高空平台系统（HAPS）——天空之塔

在平流层运行的无人高空平台（HAPS，High altittude platform system,也有解释为High altittude platform station的）可以为未覆盖或者只是部分覆盖陆地蜂窝网络的地区带来连通。

本白皮书强调了HAPS在满足全球更多宽带连接需求方面的潜力。HAPS是非常通用的：它们可以根据用例进行调整，以确定覆盖率或容量的优先级。此外，一架飞机可以在接到通知后立即部署到某个地点。因为HAPS可以使用LTE和5G，所以对用户设备没有特殊要求：即可以使用普通智能手机。因此，HAPS支持发达市场和发展中市场的各种用例，包括：

• 新领域覆盖——在没有蜂窝网络的地区提供覆盖

• 减少白点——填补蜂窝覆盖的空白

• 应急通信/灾后恢复——备份受损的地面网络

• 物联网（loT）——连接传感器、电器、机器和车辆

• 临时报道事件/热门景点——在特定地点增加额外容量

• 固定无线接入——一个宽带替代部署的固定线路

• 城市空中交通和无人机的连接——提供更好的空中连接

• 专用网络——使组织能够部署他们专用的蜂窝连接

• 地面站点回程——将基站和边缘数据中心连接到互联网

HAPS的实现场景

对于高空平台，主要的实现场景可能是：

• 专用的：移动运营商实现自己使用的HAPS平台。

• 共享的：HAPS平台可以作为参与移动运营商的合资企业来部署。这种模式允许平台成本在运营商之间分摊。

• 中性主机：私有实体将部署和操作HAPS平台，并以“平台即服务”的模式将其提供给运营商。

• 政府的：政府可将HAPS用于民用或军事用途。

• 混合的：将会有上述场景结合应用的情况。例如，移动运营商可以部署HAPS，并且作为主机运营商，它可以将该平台作为托管服务提供给其他运营商。

HAPS技术

对于HAPS来说，需要克服的关键技术挑战包括实现结构的耐用化与轻量化、能量存储和电力传输、热管理、系统可靠性、导航、耐久性和低空安全操作。不同类别的HAPS可能或多或少适合于不同地区的操作，并适用于特定的应用程序或用例。

气球体积小且重量轻，这简化了一些操作方面的工作。然而，没有办法准确地保持他们的位置保持在一个特定的区域，并且他们具有低功率和载货能力。

固定翼平台可以精确定位，它比气球具有更大的重量、动力和飞行时间能力。这样就可以支持更复杂的应用程序。平均而言，（中/高）几十公斤的载重和几百瓦以上的功率是可以实现的。它们在空气中停留的时间也比气球长，在载荷重量和功率要求不大的情况下，飞行时间可达几个月。

飞艇是最大的平台，在载荷重量（几百公斤）、功率（甚至超过10千瓦）和自主性方面具有更高的能力，空中停留时间可达一年。与固定翼解决方案一样，它们提供了平台定位的精确控制。然而，这些系统的规模带来了额外的操作复杂性。

空气静力学原理和空气动力学原理的混合方法正在考虑之中，可能会出现同时具有飞艇和固定翼飞机特性的较新的解决方案。

HAPS的监管和频谱

大多数民用航空管理局将规定的空域定义为低于60000英尺（高度18.29公里）的高度阈值。当一架飞机在这一高度以上运行时，它不再由传统的空中交通管理（ATM）系统管理，他们也无法与无人机进行管理和交互。

空间交通管理（STM）的概念——管理60,000英尺以上的操作——还处于探索和讨论阶段，尚未定义。但未来的法规可能会涵盖STM和所需的服务，要求某些机载应用程序，比如识别和跟踪。

根据国际电联的规定，HAPS目前可作为蜂窝基站的唯一频谱带是2.1 GHz。然而，WRC-23议程项目1.4正在考虑将HAPS为某些IMT确定的频段提供移动服务：694-960 MHz；1710-1885 MHz和2500-2690 MHz。

后续行动

HAPS将需要一个由伙伴关系和联盟（如航空、电信和政府）以及新型基础设施提供商——飞行平台公司来支撑的生态系统的支持。后者需要具备多学科能力，包括航空航天和电信技术。为了加快HAPS的发展，还需要以下要素：

• 研发经费

• 航空和电信规则的调整

• 对用例场景和经济的进一步研究

• 关于如何将HAPS集成到未来网络拓扑的其他概念

为此，全球移动通信系统联盟（GSMA）呼吁电信公司进一步研究并考虑HAPS在其未来网络中的机会，同时与航空公司合作，推动飞机设计和支持系统的技术创新，为电信有效载荷开发一个可持续的运营商平台。

与此同时，政府和监管机构需要认识到HAPS对实现技术进步、加速经济和为公民提供连接的重要性。为了实现这一目标，有必要开发平流层的无人驾驶飞机系统和协同交通管理系统，同时还要满足HAPS日益增长的无线电频谱需求。

论文简介

在平流层运行的无人高空平台系统（HAPS）引起了越来越多的研究和行业的关注。在其他应用中，HAPS可以为电信行业提供的主要好处有：它们可以通过覆盖更大的表面积来补充地面网络业务，不容易受到干扰，并可以快速部署[1]。

HAPS是指飞行或漂浮在约20公里高度的飞机或气球。它们是无人驾驶的，能够自动操作，其中一些系统能够在特定空间位置上停留。它们还可以起飞和降落，使其可以进行定期维护和更改有效载荷。除了传统的应用，如遥感或地球原位观测与测量，HAPS也可以在危机地区进行工作，或者可以作为网络节点[2]。

