發展迅速的高空平臺通信系統

2019-11-03 09:17:09

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

中國電信北京研究院　孫震強

HAPS概念及優勢

　　根據ITU的定義，HAPS（HighAltitudePlatformStation）通信系統是一種位于平流層的無線基站，通過位于20km～50km高空的電臺向地面用戶提供固定和移動業務，是一種良好的具有潛在應用價值的無線接入手段。高空平臺（HAPS）通信系統的出現被認為是通信領域的一種革命性變革，雖然目前在ITU的劃分中還屬于地面通信范疇，但今后它有可能成為地面通信和衛星通信之外的第三種通信系統。

　　HAPS的出現主要是為了降低衛星通信系統和地面通信系統的昂貴花費，同時也考慮到了減小對人體的電磁輻射等原因，ITU認為這是一種適合發展中國家采用的技術。

　　將傳播高度定位在平流層，主要是由其傳播特性決定的。在這一高度，空氣比較稀薄，只有海平面的百分之幾，浮力小但氣流穩定，同時風速較小：僅為40m/s（東西向），此外這還是一個未開墾的空間。

　　在應用方面，主要的應用目標是對地監測、導航定位、寬帶通信，包括固定和移動通信等等。

　　HAPS與衛星通信、地面通信相比有許多明顯的特點，與衛星通信系統相比，其優勢是高容量和高頻譜利用率以及時延比較小，具有相對比較容易建設維護和升級，又處于國境之內，容易管理和協調的優勢。與地面通信相比，HAPS具有超大覆蓋的特點，發射功率可以相對低一些，同時也具有容易升級和快速建設的特點，在發生災難時不容易受到破壞。

HAPS系統的關鍵技術

　　首先是飛行器技術和能源及飛行器控制技術：HAPS可以使用多種多樣的飛行器如氣球、飛艇等等，大體可以分為兩類，一種是重于空氣的飛行器（HGA），一種是輕于空氣的飛行器（LGA），目前輕于空氣的飛行器尚不能升到平流層。同時，能源的供給及平臺的穩定技術也是一個難題。雖然平流層的風速在10m/s～40m/s，但保持平臺位置穩定度在幾百米內也是不容易的。

　　其次是在平臺移動的條件下的通信保障技術。如人們必須研究天線波束擺動模型以及非穩定條件下的軟切換算法，如阻塞率、掉話率的控制等。

　　最后是傳輸信道的保證技術。要針對大氣層損耗特點進行相關的研究。此外，系統間干擾也需要進行研究。因為，HAPS與地面通信和衛星通信都有可能產生干擾。此外，HAPS對天線技術要求較高。

HAPS的頻率劃分

　　1997年世界無線電大會劃分47.2GHz～47.5GHz（下行），47.9GHz～48.2GHz（上行）共計600MHz為其可以使用的頻率。2000年世界無線電通信大會進而規定HAPS可以用于第三代移動通信IMT－2000系統中（根據WRC－2000第221號決議，在第一區和第三區的1885MHz～1980MHz、2010MHz～2025Mhz和2110MHz～2170MHz頻帶，第二區的1885MHz～1980MHz和2110MHz～2160MHz頻帶，可以利用高空平流層電臺提供IMT－2000業務）。針對WRC－1997為HAPS技術在47/48GHz頻段劃分頻率，應用較為困難的情況，提出考慮到雨衰影響，建議研究使用18GHz～32GHz范圍中的頻段，特別是考慮使用27.5GHz～28.35GHz、31.0GHz～31.3GHz頻段。本次大會決定對上述頻率使用的可行性以及與其他無線電業務的共用條件繼續開展研究，下次世界無線電通信大會將繼續討論決定HAPS的頻率使用問題。

HAPS在國際上的進展

　　美國：NASA、SKYTOWER等公司為主，“911”后，美國政府大力支持，政府進行項目招標，計劃沿邊界線部署，用于安全等目的。

　　日本：平流層通信平臺開發協會為主導，進行官產學聯合實驗。

　　歐洲：歐洲航天局和英國政府資助進行相關研究。HeliNet寬帶通信應用。

　　韓國：政府組織，和美國聯合，分三個階段（03/07/10），進展迅速。日美進行了聯合試驗，以太陽能作動力飛行的太陽能飛機“PathfinderPlus”上搭載了數字高清晰度電視轉播設備和第3代手機IMT－2000的基站設備，滯留在夏威夷的20km高空。

　　中國：清華大學在建校90周年時進行了一次演示，使用氦氣飛艇、汽油引擎螺旋槳在300M高空持續飛行2小時演示了帶有QoS機制的視頻會議系統.

結論

　　雖然HAPS系統近來發展迅速，但邁向實用化的道路卻很遙遠，其中最大的課題就是飛機與飛艇的建造工作。作為真正平流層平臺的飛艇要比飛機的載重量更大，目前世界上還沒有這樣的飛艇。

　　此外，HAPS是高風險、高投資項目，不是一般的商業運作，需要政府和軍方的大力支持。現有的HAPS技術尚不成熟，由于沒有進行過較大規模的技術試驗，系統的穩定性、安全性和可靠性都無從保證。我們應深入研究共存技術和規則，為將來的商業化做準備。

　　平流層平臺與那些隨著新技術的問世就被淘汰的技術不同，作為通信/廣播基礎設施的支柱，有望作為更為根本的基礎設施發揮作用。此外，平流層平臺成為第3代手機基礎設施的可能性不太大，但也許在第4代手機中能夠被應用。

HAPS與衛星通信、地面通信的比較