平流层上的通信——HIBS全球产业发展进展

责任编辑:王鹤迦 2024.02.26 07:58 来源:天翼智库

通信世界网消息(CWW)2024 年将成为HIBS 产业落地的元年。日本、法国等陆续计划2024 年在肯尼亚等地开展HIBS 商用计划,为HIBS 的发展按下了加速键。此外,2023年12月世界无线电通信大会(WRC-23)为HIBS应用划分了频率,有利于全球各国统一划分与分配,为其应用发展提供规则基础。

HIBS(HAPS IMT Base Station)通过高空平台(HAPS, High Altitude Platform Stations)搭载IMT基站提供通信网络服务,具有覆盖范围大、部署灵活、传播损耗小等优势,是实现大范围、低时延、低成本覆盖的有效手段。

标准组织、产业联盟双管齐下推动HIBS发展

ITU-R、3GPP从频率分配与标准冻结层面推动,为全球HIBS频率统一划分与分配奠定基础,HAPS联盟汇集各国产业主体能力,助力全球产业落地,标准组织与产业联盟双管企业,有利于HIBS快速形成规模经济。

ITU中低频的划分将促使各国业务协调一致:ITU-R世界无线电大会(WRC, World Radio Conference)从1997年便开始 HAPS 频率研究与划分工作。2019年前研究主要集中在高频附近,最新WRC-23中又将2.7 GHz以下部分频段(694-960MHz、1710-1980MHz、2110-2170MHz和2500-2690MHz部分或全部频段开展HIBS)划分给HIBS使用。我国根据自身需要,以次要业务加入了27.9GHz-28.2GHz频段HAPS 标识的脚注,并希望在已发放的频段中寻找合适频段用于HIBS,侧重灾后应急通信及补盲。

3GPP标准的研究将推动产业统一:3GPP从Release 15(R15)正式开展5G NR支持卫星网络、空中平台(HAPS)等非地面网络(NTN, Non-Terrestrial Network)技术研究。对相关部署场景的关键参数,如架构、轨道高度、频带等进行实验研究。NTN网络中HAPS用户终端的仰角需超过10°,滞空高度为8-50 km,波束足迹直径在5-200km之间。最新R18版本中,NTN相关研究覆盖HIBS场景,核心技术研究已冻结。标准冻结将形成统一技术规范,指导产品研发,推动全球产业链发展。

基于HAPS联盟,全球HIBS产业逐步形成:HAPS联盟由多家电信运营商、设备制造商、航空航天公司于2020年2月成立,成员主要包括日本软银、法国Airbus(空客)、Intelsat(国际通信卫星组织)、诺基亚等,联合开展多项 HIBS通信试验,共同推动通过平流层飞行器提供通信服务,初步形成全球产业结构以及以日法为主的发展格局。

各国纷纷部署,日法抢占产业先机

 日本:全球领跑,深耕技术突破与行业应用 

一是通过合作积极开展HIBS通信网络技术试验与性能验证。2020年7月,日本软银与卢旺达政府基于HAPS项目合作,探索如何利用平流层5G技术为卢旺达农村地区提供互联网连接。2020年11月,软银子公司HAPS Mobile和谷歌Loon联合开展技术测试,利用太阳能无人机为地面提供LTE连接,实现了地面手机用户与互联网用户间的视频通话。2023年10月17日,软银在卢旺达领空平流层进行了5G通信技术测试,实现“全球首次来自平流层的5G连接”。二是通过收购专利等方式,进一步确立行业知识产权领导者的地位。2021年9月,软银收购了Loon约200项HAPS专利,进一步确立了其在HAPS行业知识产权领导者的地位。三是通过成立新公司实现资源整合,推进HIBS业务加速落地。2022年4月,运营商NTT和卫星通信公司Sky Perfect JSAT成立合资新公司Space Compass,计划将于 2025 年使用HAPS在日本提供移动通信服务。

 法国:以航空公司为主推动产业融合发展,为HIBS商用按下了加速键 

一是积极加入产业联盟,与运营商、卫星公司等跨行业合作,实现技术互补。2021年11月15日,法国航空航天公司Airbus联合日本NTT DOCOMO完成无线电波传播测试,证明了与智能手机等设备进行平流层通信的可行性。2022 年 1 月 17 日, Airbus与NTT、NTT DOCOMO,和 SKY Perfect JSAT 宣布将共同研究基于HAPS的连接服务,推出天基无线宽带服务。二是通过与其他国家合作、建立基地等,率先实现商业落地,扩大其国际影响力。2023年,Airbus成立子公司Aalto HAPS,专注推动HIBS商业进程。2023年7月, Aalto HAPS与百慕大移动网络运营商Paradise Mobile合作,计划将于2024年在百慕大地区实现HIBS商业落地。2023年12月,Aalto HAPS在肯尼亚建立首个综合性基地,将于2024年第三季度为肯尼亚约3%的地区提供网络连接服务。

 美国:互联网公司领头推动HIBS技术创新,为全球相关产业发展奠定基础 

一是由互联网公司领头,全球范围内最早开始研究HIBS相关技术。Google自2011年开始着手研发HIBS相关技术,推出了 Project Loon 计划,而后陆续在新西兰、巴西、秘鲁等地进行试点,成功完成网络连接测试。Facebook于2014年启动Aquila项目,通过收购英国航空公司Ascenta,入局无人机制造及激光通信领域。二是积极推动创新,以热气球、太阳能无人机等作为高空基站平台,为后续发展奠定基础。Google Project Loon通过空中热气球向地面传输信号。Facebook Aquila项目使用激光和无线电连接形成高速通信网络,在高空提供网络信号。2016年6月28日,Aquila无人机实现首次试飞。2021年1月,Google宣布关停Loon业务,但长达9年的研究仍为高空气球实现互联网覆盖奠定了技术基础,成功创造了单只气球312天的飞行时间记录。

 德国、英国:目前未大规模部署,均处于技术测试阶段 

2020年10月19日,德国电信完成HAPS通信试验,平台高度14km,覆盖直径约10km,并实现了终端在HAPS小区与地面IMT小区间的切换。未来,德国电信将在HAPS平台上安装1028天线单元的大规模天线阵列,地面覆盖直径的目标为140 km。2023年12月,英国航空航天公司BAE Systems成功地完成了HAPS无绕线航空系统PHASA-35太阳能无人机的临近空间飞行试验。其搭载的Dstl通信传感器载荷有望用于传输5G通信网络。

对我国HIBS产业展望

HIBS具有成本、部署时间优势。HIBS单位面积的覆盖成本是5G的6.7‰,且高空平台设备相对地面静止,不受国际频轨规则影响,能够实现部署快速,是短期内卫星覆盖的补充方案,对于偏远地区覆盖具有成本及部署优势。

我国三大运营商目前均完成借助“卫星+无人机”的应急通信,但多是短时间驻留3000米左右的中空,有待解决通信设备对于高空低温低压条件的适配问题,实现相关能力向高空(20000米以上)推广。

未来,在空天地一体化战略的指引下,HIBS产业有望迎来新的一波发展风暴!

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