基站安装于距地面约 14km 的飞行平台上,采用大规模天线阵列向地面发射 120 个波束,每个波束对应一个蜂窝小区,这样在地面就形成了一片由 120 个小区组成的连续覆盖区域。

 

基站就这样“上天”了!

 

 

 

可以妥妥的解决规划难、选址难、建站难、覆盖难、成本高等等各种建设地面蜂窝网络遇到的大把难题!

 

日前,德国电信演示了其高空平台(High Altitude Platform System,HAPS)项目的最新成果,并雄心勃勃的宣布了以上计划。

 

 

一时间,“基站上天”这个话题再次成了业界讨论的热点话题。

 

那基站到底是怎样“上天”的呢?

在本次德国电信成功演示的 HAPS 项目中,天线安装于可远程遥控的飞行平台上,该飞行平台位于离地约 14km 的平流层,可在地面形成直径约 10km 的覆盖小区,且在该小区范围内手机可直接与飞机上的天线连接通信。而飞行平台连接到地面核心网采用高频段、大带宽的无线回传。

 

该项目采用了 5G Ready 的 LTE 技术,工作频段为 2.1GHz,信道带宽为 10MHz,可提供 VoLTE 语音和数据通信。

 

 

路测结果显示,智能手机通过飞机上的天线连接德国电信的地面移动网络,下载速度可达 70Mbps,上传速度达 20Mbps。同时,手机还可以在飞行平台提供的小区与地面基站的小区之间实现来回切换。

 

德国电信表示,这是全球首次成功实现了将 HAPS 与地面商用移动网络集成在一起。

 

HAPS 覆盖面积广,尤其可以解决地面基站信号因受到建筑物、山丘等阻挡所产生的阴影效应而形成的覆盖盲点,因此是地面移动网络的良好补充。

 

德国电信表示:“本次演示表明,我们将来可以为任何地方带来快速的互联网连接,尤其是在一些传统地面基站选址难、建设难的地方。‘空中基站’将成为我们的移动通信网络的颇具成本效益的补充。”

 

据悉,该项目由德国电信和 SPL(Stratosphere Platforms Limited)公司联合开发,SPL 提供飞行平台。项目于 2016 年开始,到今天已持续投资了 5 年。

 

对于此次成功演示,双方均感到非常兴奋,并认为这是德国电信乃至整个欧洲的创新典范。

 

面向未来,德国电信还对外宣布了一个雄心勃勃的计划:

 

在飞行平台上安装面积约 9 平方米的,由 1028 个天线单元组成的大规模天线阵列,可发射 200 个波束,每个波束对应一个小区,200 个小区可同时在地面形成直径约 140km 的连续覆盖范围。

 

 

德国电信表示,一个飞行平台可部署数百个小区,理论上覆盖整个德国只需 30 架飞机,覆盖整个肯尼亚只需 50 架飞机,而覆盖整个美国只需 670 架飞机。

 

 

另外,该项目还在开发支持 6GHz 以下和毫米波频段的天线版本,以后 HAPS 不但将用于解决室外广覆盖,还将用来解决室内覆盖,部署固定无线服务以替代固网家宽,以及覆盖飞机等。并采用更先进的小区间协同技术来规避地面小区和 HAPS 小区之间的频率干扰等问题。

 

 

与德国电信类似,日本运营商软银于 2019 年 4 月宣布成立合资公司 HAPSMobile,也启动了 HAPS 计划,以构建面向全球业务的空中通信系统。

 

 

软银介绍,HAPS 指位于平流层的飞行平台可以像基站一样直接连接手机和物联网终端,并与地面的电信网络互联互通,从而实现天地一体的立体组网。

 

 

HAPS 位于距离地表约 10 至 50km 的平流层,比民航飞机飞行高度高,比卫星轨道高度低,且平流层里空气流动比较稳定、平缓,因此,HAPS 兼具卫星和陆地通信系统的优势,具有覆盖面积广、成本较低、传输延迟小、易配置等特点。

 

 

软银表示,一个 HAPS 在地面可覆盖直径约 200km 的面积,大约 40 个 HAPS 就可覆盖整个日本群岛。

 

HAPS 飞行平台采用太阳能供电,可在任意坐标处持续盘旋飞行 6 个月。

 

从软银 HAPS 组网架构看,飞行平台包括了 Service link 和 Feeder link,前者是直接与手机或物联网终端通信的链路;后者即回传链路,其通过高频段无线与地面网关连接,再经过地面传送网连接到移动核心网。

 

 

对于 Service link,软银计划采用 450MHz 至 2.6GHz 频段;对于 Feeder link,将采用 21GHz、26GHz、28GHz、31GHz、38GHz、47GHz 等高频段。

 

在运营商们热衷于“基站上天”这种创新的网络架构和服务模式的同时,标准组织 3GPP 也在研究 NTN(Non-Terrestrial Networks,非陆地网络)。

 

5G 和 6G 的梦想是全连接、全覆盖。但要实现这个梦想太难,运营商不得不花很多钱,建很多基站,尤其是偏远山区,建站成本高的吓死人,还几乎没有收入。即使不差钱,海上行驶的船只、空中飞翔的飞机,你怎么去覆盖?

 

最好的办法就是让地面的蜂窝网络“通天”,即与非地面网络(NTN),比如与卫星网络或 UAS(无人机系统)融合,打造立体式的广覆盖。

 

从上图可以看到,3GPP 的 NTN 与德国电信和软银的 HAPS 组网架构是相似的。

 

具体的讲 ,分为以下 3 种:

1)基于卫星透传 5G NR 无线信号

 

 

5G 基站(gNB)依然部署于地面,但 NR 无线信号通过卫星透传,并经地面的 NTN 网关传送到 gNB。简单的讲,卫星当直放站用。

 

2)卫星搭载 5G 基站(gNB)

 

 

3)卫星搭载 gNB-DU

 

 

5G 基站(gNB)分为 CU 和 DU 部分,将 DU 部分搭载于卫星上。

 

为了识别业务需求,以帮助运营商增加业务收入,3GPP 还确定了 NTN 网络的 12 大用例,包括基于卫星覆盖的广播和组播业务、基于卫星覆盖的广域物联网(NB-IoT 和 mMTC)、卫星回传、5G 泛在连接等。

 

过去,地面移动通信网络与卫星产业一直平行发展,很少相交,但如今随着商业航天发展以及 5G 和 6G 需求,两者正在融合。毫无疑问,这将有力的推动实现万物智联的世界。

 

但最后 NTN 或者“基站上天”也面临一些挑战,比如:

 

1)卫星行业缺乏统一的标准。一直以来,移动通信产业基于全球统一标准,每一个 G 都能快速实现生态规模化,而卫星行业在这方面比较缺乏。

 

2)将卫星技术集成在手机和物联网终端里,会带来成本、功耗的挑战,以及需要全球产业链协力支持。

 

3)卫星提供的网络容量有限,尤其在支持无线回传方面。

 

4)卫星对城市 5G 或 6G 部署可能没有任何帮助,因为这些地方的地面部署成本更低。