本白皮书的目标是促进HAPS技术的使用，以满足全球宽带连接的需要。它可以适用于农村地区、没有或低连通性的地区和难以到达的地区，这些地区很难建造地面信号塔。

本文是为那些对HAPS的发展和他们如何提供移动宽带连接感兴趣的人写的。

致谢

这份白皮书的创建多亏了以下移动运营商的贡献：

和支持移动运营商的贡献：

全球移动运营商的一个长期目标是，普及蜂窝网络覆盖来缩小能够接入连接服务和无法接入连接服务的国家之间的数字鸿沟。

挑战在于如何在经济上做到这一点。许多没有服务的地区要么人口密度很低，要么地面无线电系统很难到达。地理和地形的限制意味着部署基站的成本可能非常高，而收入将不足以证明投资的合理性。在郊外地区部署和维护广泛的地面网络也可能造成重大的环境成本。

与其部署昂贵且未得到充分利用的地面基站，倒不如创建一个具有成本效益和环境可持续性的平台，从空中提供同等水平的覆盖和能力。空中基站移动覆盖解决方案还可以提高在自然灾害或陆地网络中断期间蜂窝网连接的弹性。由于这些原因，该行业正在探索卫星和高空平台系统（HAPS）。

卫星系统

卫星系统可以根据它们所使用的轨道进行分类，如地球同步轨道、中地球轨道或低地球轨道（GEO、MEO和LEO）。

地球同步轨道（GEO）

GEO卫星利用了一个独特的轨道，当卫星位于赤道以上35,000公里的高度时，其圆周速度与地球的自转速度完全匹配。这导致卫星相对于地面上的观测者在天空中处于一个固定的位置。

这些系统很好地建立并形成卫星电视广播和固定连接服务的基础。GEO卫星可以与低成本的接收器一起工作，比如抛物面天线，它们指向天空中的一个固定位置，而不需要依赖任何昂贵的跟踪设备。然而，缺点是当通信超过35,000公里的距离时，传输时间变得很重要，卫星的波束分散在很大的表面积上。这意味着GEO卫星不适用于双向延迟敏感服务，而且它们不能提供与地面系统相同的单位面积容量。

低、中地球轨道（LEO和MEO）

低地球轨道和中地球轨道的特点都是卫星相对于地球上的一个固定点移动。LEO卫星的轨道在2,000公里以下，而MEO卫星的轨道在2,000公里到35,000公里（地球同步轨道）之间。在这两种情况下，轨道可以是赤道轨道、极轨道或倾斜轨道——一个系统可以使用这两种轨道的组合来提供真正的全球覆盖。

较低的高度导致较快的相对速度，因此LEO轨道上的卫星可能在能见度不到10分钟的时间跨度内经过地球上的一个固定点。

低轨道卫星，如LEO的优点是信号传输时间延迟比GEO卫星小得多，从较低高度投射的波束可以更集中，使地面单位面积的容量更大。然而，也有缺点——许多单独的LEO卫星需要提供连续的连接，卫星或地面接收机的波束跟踪对于维持良好的链接预算和支持机动性至关重要。

目前，LEO和MEO卫星星座用于提供如下服务，如全球定位、移动通信和loT服务。

高空平台系统（HAPS）

与卫星不同，高空系统是在平流层飞行或漂浮的飞行器，通常在20千米左右的高度。它们可能是高空自由漂浮的气球，飞艇，或使用太阳能或机载能源的固定翼飞机。所有系统都是无人驾驶的，在具有挑战性的环境中运行，在这种环境中太阳辐射很高，温度可以很低，并且设计用于长时间的空中飞行。对于打算向地面上的固定位置提供覆盖的系统，平台必须有电力以保持“空中工作”状态。

HAPS平台比卫星更接近地球，可以从定向天线向地面投射更小的波束，提高单位面积的传输能力[比特每秒每平方公里]。然而，飞机必须消耗足够的能量维持在空中，同时也提供足够的剩余能量来驱动它的有效载荷。因此，有效载荷功耗、质量和可用的能量供应都是系统设计的关键因素。

下表显示了卫星和HAPS目标部署的各种特征，涉及部署和操作复杂性、整体系统容量和延迟性能方面。

在频谱方面，许多新一代卫星正在转向毫米波，以提高在远距离场景下的容量性能。同时，HAPS得益于与地球较低的距离，允许在低频率（6 GHz以下，如图红框所示）使用许可频带向标准移动设备提供移动服务。HAPS和地面网络共存的解决方案是必须的。

以下章节探讨HAPS平台提供通信服务的潜在机会，同时考虑与维持飞行器队伍相关的经济内容，以及能够提供可行服务的最先进平台。

利益和机会

任何新技术都能产生新的商业机会，只要它能提供新的或改进的服务，并/或能够降低成本。在这种情况下，HAPS有潜力为未连接的移动宽带用户、固定无线用户和采用物联网（loT）设备的公司提供服务。

HAPS是通用的，这使它们能够支持各种用例。平台可以根据容量和覆盖面积的具体需求进行调整，也可以在接到通知后立即派飞行器覆盖某个地点。HAPS技术可以向上或向下扩展，以连接整个国家或大陆、一个地区或仅一个区域。现代天线波束的能力可以估计到预期目标区域的产能方向。例如，HAPS容量既可以分布到广泛的地区以提供全面覆盖，也可以集中在较小的感兴趣地区。

