一种基于平流层高空平台的5G广覆盖解决方案2018年6月5G 的第一个标准R15已经在3GPP 全部完成，国内三个阶段的5G 试验已经结束，商用试验已经在多个城市开展。分析了5G 主要需求和相关的潜在技术手段，讨论了5G 的应用场景必将以室内/热点起步逐步走向广覆盖，包括卫星和高空平台的非地面接入手段将大大促进5G 广覆盖的发展，并提出利用高空平台实现广覆盖的技术方案及相应的对策建议。 5G 广覆盖；高空平台；5G 终端
（中国电信股份有限公司北京研究院，北京 102209）
孙震强
收稿日期：2018-08-21doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.09.005 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2018)09-0028-04引用格式：孙震强. 一种基于平流层高空平台的5G广覆盖解决方案[J]. 移动通信, 2018,42(9): 28-31.
【摘 要】
【关键词】
A Solution to 5G Broad Coverage Based on High Attitude Platform Station
The fi rst version of 5G standard R15 has already been completed by 3GPP in July 2018. The domestic three-stage 5G trials have completed, while the commercial trials have been deployed in several cities. The main requirements and related potential techniques of 5G are analyzed. As discussed, the application scenarios of 5G will gradually transit from indoor/hot spots to broad coverage. The non-terrestrial access means including satellite and high-altitude platform will greatly promote the development of 5G broad coverage. Also, the technical solution to broad coverage by means of high-altitude platform and the corresponding suggestions are put forward.
5G broad coverage; HAPS; 5G terminal
(Network R&D Department, China Telecom Beijing Research Institute, Beijing 102209, China)
SUN Zhenqiang
[Abstract]
[Key words]1 引言
由于大视频和新型社交应用的影响，2016年国内电信业务总量同比增长54.2%，再加上各运营商不限量套餐的实施，2017年国内电信业务总量同比增长76.4%，移动互联网渗透到生活方方面面。2018年
4月当月户均使用移动互联网流量为3.4 GB ，比去年同期增长154%，流量消费潜力保持高速释放态势。预计2018年全年通信行业将继续保持高速发展，这给通信
网络带来了巨大压力。
为了实现万物互联和4k/8k 等高清视频和虚拟现实（VR ）等大视频为主的数字洪峰，实现以用户为中心构建全方位的信息生态系统，ITU-R 从2012年开始研究5G 技术（IMT-2020），预计在2020年实现规模商用。目前，5G 愿景和需求已经确定，未来5G 应用将渗透到未来社会的各个领域，为用户提供光纤般的接入速率、“零”时延的使用体验、千亿设备的连接能力、超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等 多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同
时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低[1]。
按照ITU的定义，5G需要具备比4G更高的性能，支持0.1 Gbit·s-1~1 Gbit·s-1的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数十Tbit·s-1的流量密度，每小时500 km以上的移动性和数十Gbit·s-1的峰值速率。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，相比4G，频谱效率提升3~10倍，能效和成本效率提升百倍以上。
ITU已确定了5G的3个应用场景：高速率高频谱效率的增强移动宽带（eMBB）、高用户密度低能耗的物联网（mMTC）和低时延高可靠场景（uRLLC）。初期应用将以eMMB为主，考虑到5G高频段大流量的特点，主要考虑了室内、热点和CBD等区域[2]，而对广覆盖场景考虑不多。本文认为5G应用初期的广覆盖场景，尤其是郊区农村等会以4G为主，但应用后期5G必将逐步扩充到广大区域，特别是mMTC和未来的eMBB必将会应用到广覆盖区域。考虑使用高频段的地面进行广域覆盖的成本极高[5]，本文提出了一种新型的基于平流层高空平台的5G广域伞覆盖方案，具备成本低、部署快的特点，除了现在可以用于应急通信以及4G/5G混合组网，也适合在5G发展中后期使用。
