發(fā)展迅速的高空平臺通信系統(tǒng)

中國電信北京研究院　孫震強(qiáng)



HAPS概念及優(yōu)勢



　　根據(jù)ITU的定義，HAPS（HighAltitudePlatformStation）通信系統(tǒng)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(yè)務(wù)，是一種良好的具有潛在應(yīng)用價值的無線接入手段。高空平臺（HAPS）通信系統(tǒng)的出現(xiàn)被認(rèn)為是通信領(lǐng)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(wèi)星通信之外的第三種通信系統(tǒng)。



　　HAPS的出現(xiàn)主要是為了降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)的昂貴花費(fèi)，同時也考慮到了減小對人體的電磁輻射等原因，ITU認(rèn)為這是一種適合發(fā)展中國家采用的技術(shù)。



　　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(wěn)定，同時風(fēng)速較�。簝H為40m/s（東西向），此外這還是一個未開墾的空間。



　　在應(yīng)用方面，主要的應(yīng)用目標(biāo)是對地監(jiān)測、導(dǎo)航定位、寬帶通信，包括固定和移動通信等等。



　　HAPS與衛(wèi)星通信、地面通信相比有許多明顯的特點(diǎn)，與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，其優(yōu)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(shè)維護(hù)和升級，又處于國境之內(nèi)，容易管理和協(xié)調(diào)的優(yōu)勢。與地面通信相比，HAPS具有超大覆蓋的特點(diǎn)，發(fā)射功率可以相對低一些，同時也具有容易升級和快速建設(shè)的特點(diǎn)，在發(fā)生災(zāi)難時不容易受到破壞。



HAPS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)



　　首先是飛行器技術(shù)和能源及飛行器控制技術(shù)：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(wěn)定技術(shù)也是一個難題。雖然平流層的風(fēng)速在10m/s～40m/s，但保持平臺位置穩(wěn)定度在幾百米內(nèi)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(shù)。如人們必須研究天線波束擺動模型以及非穩(wěn)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(shù)。要針對大氣層損耗特點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的研究。此外，系統(tǒng)間干擾也需要進(jìn)行研究。因?yàn)椋琀APS與地面通信和衛(wèi)星通信都有可能產(chǎn)生干擾。此外，HAPS對天線技術(shù)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(jì)600MHz為其可以使用的頻率。2000年世界無線電通信大會進(jìn)而規(guī)定HAPS可以用于第三代移動通信IMT－2000系統(tǒng)中（根據(jù)WRC－2000第221號決議，在第一區(qū)和第三區(qū)的1885MHz～1980MHz、2010MHz～2025Mhz和2110MHz～2170MHz頻帶，第二區(qū)的1885MHz～1980MHz和2110MHz～2160MHz頻帶，可以利用高空平流層電臺提供IMT－2000業(yè)務(wù)）。針對WRC－1997為HAPS技術(shù)在47/48GHz頻段劃分頻率，應(yīng)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(yè)務(wù)的共用條件繼續(xù)開展研究，下次世界無線電通信大會將繼續(xù)討論決定HAPS的頻率使用問題。



HAPS在國際上的進(jìn)展



　　美國：NASA、SKYTOWER等公司為主，“911”后，美國政府大力支持，政府進(jìn)行項(xiàng)目招標(biāo)，計(jì)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(fā)協(xié)會為主導(dǎo)，進(jìn)行官產(chǎn)學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)。



　　歐洲：歐洲航天局和英國政府資助進(jìn)行相關(guān)研究。HeliNet寬帶通信應(yīng)用。



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



　　中國：清華大學(xué)在建校90周年時進(jìn)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(xù)飛行2小時演示了帶有QoS機(jī)制的視頻會議系統(tǒng).



結(jié) 論



　　雖然HAPS系統(tǒng)近來發(fā)展迅速，但邁向?qū)嵱没�的道路卻很遙遠(yuǎn)，其中最大的課題就是飛機(jī)與飛艇的建造工作。作為真正平流層平臺的飛艇要比飛機(jī)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(fēng)險、高投資項(xiàng)目，不是一般的商業(yè)運(yùn)作，需要政府和軍方的大力支持�，F(xiàn)有的HAPS技術(shù)尚不成熟，由于沒有進(jìn)行過較大規(guī)模的技術(shù)試驗(yàn)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性都無從保證。我們應(yīng)深入研究共存技術(shù)和規(guī)則，為將來的商業(yè)化做準(zhǔn)備。



　　平流層平臺與那些隨著新技術(shù)的問世就被淘汰的技術(shù)不同，作為通信/廣播基礎(chǔ)設(shè)施的支柱，有望作為更為根本的基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)揮作用。此外，平流層平臺成為第3代手機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施的可能性不太大，但也許在第4代手機(jī)中能夠被應(yīng)用。



HAPS與衛(wèi)星通信、地面通信的比較







摘自　人民郵電報