mMTC兩大類應(yīng)用場景，提供廣域?qū)拵Х?wù)和廣域物聯(lián)網(wǎng)，例如廣域的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)可以包括在高山、高原、隔壁等區(qū)域，可直接與野生動物的信息采集模塊進(jìn)行通信，實(shí)時采集科學(xué)研究數(shù)據(jù)。總之，HAPS終端方案將使得運(yùn)營商能夠做到泛在覆蓋，可以在地面網(wǎng)絡(luò)不通達(dá)或者地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施不發(fā)達(dá)的區(qū)域提供5G商用服務(wù)，以增強(qiáng)5G用戶終端或移動平臺（比如高鐵、輪船、民航客機(jī)等）的5G業(yè)務(wù)連續(xù)性。

（2）5G中繼方案：利用HAPS 5G作為傘覆蓋進(jìn)行回傳。目前，以IMT系統(tǒng)作為回傳鏈路的IMT小基站產(chǎn)品已非常成熟，例如物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT小基站就已經(jīng)可以使用4G網(wǎng)絡(luò)作為回傳，在移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域提供物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。圖2為使用HAPS作為5G傘覆蓋的通信系統(tǒng)示意圖：

圖2 使用HAPS作為5G傘覆蓋的通信系統(tǒng)

這兩種方案組合使用，可以提供一套低成本的廣域傘覆蓋服務(wù)，與更短覆蓋半徑更高用戶體驗(yàn)的地面網(wǎng)絡(luò)形成差異化補(bǔ)充，滿足低價值區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求。例如：目前的船聯(lián)網(wǎng)多采用固定衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動中通設(shè)備，船載動中通終端支持的帶寬非常受限，且采購成本很高，極大限制了海上用戶的使用。而HAPS 5G網(wǎng)絡(luò)的船載終端則直接可使用CPE終端，且HAPS 5G可直接與海上用戶的手機(jī)終端通信，讓用戶獲得高速的移動通信服務(wù)。

5 HAPS運(yùn)營建議

HAPS 5G將主要用于移動通信運(yùn)營商的傳統(tǒng)低價值區(qū)域，更多地起到提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的效果，具備巨大的社會效益價值。目前，5G技術(shù)還處于標(biāo)準(zhǔn)化初步完成階段，還沒有商用產(chǎn)品，考慮到平流層的環(huán)境與地面存在巨大差異（白天高溫夜晚低溫、高輻射、低壓），預(yù)期HAPS 5G基站將晚于地面網(wǎng)絡(luò)若干年投入實(shí)際使用。

HAPS系統(tǒng)在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)上與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)存在相似之處，類似于部署在很低高度的衛(wèi)星系統(tǒng)，同樣的，HAPS系統(tǒng)也需要類似衛(wèi)星操作者的運(yùn)營企業(yè)進(jìn)行運(yùn)營。當(dāng)前，我國正大力投入臨近空間的研究力量，臨近空間飛行器將承擔(dān)科研、環(huán)境監(jiān)控、通信服務(wù)等多項(xiàng)功能，存在由國家組建平流層飛艇運(yùn)營企業(yè)的可行性，由專門的飛行器運(yùn)營企業(yè)來進(jìn)行飛行器的制造、運(yùn)營和維護(hù)，移動通信運(yùn)營商將作為其用戶使用其高空平臺提供移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。未來的投入將以租金的形勢支付給飛行器運(yùn)營企業(yè)，其模式類似于目前移動通信運(yùn)營商租用衛(wèi)星通信系統(tǒng)的模式。

6 結(jié)束語

我國幅員遼闊，由于海洋、沙漠和高山等地形的存在，我國仍有1/3以上的地區(qū)未能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。為解決邊遠(yuǎn)地區(qū)人口以及海洋漁民的通信需求，除利用地面通信和衛(wèi)星通信手段外，利用平流層高空平臺站提供通信服務(wù)是未來通信發(fā)展的重要手段。HAPS對解決南海、釣魚島等地區(qū)的覆蓋，甚至一帶一路的建設(shè)都有重要意義。

5G存在三大技術(shù)場景mMTC、eMBB和uRLLC，由于回傳和覆蓋距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面網(wǎng)絡(luò)，因此認(rèn)為HAPS 5G系統(tǒng)無法滿足uRLLC的低時延要求。由于HAPS 5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋巨大，特別適用于mMTC場景，比如作為終端方案使用。對于最初的可滿足eMBB業(yè)務(wù)需求的5G系統(tǒng)，在極速用戶體驗(yàn)方面還需地面5G系統(tǒng)與其互為補(bǔ)充，初期最好作為中繼方案進(jìn)行使用。根據(jù)ITU對5G技術(shù)的初步期望，5G地面網(wǎng)絡(luò)主要在室內(nèi)和熱點(diǎn)區(qū)域提供覆蓋，而通過引入HAPS 5G系統(tǒng)可以將5G覆蓋區(qū)域進(jìn)行相當(dāng)大范圍的擴(kuò)展，甚至到達(dá)遠(yuǎn)海和高空。