2 平流层高空平台系统
高空平台电台（HAPS, High Altitude Platform Station）由美国SSI公司（Sky Station International）于1996年提出，是指位于距地球20 km~50 km高度并且相对于地球一个特定的标称固定点的物体上的一个电台[3]。HAPS处于距地面20 km~50 km的平流层中，通过一定的飞行动力与地面保持相对静止，可以使用已有的无线通信接入技术，如数字IP微波和IMT技术，用于低人口密度等开阔区域的大面积网络覆盖，与地面网络形成补充。
HAPS系统的高度位于临近空间，相当于将承载地面的铁塔提高到20 km~50 km的平流层中，当仰角为10°时可覆盖直径达100 km的区域，具备低成本大面积覆盖的特点，可用于地面网络不可达的
大范围网络覆盖场景。通过将5G技术引入HAPS系统，更可以实现广域的大带宽移动通信接入，与地面网络形成良好补充，例如在海上、偏远山村、山脉等场景可以提供远超卫星网络的大带宽通信服务。
3 国内外的HAPS发展状况
ITU-R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，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，特别是HAPS对现有系统的无线干扰问题，以促进人们使用高空平台系统获得宽带服务。
HAPS作为一种非常具有应用前景的技术，获得了美国、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、轻质复合材料、自主航空电子设备以及天线等领域的技术发展，HAPS的一些短板问题得到了解决，增加了其实际部署的可行性[4]。
我国在高空平台的研究领域投入了大量的人力、物力和财力，在国家“863计划”临近空间站、国家高分辨率对地观测重大专项、平流层飞艇预警监视系统演示验证等项目的支持下，航空航天等相关单位同步开展了平流层飞艇和太阳能无人机的攻关工作，在飞艇安全回收、飞行控制、锂硫电池、柔性太阳能电池和蒙皮材料等方面取得了一系列技术突破。目前整体技术水平处于世界前列。预计2020年左右，随着人类对平流层环境的认识还有待深入和HAPS搭载技术成熟，国内高空平台工程化应用中有
望实现突破，可为HAPS提供实用化承载平台，这和5G规模商用的时间点相吻合。
4 5G的高空平台技术方案
在ITU的研究中，将HAPS应用归类于地面业务，包括固定业务和移动业务。其中，固定业务用的地面终端均为固定台站，台站再通过其他无线通信技术（例如IMT、WLAN）与服务对象（用户终端）通信，显然，HAPS固定业务系统就相当于一种多跳微波回传网络。本文认为HAPS更重要的是应用在下一代移动通信中，将5G部署在平流层平台上，可以提供两类服务，一类被称为5G终端方案，是将5G部署
际使用。
HAPS系统在组网结构上与卫星网络存在相似之处，类似于部署在很低高度的卫星系统，同样的，HAPS系统也需要类似卫星操作者的运营企业进行运营。当前，我国正大力投入临近空间的研究力量，临近空间飞行器将承担科研、环境监控、通信服务等多项功能，存在由国家组建平流层飞艇运营企业的可行性，由专门的飞行器运营企业来进行飞行器的制造、运营和维护，移动通信运营商将作为其用户使用其高空平台提供移动通信网络服务。未来的投入将以租金的形势支付给飞行器运营企业，其模式类似于目前移动通信运营商租用卫星通信系统的模式。
6 结束语
我国幅员辽阔，由于海洋、沙漠和高山等地形的存在，我国仍有1/3以上的地区未能实现网络覆盖。为解决边远地区人口以及海洋渔民的通信需求，除利用地面通信和卫星通信手段外，利用平流层高空平台站提供通信服务是未来通信发展的重要手段。HAPS对解决南海、钓鱼岛等地区的覆盖，甚至一带一路的建设都有重要意义。
5G存在三大技术场景mMTC、eMBB和uRLLC，由于回传和覆盖距离远远大于地面网络，因此认为HAPS 5G系统无法满足uRLLC的低时延要求。由于HAPS 5G系统网络覆盖巨大，特别适用于mMTC场景，比如作为终端方案使用。对于最初的可满足eMBB 业务需求的5G系统，在极速用户体验方面还
需地面5G系统与其互为补充，初期最好作为中继方案进行使用。根据ITU对5G技术的初步期望，5G地面网络主要在室内和热点区域提供覆盖，而通过引入HAPS 5G系统可以将5G覆盖区域进行相当大范围的扩展，甚至到达远海和高空。
参考文献：
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[11] G Avdikos. Overview of the application of High Altitude
Platform (HAP) systems in future telecommunication networks[C]//International Workshop on Signal
Processing for space communications, 2008: 1-6. ★
孙震强：博士，现任中国电信股份
有限公司北京研究院副总工程师，
网络研发与运营支持部主任，中国
电信集团科技委员会委员，研究方
向为移动通信系统、SDN/NFV网络、
高空平台技术等。
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