E-Band mmWave Technology for HAPS and LEO Satellite Systems

Mike Geen，Filtronic，英国

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与低轨道卫星星座一起，在平流层运行的高空平台站（HAPS）系统或高空伪卫星有可能应对提供无处不在的连接的挑战。虽然在为人口集中地区提供高速移动网络服务方面取得了巨大进展，但地面连接永远无法覆盖地球表面的每一个角落。为了实现5G的全部承诺，并解决"数字鸿沟"问题，必须为不宜部署地面移动网络的人口稀少地区提供覆盖。这不仅对改善个人通信尤为重要，而且还因为许多物联网(IoT)传感器需要放在这些地区。本文概述了HAPS和卫星在形成"空中网络"方面的作用，并描述了在设计地球与卫星或HAPS之间以及平台本身之间回程数据所需的高速（10Gbps以上）通信链路方面的一些射频挑战。

目前情况

历代移动通信技术有效地覆盖了世界上人口集中的地区，现代生活已经开始依赖于这种无处不在的连接。大多数发达国家的移动网络运营商已经努力实现了连接通常约98%的人口居住地的目标。然而，对于地面移动通信系统来说，能够连接一切的5G目标——无论它在地球上的什么地方——仍然是难以实现的。在拥有固定或移动宽带连接且速度可接受的人群与没有连接的人群之间，已经形成了一条"数字鸿沟"。FCC目前将宽带连接定义为25Mbps，这使得美国的一些农村地区处于鸿沟的弱势一侧。此外，飞机和船舶等移动平台，以及许多位于偏远地区的物联网设备，很可能不在地面5G通信系统的范围内。

因此，仅靠地面通信网络是无法实现这一雄心壮志的，因为无论他们身处何地，都要将每个人和所有物体连接起来。因此，在20公里左右高度的平流层运行的HAPS以及350至1,100公里高度的低轨卫星群开始部署，以帮助应对提供无处不在的连接的挑战。HAPS站包括一个无人驾驶飞行器（可以是充气气球、飞船或固定翼飞机）和一个有效载荷，该载荷本质上是一个移动的5G基站，并由机载太阳能电池板或燃料电池提供电力。随着技术的发展，我们可以期待看到非地面网络与地面基础网络的融合，如图1所示。这带来了一些有趣的技术挑战，即在这些融合网络的每个网元之间建立可靠的链接。

图1 利用HAPS和低轨卫星的地面移动宽带和物联网融合网络。

频谱分配

随着这些空间和机载系统对带宽需求的增长，将需要更多的频谱来支持。电信业成功地游说为HAPS提供更多的频谱，在2019年世界无线电大会期间，同意分配26和38GHz附近新的更宽波段。此外，还为E波段（71至86GHz）颁发了实验性许可证。图2a总结了当前和拟用的波段，图2b显示了HAPS与地面站的连接的几何结构。在这些频率范围内有商用收发器和大功率放大器。许多系统已被证明在XHaul（前程、回程和中程）应用中是有效的。进一步开发和认证的这些系统将用于地球与HAPS星座之间的数据链路。

图2a HAPS和低轨卫星链路的拟用波段(来源：国际电联RR和WRC-19)。

图2b HAPS站与地面站链路的几何结构。

虽然HAPS网络将主要与现有的移动电话直接通信，但低轨卫星群也将产生对大量新的固定终端的需求。因此，这将产生对运行在55GHz以下频率上的组件的大量需求，而这些组件的产量在历史上是很低的。制造量的增加不仅给OEM厂商带来了挑战，也给测试设备制造商带来了挑战。同时，这也为设计和制造毫米波组件和子系统的公司提供了新的机会。

行业倡议

HAPS联盟成立于2020年2月，旨在创建一个生态系统，以促进高空平流层飞行器的使用，将连通性扩展到全球更多的人和地点。该联盟基于HAPSMobile（软银和AeroVironment的合资企业）和Alphabet的Loon（注：21年1月，Alphabet决定关闭Loon）早先提出的倡议，共同推进HAPS的应用。

除了这些自己开发高空平台的公司外，该联盟现在的成员还包括：电信运营商，包括AT&T、Bharti Airtel、中国电信、Intelsat、T-Mobile和Telefónica；航空和航天公司，如Airbus Defense and Space和Raven；以及技术供应商，包括爱立信、诺基亚和Filtronic。

对HAPS技术的兴趣越来越大的进一步证据是，在Telecom Infra Project内成立了一个非地面连接解决方案项目组，这是一个由Facebook赞助的以工程为重点的合作项目。