HAPS可以支持现有的网络基础设施，在某些情况下可能以更低的成本更快地部署连接。它们可以提供LTE、5G和新的网络演进。此外，对于给定的无线网络标准，用户设备（UE）没有特殊要求：可以使用普通的智能手机来代替专有的UE。该系统可以通过给飞机更换机身和安装新的天线来升级。系统更新和维护服务可以在加油暂停期间集中进行，不需要工作人员前往遥远的地点。

因为它们在平流层运行，HAPS对人类是不可见的。因此，它们可以用于人们担心陆地基础设施对景观的视觉影响的地区来提供覆盖。

由于液氢的能量密度更大，使用液氢的HAPS相对于航空燃料驱动的飞行器可能能够在空中停留更长时间。

HAPS可以支持用于发达市场和发展中市场中的各种用例，包括：

• 新领域覆盖

• 减少白点

• 应急通信和灾后恢复

• 物联网（loT）

• 临时报道事件和热门景点

• 固定无线接入

• 城市空中交通和无人机的连接

• 专用网络

• 地面站点回程

绿地覆盖

如今，实际上世界上所有国家都有一些移动网络覆盖，全球大多数人口已经连接上了网络。然而，一些大的地理区域缺乏任何类型的蜂窝基础设施。这些地区可以看作是移动网络的新领域。

下图展示了肯尼亚移动运营商的覆盖范围。它表明该国一半以上的陆地没有基本的连接。

资料来源：GSMA, hhts://www.gsma.com/coverage

根据联合国教科文组织（UNESCO）的数据，全球43%的家庭无法接入互联网，地面网络的铺设速度正在放缓[3]。价格实惠的互联网连接提供了教育、有价值的访问信息、各种服务以及与全球买家和卖家互动的商业机会。

由于人口密度低、地形或缺乏电力和电信基础设施，在这些地区部署传统无线接入网基础设施对运营商来说是一个挑战。

就新领域覆盖而言，较低数量的HAPS飞行器就可以覆盖广阔的区域，并有足够的容量。如有必要，可以对服务进行调整，以每天或者每周有限的时间通过HAPS提供互联网连接。HAPS的配套地面基础设施可设在人口密度较高的地区。

减少白点

与新领域相比，白点通常是在现有覆盖范围内没有覆盖的（几公里）小区域。它们主要是由地形障碍造成的。即使是在地理覆盖率通常超过90%的发达国家，小区边缘的用户也常常体验到中等的网络性能（见下图），这在农村场景中很常见。

此外，网络经济和规划限制可能使地面网络覆盖农村地区具有挑战性。正如许多人在乘坐火车、汽车或公交车时所经历的那样，由于覆盖范围不全，网络时常会中断。通勤者和其他旅行者，像自动驾驶汽车和卡车一样，也需要强大且无处不在的网络服务。

在大多数情况下，网络覆盖问题是由于地形形态造成的，小山和其他地理特征阻碍了周围地面基站发出的信号。虽然不同的运营商可能有不同的站点位置，但是大范围的地形障碍也会影响它们不同的覆盖足迹。因此，有些地区对所有运营商的覆盖都很差。

由于这些“白点”往往是小而不连续的区域，所以要覆盖它们就需要部署大量新的地面基站，这在经济上是不可行的。

下面的图片展示了在捷克和德国巴伐利亚的农村地区沿着随机选择的路线运行的商业网络。无覆盖的白点分别占8%和10%。此外，有些村庄的流量非常低，甚至没有覆盖，这些村庄可以通过HAPS提供的无处不在的地理覆盖受益。

HAPS的一个主要优点是由飞行器的操作高度提供的有利的无线电传播条件，从而使地面终端用户设备的视线有很高的可能性，但是在存在地形障碍的情况下，这可能会对地面通信造成不利影响（见下图）。HAPS还可以提高沿海地区的覆盖范围，并将地面网络无法覆盖的海上船只连接起来。

HAPS能够以比卫星更低的延迟提供接近100%的地理覆盖，可以确保沿交通廊道更可靠的连接。HAPS系统还可以连接地面边缘计算设施，进一步减少接近实时服务的延迟。

下图展示了西班牙索里亚地区的模拟覆盖，该地区可以由单个HAP提供服务，并将为99%的服务区域提供视线连接。

部分移动运营商开展了HAPS服务能力的实践试验。下面的图片说明了通过一个村庄，也就是典型的白点区域，在乡村道路上的驾驶测试的流量性能。测量是在车内使用标准的智能手机用户设备，比较HAPS和地面网络服务。

虽然HAPS可能无法在微小基站附近的位置提供与地面网络相同的峰值流量，但它在整个测量区域展示了出色的频谱效率（SE）。

测量结果表明，HAPS可以提供广域覆盖性能，而地面网络的服务性能随服务基站距离的不同而波动较大。

HAPS可以很容易地集成到现有的地面网络中，这也是要求。由于频谱是一种稀缺且昂贵的资产，HAPS解决方案需要以一种有效的方式使用频谱，以允许与地面网络共存。在这个用例中，两种技术相互支持以实现网络的全部潜力。

HAPS是在农村地区广泛利用中频（例如2.6 GHz）的唯一实际手段。虽然2.6GHz频段目前在城市地区作为容量层使用，但由于其传播特性，农村地区通常不部署，因为它更容易受到地形障碍的影响。这一波段可被HAPS充分利用，即使在农村地区（由于近视线传播），也不会对地面网络造成干扰。出于同样的原因，毫米波波段可以用于固定无线接入（FWA）。

