基站是怎样“上天”的?

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本文来自网优雇佣军
 
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。
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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?
 
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
 
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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
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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)
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3)卫星搭载gNB-DU
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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。
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