HAPS用例

HAPS技术在一些使用案例中具有独特的优势，主要是由于它有可能将增强的移动宽带扩展到难以到达或由于经济原因无法得到地面移动服务的地区。这些地区可能包括山区、偏远岛屿、海洋地区和发展中国家。另一个应用是为船舶或飞机上的乘客提供移动蜂窝连接，或为高铁、公共汽车等公共交通车辆上的乘客提供混合连接。它们还可以为光纤无法到达的偏僻村庄或偏远工业场所的用户提供固定无线接入。

然而，另一个用例是补充现有网络的能力，以满足不断加快的需求，并在紧急情况下为救灾提供"即时基础设施"。这可以确保需要高可用性的关键网络连接的灵活性。它们可以迅速部署，覆盖直径约100至140公里的范围，覆盖任何类型的地形，只需要最少的地面基础设施。

HAPS有可能用于以多播模式向网络边缘的RAN设备快速传送媒体和娱乐内容，以减少5G蜂窝用户的延迟，或用于直接对节点广播，即直接向家庭场所或移动平台上的用户传送电视或多媒体服务。HAPS还可用于大规模机器通信，与局域和广域物联网进行通信。

卫星和HAPS协作

虽然HAPS和低轨卫星似乎具有相同的功能，但它们是互补的。低轨卫星在相对于地球的轨道上迅速移动，因此更难协调，但覆盖的区域更广。HAPS离地球表面更近，发射和部署起来更容易，成本更低，延迟也更短。它们的特点是"持久性"——相对于地面保持静止的能力，而且与地面基站相比，它们的传输受树木和建筑物等障碍物的影响较小。与卫星不同，HAPS可以返回地球进行维护或重新配置有效载荷。它们实际上可以作为"空中基站"使用，在低密度地区提供额外的容量和广泛的蜂窝覆盖。它们还可以使用与地面3G、4G或5G网络相同的波段，但须经监管部门批准，这意味着HAPS有效载荷的设计应受益于5G地面基站的技术发展。

自1960年代末以来，用于通信中继的HAPS的实验工作就已经开始了，¹但直到移动互联网的发展才加速了其商业化进程。两种类型的HAPS之间存在一些差异。例如，由AeroVironment公司生产、HAPSMobile公司部署的太阳能动力无人机只能携带相对较小的有效载荷。另一种，像Stratospheric Platforms公司的燃料电池驱动的固定翼平台正在出现，它可以携带更大的有效载荷。最后，飞艇式平台，以及Loon公司正在使用的气球平台（图3）通常可以携带更重的有效载荷。这些飞艇已经被部署在非洲和南美洲的一些地区，以扩展移动网络。这两种类型的平台的共同点是可以灵活地升级到更新的技术，以及它们的多用途能力，因为它们可以适用于机构、商业通信或民用安全应用。它们可以随时联网并与其他平台连接。

图3 Loon HAPS（来源：Loon）。

HAPS链路特征

将融合网络分解为各个网元，就可以检查它们之间的每条链路所需的特性。雨水衰减是需要考虑的关键因素之一。仔细观察图2中的HAPS链路，对于一个海拔20公里的平台，覆盖面积可以达到70到80公里的直径，在30度仰角的情况下，链路长度一般会在40公里左右。图4显示了每公里的最大雨量衰减与频率的关系，以99.99%的可用性为条件。对于北美和欧洲的大部分地区（K区），降雨量约为42毫米/小时，E波段每公里16-17dB的衰减明显高于目前使用的50GHz以下的波段。然而，由于这项服务将针对以前完全没有覆盖的地区，对可用性的要求可能低于地面网络所要求的99.9%或99.99%，因此可以容忍由于雨水衰减而造成的一些中断。

图4 国际电联划分的不同降雨区的信号每公里衰减与频率的关系。

表1显示了不同波段分配中HAPS链路的潜在数据速率，其中对256QAM和QPSK进行了比较。由于较高频率下的天线尺寸较小，在相同的天线尺寸和信道带宽下，48GHz和86GHz的衰落裕度是相似的。同样引人注目的是，由于可用的信道带宽较高，在E波段使用256QAM的数据速率超过10Gb/s，大大高于低波段。即使被迫回落到QPSK以改善衰减裕度，仍可达到2.5Gb/s的数据速率。通过将E波段与31或39.5GHz相结合，可以提高可用性。

图5显示了计算HAPS之间最大距离的公式，显示了不同限制条件下的计算距离。通常使用的HAPS之间的距离是200公里左右。当平台处于这个高度时，雨和云的影响要小得多，最大的限制是地球表面的曲率。图6显示了不同波段的HAPS间链路所需的发射机功率，表明E波段的高空大气损耗与50GHz以下的V波段非常相似。较高增益的特定尺寸天线有助于补偿自由空间损耗。