HAPS将在5G及以后的网络发展中发挥越来越重要的作用，并与低轨道卫星开展动态合作。在目前的部署中，移动基站天线主要向下倾斜，地面网络不太适合服务于某些空中应用（例如，农业或视察的典型覆盖白点），HAPS平台甚至可以为城市空中的移动用户提供稳定的连接。

应急通信和灾后恢复

自然灾害和恐怖袭击可以破坏地面移动网络，甚至是紧急通信服务。HAPS可通过提供搜索、救援和应急小组协调的通信平台，帮助拯救生命。此外，互联互通将使人员能够恢复其他关键基础设施，如水、运输和能源供应。

由于HAPS覆盖面广，能够提供连续许多天的连接，对局部灾害事件的恢复能力，能够快速部署，他们是一个很好的支持救灾任务的候选者。此外，HAPS可用于在紧急情况恢复，地面网络无法使用的情况下，为普通公众提供呼叫能力。一架飞机可以覆盖比地面“信号车”紧急解决方案大得多的区域，而且可以更容易地重新分配到受影响的地区。

HAPS飞机将在机场准备就绪，在紧急情况下，平台可以被发送到目标区域，通过提供安全可靠的连接来协助紧急恢复。在适当的情况下，可以部署一个自给自足的地面卫星接收站，该地面卫星接收站拥有自己的电源，如柴油发电机，并通过卫星进行回程连接来支持HAPS。然后，该系统可以部署为现有应急通信体系结构的一部分，以改进应急管理。在波多黎各和秘鲁（2017年和2019年）的灾难中，HAPS概念已经证明了其价值[4]。

物联网

物联网（loT）是指各种车辆、机器、电器、设备和传感器的互联。loT可用于优化流程，降低成本和基于数据分析寻求新的业务机会。移动网络的作用是将捕获的数据传输到应用程序或其他设备上，在这些设备上进行数据处理。在可用电力有限的情况下，基本的要求是可靠性和有效的数据传输。运营商可能还需要提供安全、隐私和自主网络，以容纳大量不同类型的设备。

在工业领域，物联网（loT）可用于支持数据分析和机器学习，以提高自动化程度。工业物联网（loT）的一些例子是智能电网、智慧城市、智能制造或互联物流。物联网（loT）还可以实现预测性维护和智能能源管理，减少人工干预。物联网（loT）的另一个优点是提高了工业安全。

许多物联网（loT）应用不需要大量的容量；因此，可以部署数量相对较少、服务范围较广的飞行器，以支持高度分布式的物联网（loT）部署。HAPS可以支持增强的拥塞预测和控制方法，以优化网络性能。HAPS可以反映地面网络的安全和隐私功能，同时可以实现网络分段。

HAPS还可以支持V2X（车联网），或车辆和其他设施（基础设施、另一种车辆、网络、设备、行人）间的无线通信技术或通讯[5]。V2X连接可以提高道路安全，提高交通总体效率（减少拥堵等），并通过数据分析和车辆合作实现节能，同时实现车对车的通信。HAPS可以提供支持此用例所需的全面地理覆盖，同时还将连接带到地面上的边缘计算设施中，以进一步减少接近实时服务的延迟。

临时报道事件和热门景点

大型活动（通常是体育赛事）会将人群带到特定地区，增加对移动电话容量的需求。在接下来的几个星期里，来自世界各地的粉丝和电视制作团队可能会频繁光顾某个活动地点。HAPS是一种方便的方式，可以为具有挑战性的地形提供临时覆盖和容量，否则100%的覆盖几乎是不可能的。

例如，HAPS可以为达卡尔拉力赛（在撒哈拉沙漠、沙特阿拉伯或南美的沙丘举行）、环法自行车赛（赛事范围广）甚至冬季奥运会（即使在山区也无所不在）提供不间断的安全和视频流服务。HAPS还可以支持在拉普兰的越野滑雪，如瓦萨号比赛（Vasaloppet）或220公里长的极限比赛诺登斯基阿尔德斯洛佩特（Nordenskiöldsloppet）。

在这个用例中，HAPS的主要优势是无处不在的覆盖，这是在这种非典型环境中任何其他技术都无法实现的。这一覆盖优势将使无人机等新形式的流媒体成为可能。HAPS服务区域半径和单元容量可根据具体需求进行灵活调整。

热门旅游岛屿的容量需求也会在短期内增加，通常是在那些扩大地面网络造成挑战的地区。HAPS可在旅游旺季覆盖受欢迎的远足地区，为游客提供互联网连接，以搜寻地图和其他信息。该平台可以根据客户的需求灵活地从一个地点重新分配到另一个地点，夏季服务偏远岛屿，在冬季为山区提供覆盖。

固定无线接入

尽管有很大的推动力来增加光纤宽带的实用性，但为所有客户提供无处不在的光纤连接是不可行的，特别是在农村地区。通过HAPS提供的固定无线接入可以为没有任何有线连接的家庭提供足够的传输速率。较低的运行高度和较小的服务占用空间意味着HAPS可以提供比基于卫星的服务更高的容量和更低的延迟。

HAPS毫米波解决方案可以通过向偏远农村地区提供超高速宽带与固定线路服务竞争。在光纤引入和维护成本高昂的地区，HAPS可能是回程毫米波无线连接的唯一现实方法。通过为家庭和企业提供快速的信息通道，固定无线接入（FWA）服务可以支持农村发展。

城市空中交通和无人机的连接

城市空中交通（UAM）是一种在人口密集的城市环境中运输乘客和货物的新兴系统，将在不久的将来实现商业化。UAM系统可能采用远程导航（RPAS），最终实现自主化[6]。

RPAS和自主系统在飞行前、飞行中和飞行后都需要稳定的指挥控制和遥测连接。此外，车载信息娱乐和乘客连接也有数据服务的需求。

无人操纵的空中交通工具，通常被称为无人机，已经用于工业应用，如现场检查和保安。它们还可用于包裹递送，从提供紧急医疗用品到批量运送小包裹。

目前，由于法律限制和远程控制连接距离相对较短，大多数操作都受到视线条件（VLOS）的限制。然而，许多潜在的应用，如电力线检查和医院之间的医疗递送，将需要超越视线（BVLOS）的操作。BVLOS的操作依赖于广域连接，以及空中交通管理[7]。

优化地面移动网络，在街道层面提供连续覆盖。地面移动网络的天线的主波束向地面倾斜。因此，无人机（UAS）上的移动设备由随机单元提供服务，这意味着航空应用的服务质量可能不是很稳定。这增加了网络上的信令负载量，导致用户体验不佳。

HAPS可以解决这个问题。由于覆盖范围是从上方而不是地面投影的，所有城市空中交通（UAM）和无人机（UAS）应用都将由一个明确的单元覆盖区提供服务，并且不受地面障碍物的干扰，允许连续覆盖整个飞行任务。

无论在公营部门还是私营部门，都有需要私人无线网络的情况。这一要求可能是临时的或永久的，静态的或车载的，并且可能是局部的或全球性的。启用HAPS的虚拟专用网络的潜在应用包括：

• 采矿工业应用

• 将野外多光谱摄影测量数据送入云端进行分析的智能农业

• 监测风力发电场，取代目前不可靠的卫星服务

• 电视制作支持广域事件报道

在每种情况下，HAPS都可以根据客户的需求提供永久服务或临时服务，而不需要自定义终端用户设备。

HAPS将提供比卫星解决方案更好的容量和延迟功能。边缘计算功能可以位于地面站上，并可以在必要时纳入分布式核心网络。

在特定地区，很难部署回程链路使基站和边缘计算设施上线。

例如，群岛和其他偏远地区可能无法产生足够的通信量，以保证昂贵的固定光纤连接部署，而地形和天气障碍可能阻碍地面微波回程。此外，固定线路解决方案临时使用并不总是可行的，使用需要可能是季节性的或只是短期的时间。

一些移动运营商和技术合作伙伴正在考虑使用HAPS作为便携式基站和工业用例回程解决方案的一部分[8]。对于这些应用，毫米波和自由空间光系统（FSO）通信解决方案可以实现相对轻量级的有效载荷，允许使用更小的HAPS车辆，这些车辆可以以网状网络配置连接。自由空间光系统（FSO）主要适用于HAPS间的通信，但也可适用于某些地区的地面通信[9]。

与任何复杂的基础设施计划一样，HAPS平台可以在不同的实现场景中部署。所选择的模式取决于主要服务用例以及业务动机。

在较高的级别上，主要的实现场景可能是：专用的、共享的、中性主机和政府的，也可能是结合使用的。

专用的

在专用部署场景中，移动运营商实现了自己使用的HAPS平台，以在竞争中获得业务优势。服务差异化可能是面向市场扩大服务覆盖面的时机。

共享的

HAPS平台可以作为参与移动运营商的合资企业来部署。这种模式降低了资本投资和运营成本负担，因为平台成本在运营商之间分摊。

一个单一的物理平台可以作为MORAN（多运营商无线接入网）运行，其中每个运营商都可以使用自己的频谱资源，或者作为MOCN（多运营商核心网）运行，其中频谱也可以共享[10]。

中性主机

在中性主机模型中，私有实体将部署和操作HAPS平台，并以“平台即服务”模型将其提供给运营商。中性主机将实现和操作多承租者平台，以实现有利可图的业务模型。中性主机可以有航空或基础设施方面的背景，如平流层平台有限公司、空中客车或塔式基础设施公司。

由于HAPS操作概念的主要部分涉及电信领域之外的技术（请参阅后面的部分），中性主机或共享运营商方法可能是一种成功的模式。

政府的

政府可部署HAPS用于民用或军事用途。这方面的一个例子是公共保护和救灾（PPDR）通信系统，由政府机构或更广泛的实体，如欧盟运营。

混合的

也就是结合上述情景的情况。例如，国家移动运营商可以部署HAPS，并且。作为一个主机操作员，它可以将平台作为托管服务提供给其他运营商，知道它可以解决所有运营商常见的白点。

共享合资企业可以由参与的运营商私人出资，也可以部分由政府出资（例如，英国共享农村网络[11]）。

HAPS平台还可以作为非电信服务的宿主，如空中传感、监测和地图图像，为政府部署提供协同作用。

由于HAPS在约20公里高度的平流层运行，它们面临着地面基站的不同限制。作为商用无人机，HAPS面临着与导航、能源和通信等其他无人机系统相同的挑战。如先进材料（耐久性、成本、重量）、能源（太阳能、氢、电池）和人工智能（车辆自动化）等特定技术的研究和创新正在促进HAPS的发展。