图5 HAPS间链路的距离限制。

图6 HAPS间链路的发射机功率要求。

卫星链路限制

对低轨卫星链路的限制进行类似的分析，图7显示了可用的波段和有关的几何计算。SpaceX卫星所使用的轨道在350至1100公里的范围内，加上地面站的仰角为35度，因此链路长度在600至1700公里之间。现在，自由空间损耗与大气损耗相比，变得更加重要，因为有更高比例的路径在大气层之上。自由空间损耗比HAPS链路的高几十dB——在86GHz的1,700公里链路长度上约为195dB。

图7a 低轨卫星链路所用波段。

图7b 低轨卫星链路的几何结构。

当这一要求转化为系统要求时，在晴朗的天气条件下，对于毫米波卫星链路来说，180-200dB的系统增益是可行的，在天线增益小于58dB（相当于1米抛物线天线）和发射功率小于+40dBm的E波段中是可以实现的。然而，下雨是一个严重的问题，会限制E波段和V波段的可用性，在这两个波段中，系统增益需要增加20-40dB，以确保可接受的可用性。卫星间链路没有大气限制，地面曲率问题也较少，因此低轨卫星可以相距数百公里。

为避免链路中的雨水衰减，可以采用格形网络，将HAPS和卫星结合起来，形成一个弹性网络（图8）。因此，如果某个区域的平台受到雨水衰减的影响，那么可以利用软件定义网络技术将信号通过不同的路径进行连接，以避开受影响的区域。

图8 结合HAPS和低轨卫星的格形网络，可以避免链路中的雨水衰减。

MMIC技术和有源天线

虽然现在许多微波功率放大器技术都采用了GaN技术，以获得更高的效率和功率，但能在V波段或E波段工作的GaN器件还很少。一些实验性的GaN器件在100GHz左右的频率上已经显示出了可喜的成果，但尚未实现商业化，而要找到40GHz以上的商用GaN器件则很难。此外，虽然SiGe和CMOS器件可以在更高的频率下工作，但它们的功率很低，需要更多的元件才能达到所需的+60dBm左右的EIRP。

虽然相控阵和有源天线技术已被证明能有效地提高天线的增益和EIRP，并提供波束导向功能，但随着频率的增加，半波长尺寸变小，它们变得难以制造。增加元件数量也会增加功耗，因此使用元件数量较少的高功率GaAs器件已成为E波段的最佳解决方案。

E波段收发器技术

图9显示了卫星或HAPS的典型有效载荷。除了eNodeB (LTE)或gNodeB (5G)基站外，还有平台间链路和地面链路的收发器，这意味着每个平台都需要Ka、V或E波段的三个链路。

图9 HAPS/卫星有效载荷。

图10是用于E波段链路的基本收发器的框图。它是完全集成的，可用于71-76GHz和81-86GHz波段。它提供了一个超过20dBm的高度线性发射机输出，并支持256QAM及以上调制，以及超过2GHz的信道带宽。相位噪声在1MHz时通常为-112dBc/Hz。一个集成的双工器用单T/R端口作为天线接口，还有一个50路单连接器，提供模块和调制解调器之间的所有通信以及直流电源、基带数据和控制信号。由于需要容纳的元件数量较多，并且要减少有效载荷的整体重量，因此需要一个小而轻的外形。Morpheus II收发器的占地面积为90×80mm，重量仅为110g。对于更高的功率，可以使用组合功率放大器，例如Filtronic E-Band Cerus功率放大器可以提供大于2W的输出功率。图11显示了一个收发器模块的例子，该模块用于地面E波段链路，也为HAPS/LEO链路进行了定制。

图10 E波段基本收发器的框图。

图11 Filtronic Morpheus II E波段收发器。

结论

全球移动数据使用量正在迅速增长，5G带来的新用例将在地面蜂窝网络服务不足和难以服务的地区创造需求，例如更偏远和人口稀少的地区。地面网络将无法提供100%的覆盖，这为融合网络创造了明确的用例，该网络将把卫星和HAPS与地面移动网络整合在一起。虽然混合卫星解决方案预计在2023年至2024年之前不会出现，但卫星与5G网络融合的标准化工作正在进行。在2019年底3GPP R16版定稿后，预计卫星和HAPS系统可能成为R17版的一部分。由于频谱是有限的，并且受制于许多相互冲突、有时甚至是重叠的需求，预计毫米波将用于卫星、HAPS和地面终端之间的连接。美国联邦通信委员会已经批准了V、E和W波段的若干试验，证实了毫米波在未来的作用越来越大。

虽然毫米波的使用给半导体器件、射频系统、天线和网络架构带来了一些技术上的挑战，但一些数据速率高达40Gb/s以上的长距离毫米波收发器方案已经被开发出来，并在试验系统中成功地进行了演示，并将在未来的系统中得到改进。

参考文献

1.D'Oliveira et al.，"High-Atitude Platforms - Present Situation and Technology Trends，" Journal of Aerospace Technology and Management，Vol.8，No.3，2016，www.jatm.com.br/ojs/index.php/jatm/article/view/699.