过去20年的试验涉及到几种不同的HAPS设计：项目和试验探索了不同类型的飞机，所有这些飞机都具有不同的特性，涉及特定的技术方面。需要克服的技术挑战包括实现耐用的轻量化结构、能量储存、热管理、系统可靠性、导航、耐力和低空安全操作。平台的尺寸、定位控制的程度、最大有效载荷重量/尺寸/功率能力，以及飞行自主权，通常决定了给定平台对于给定用例的适用性。

除了满足用例产生的特定需求的技术适用性之外，平台的类型也对业务相关方面有重大影响。HAPS可能服务的各种用例、正在开发的各种平台，以及构建和操作这些平台所涉及的特定技术的数量，为许多行业提供了巨大的商业机会。

飞机

往返平流层的需要带来了一些挑战，这些挑战决定了HAPS的设计及其有效载荷。由于地面和操作高度之间的温度、直接太阳辐射和昼夜温度循环之间的巨大差异，热管理非常重要。在对流层中，温度随高度降低，但在平流层中温度随高度升高，因此飞机部件需要支持从 40摄氏度到-50摄氏度的偏移。在平流层中，温度范围在-15摄氏度到-3摄氏度之间。由于空气密度低，需要有大翼幅升力，或有大的总浮力体积。这些结构需要比地面上的结构大几倍，这使得实现具有高耐久力的低重量结构变得困难，并带来了操作上的挑战，如承受阵风条件，为有效载荷和其他机载设备提供存储。

然而，在较低的平流层运行具有降低平均风速的优势，因此，可以实现飞机推进和站位保持所需的动力更少，飞行时间和操作区域更大。飞行中最脆弱的部分是上升和下降，天气条件可能对低功率推进的轻型平台产生破坏性影响。此外，无人驾驶飞机必须穿越可能与其他飞机发生碰撞的管制空域：迄今为止，HAPS的发射大多数都是在更偏远的地区进行的。

此外，风和高空急流会影响HAPS的运行。不同地区和季节的平台需求和可达到的飞行时间（或有效载荷重量）存在显著差异：离赤道的距离越大，条件越差。冬季和秋季是最糟糕的时期，尤其是在每天日晒方面。这些因素甚至可能限制某些平台类型的适用性。因此，HAPS的能量产生和存储系统，无论是推进还是系统和有效载荷的供应，都非常重要。这种飞机通常依赖氢燃料和/或太阳能。

HAPS可分为空气动力学（或重于空气，例如固定翼/飞机）和空气静力学（或轻于空气，例如气球和飞艇）。这两个类型或多或少适合在不同的区域和特定的应用程序或用例中操作。

气球（如谷歌气球）体积小、重量轻，这简化了一些操作方面的工作。然而，没有办法精确地控制他们的位置在一个特定的区域，他们有典型的低功率和载重功能（几十瓦功率，小几十公斤重量），这限制了可能托管的有效载荷的复杂性，通常意味着容量和/或可用性限制。在自主性方面，其可以实现几个月的飞行（对于典型的有效载荷和有利的操作区域），谷歌在Loon项目关闭前对此进行了操作演示。

固定翼（如平流层平台有限公司，空中客车和西风，软银HAPS移动，天行者，阳光动力）平台可以精确定位，具有比气球更大的重量，功率和飞行时间能力。这样就可以支持更复杂的应用。平均起来，载重在中/高几十公斤和功率超过几百瓦是可以实现的。它们在空中停留的时间也比气球长，在载荷重量和功率要求都不大的情况下飞行时间为几个月。然而，正在开发的系统承诺将这些能力提高到100千克和几千瓦以上（取决于飞行时间）。飞机的翼展很大（甚至超过60米），它们需要特定的设施来降落/起飞和维护。

飞艇（如平流层巴士，Sceye公司，AltranEcosat公司）是最大的平台，在载荷重量（几百公斤）、功率（甚至超过10千瓦）和自主性方面具有更高的能力，可达一年（与其他任何平台一样，主要取决于有效载荷需求和操作区域）。与固定翼解决方案一样，它们提供了平台定位的精确控制。然而，这些系统的规模带来了额外的操作复杂性，由于它们的长度可能超过100米，高度可能超过30米，因此需要相当具体的设施来管理它们的运作。

查了一下，还真有这么一个图

空气静力学和空气动力学原理的混合工艺也在考虑之中，可能会出现具有飞船和固定翼飞机之间特性的较新的解决方案。

除了上面讨论的一般特征外，可能还需要考虑许多其他因素，这取决于具体的应用要求和监管限制。具体包括：

• 速度（水平和上升/下降），

• 部署范围（与能源和电池系统相关），

• 起飞和降落的限制（地点，天气），

• 可灵活地承载不同类型的负载，并随着时间的推移不断发展，以适应新的应用程序，

• 安全相关方面（例如，在灾难性故障的情况下适用于下降），以及其他操作因素（如平均维修时间（MTTR），维护程序等）。

通信系统

HAPS配备了特定的技术，如推进、电源管理、电池存储、太阳能/燃料系统、安全、遥测和飞行/有效载荷控制以及机载有效载荷和特定子系统。这些系统由平台类型控制。

相比之下，机载有效载荷针对不同的应用（有可能为多种同时服务的有效载荷），在尺寸、功率和重量方面的要求可能有很大的不同。根据使用情况，可能需要摄像机、传感器、雷达、其他成像系统、物联网特定模块、无线电接入设备（RRH、基带、天线）和无线电传输设备。

平流层的操作条件意味着一般不可能直接使用现成的通信设备。低气压、温度循环、振动和平台相对于地面或其他平台的接收器（在系统设计中考虑到HAP之间的连接时）的相对运动都需要考虑。

所需的通信设备将取决于访问类型（固定/移动）、蜂窝服务时的移动生成、所使用的频率、服务和经验质量以及业务覆盖范围。基带硬件可能是机载的，这可能需要对高流量的应用程序进行集中。或者基带可以保持在地面上，使用HAPS作为中继器，甚至采用类似卫星的结构，转换频率并将信号放大到地面。基带部署在何处的决定将取决于用例，以平衡容量、自主性、机载复杂性和功率/重量/大小等因素之间的相互作用。

下图概述了HAPS考虑的不同通信拓扑。

本节将概述HAPS的重要监管考虑事项，包括频谱可用性和使用，以及标准的制定。

航空当局和监管

大多数民用航空管理局将规定的空域定义为低于60000英尺（高度600,18.29公里）的高度阈值。这也是航空导航服务提供商（ANSPs）提供的一些服务的技术限制。当一架飞机在这一高度以上运行时，它不再由传统的空中交通管理（ATM）系统管理，他们也无法与无人驾驶机进行管理和交互。

在欧洲，一种被称为U-Space的无人驾驶交通管理（UTM）系统理应管理无人机（USA），但仅限于60,000英尺以下的定义、控制和不控制空域级别（A-G）。在欧洲，有一个统一单一天空的愿景：第一个欧洲航空安全局（EASA）对U-Space的规定于2021年发布，但尚未生效。

此外，还需要空间交通管理（STM）来管理60,000英尺以上的所有日常操作。这个概念还处于探索、讨论阶段，尚未定义。但未来的法规可能会涵盖STM和所需的服务，强制要求某些机载应用，如身份识别和跟踪。

请注意，每个国家对其领土上方的空域拥有主权，根据国家模式，空域管理可能被授予一个或多个服务提供商。目前，在缺乏监管框架的情况下，HAPS的运作是在与地方当局合作的特殊方式下进行的。除了交通管理之外，HAPS还需要遵守其他通用法规，例如安全、认证和与其他交通集成等最重要的法规。HAPS作业数量的增加将加强60,000英尺以上作业的监管框架，但在欧洲还没有具体计划。

频谱

在1997年的世界无线电通信大会（WRC-97）上，HAPS首次讨论了频谱。从那时起，大多数世界无线电通信大会（WRCs）都解决了这个问题，并有一些与此类系统使用频谱有关的规定。

根据国际电联的《无线电规则》，有两类HAPS获授权运行，这取决于他们提供的服务的类型。HAPS可使用下表所示的指定频段运行固定服务或移动服务。注意，每个波段都有许多技术和监管条件：

当HAPS的固定服务连接偏远地点的房屋或提供到基站的回程链路时，HAPS的移动服务将直接连接到用户设备上，作为空中基站运行。因此，后者被称为HIBS - HAPS，即IMT基站。

从上表可以看出，HAPS目前可作为基站的唯一频率是2.1 GHz，详见脚注5.388A。这一规定在WRC-03中得到了批准。第二次提到HIBS是在WRC-19会议上，当时WRC-23议程被批准。

WRC-23议程项目1.4根据第247（WRC-19）号决议，正在考虑在全球或区域一级，在2.7 GHz以下的某些频段使用HIBS的移动服务，这些频段已被确定为IMT频段，即：

• 694 - 960 MHz

• 1710-1885 MHz

• 2 500-2 690 MHz

ITU-R（国际电信联盟无线电通信部门）和许多区域集团正在进行初步研究。HAPS的任何操作授权将由个别行政当局与邻国协调授予。

在所有情况下，必须以确保有效利用移动频谱的方式发展技术。一般来说，建议在地面网络和空中同行之间有效共存（空中解决方案没有专门的频谱）。

标准

随着地面网络以满足新的和更苛刻的用例要求的发展和标准化方面的努力，特别是在3GPP方面，正朝着将非地面接入集成到标准5G系统的方向前进。这将发生在3GPP第17版中。

在服务需求初步研究项目的基础上，这些活动解决了5G新无线电的影响，并确定了应对协议、架构和网络运营问题的解决方案。这一努力的结果是，非地面网络将成为标准的5G接入机制。

然而，HAPS行业在研究项目和规范活动方面的贡献不足，可能导致对解决具体HAPS问题的关注不够，这反过来可能会延误市场上有效标准产品的供应。这可能需要HAPS行业参与者更多地参与标准化活动。

如前所述，HAPS用例和实现场景将根据当地市场需求、法规情况、地理位置、经济发展和特定于每个部署的其他参数而有所不同，且不太可能有一劳永逸的解决方案。紧急服务所需的操作和业务模式与在某些地区提供永久和连续的覆盖不同。

HAPS可能成为未来网络生态系统的关键组成部分，来补充地面和其他非地面网络。为了实现这一目标，必须降低复杂性，并建立交钥匙操作模型，使HAPS易于电信公司和其他潜在客户使用，或集成到其现有网络和产品中。

为了实现这一目标，需要建立和维持一个新的生态系统、伙伴关系和联盟（如航空、电信和政府），一种新型的基础设施提供商——飞行平台公司——需要建立起来(见下一节)。

价值链

在价值链中也有三个关键客户群体：

1. 运营商，交付给他们的最终用户

2. 行政部门：支持天气预报、森林监测、偏远地区监测等。

3. 国防用例

HAPS价值链

业务操作和业务模式

飞行平台公司的业务操作和业务模式将基于前面章节描述的实现场景和用例。为了满足HAPS不同的部署情况，灵活性是必要的。

他们的产品和服务组合将包括以下要素：

1. 飞行平台（最小范围）

a. 飞机购置、融资和维修

b. 机场基础设施

c. 飞行操作包括远程控制

2. 地面站和主干站

a. 建立和维护地面站，包括移动地面站

b. 地面骨干网

c. 地对空链接

3. 飞行网络

a. 天线和有效载荷

b. 网络集成

c. 网络管理

为了建立上述业务组合，需要建立和生产包括航空航天和电信技术在内的多学科能力。这些能力可以为新型基础设施供应商创造一个全球性的业务机会。

鉴于全球宽带连接的重要性（以及提供白点覆盖和紧急通信/灾难恢复的需要），网络运营商将HAPS视为现有地面网络的潜在扩展，并可能成为未来网络体系结构的组成部分。我们的任务是连接未连接的人。

看到HAPS可能给电信业带来的令人兴奋的机遇，网络运营商致力于推动创新。然而，仍然有许多挑战：该技术处于研发阶段，必须在一个更大的生态系统中进一步研究。为了使HAPS在不同用例的替代方案中具有竞争力，必须克服这些重大的技术挑战。然而，HAPS可以提供发展一种新型工业的机会，将电信和航空航天方面的专门知识与所谓的“飞行平台公司”相结合。

然而，初步的成本比较并不能提供在某些情况下HAPS与地面网络扩展具有竞争力的有力证据。需要进行更深入的技术经济比较，以进一步确定哪些应用程序可能最适用于HAPS，哪些应用程序潜力较小。这篇论文的第二版将包含更全面的经济分析，将于晚些时候发表。

一旦确定了HAPS解决方案（如灾难恢复救济）的明确机会，就需要以下要素：

• 研发经费

• 航空和电信的规则调整

• 除了灾后恢复，确定可以演示商业盈利企业的场景

• 关于如何将HAPS集成到未来网络拓扑的其他概念，特别关注空中和地面网络之间的频谱共存。

作为行动呼吁，我们发出以下邀请：

电信行业合作伙伴：

• 加入我们的HAPS之旅，与我们合作，帮助我们进一步研究HAPS，以支持未来的网络。

• 针对HAPS应用程序面临的挑战开发解决方案（特别是围绕频谱管理和共存）。

航空航天和无人机行业参与者：

• 认识到HAPS是一个新的商业机会。

• 推动飞机设计和无人机作战支持系统的技术创新，为电信有效载荷开发可持续的载体平台。

监管机构和政府机构：

• 了解HAPS对实现技术进步、加速经济发展和提供与人民的连接的重要性。

• 通过联合开发无人飞机系统（UAS）、无人交通管理（UTM）和平流层协同交通管理（CTMS），采取包容性的方法促进受控空域的遥控飞机系统（RPAS）操作。

• 认识到HAPS服务对合适的无线电频谱资源日益增加的需求。

投资者：

探索一种有利可图的新技术和相关的生态系统，作为有前途的投资机会。

参考文献：

[1] 航空航天杂志-高空平台-现状和技术趋势

[2]https://www.dlr.de/content/de/artikel/digitalisierung/projekt-hap.html

[3]https://en.unesco.org/news/global-education-coalition-facilitates-free-internet-access-distance -education-several

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[4]https://www.itu.int/en/mediacentre/backgrounders/Pages/emergency-telecommunications.aspx

[5] https://www.itu.int/

[6]https://www.easa.europa.eu/what-is-uam

[7]https://www.caa.co.uk/Consumers/Unmanned-aircraft/Our-role/An-introduction-to-unmanned-aircraft-systems/

[8] https://www.nttdocomo.co.jp/binary/pdf/corporate/technology/rd/docomo5g/20200122_01/DOCOMO_6G_

White_PaperEN_20200124.pdf

[9]https://www.itu.int/en/myitu/News/2020/04/24/09/24/Connectivity-from-the-stratosphere

[10]https://www.gsma.com/futurenetworks/wiki/infrastructure-sharing-an-overview/and https://ra-advisory.dk/onewebmedia/nwshare.pdf

[11] The Shared RuralNetwork https://www.mobileuk.org/shared-rural-network

[12] In Australia, BurkinaFaso, Cote d'Ivoire, Mali and Nigeria, as per 5.457.

[13] In Region 2 (Americas,Greenland and Pacific Islands), as per 5.530E.

[14] In Region 2, as per5.532AA and 5.534A.

[15] In Bhutan, Cameroon,China, Korea (Rep. of), the Russian Federation, India, Indonesia, Iran (IslamicRepublic of), Iraq, Japan, Kazakhstan, Malaysia, Maldives, Mongolia, Myanmar,Uzbekistan, Pakistan, the Philippines, Kyrgyzstan, the Dem. People’s Rep. ofKorea, Sudan, Sri Lanka, Thailand and Viet Nam, as per 5.537A.

[16] Globally, as per5.543B.

[17] Globally, as per5.550D.

[18] Globally, as per5.552A.

[19] In Regions 1 (Europe,Middle East, CIS, Mongolia and Africa) and 3 (APAC and Iran), as per 5.388A.

[20] In Region 2, as per5.388A.