Sceye正在测试平流层信号塔20公里高空基站能否降低延迟？

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RahulRao IEEE电气电子工程师学会



今年晚些时候，一艘飞艇将从新墨西哥州起飞，开启横跨太平洋的飞行，这也是它迄今为止航程最长的一次任务。但真正的测试要等到抵达日本后才会开始。在那里，飞艇制造商 —— 总部位于新墨西哥州的Sceye公司，及其出资方与合作伙伴、日本电信巨头软银集团（SoftBank Corp.），计划测试这艘飞艇作为20公里高空悬浮通信基站的实际性能。

并非只有他们在规划平流层基站。理论上，悬浮平台相比地面信号塔能提供更理想的视距覆盖，并且比近地轨道卫星拥有更低延迟、更大容量。因此，部分工程师认为，只要飞艇技术能够落地，平流层将成为未来移动通信网络的关键组成部分。

渥太华卡尔顿大学的Halim Yanikomeroglu并未参与Sceye项目，他表示：“在我看来，航空航天方面仍需进一步完善飞艇技术，但这项技术即将成为现实。”

如何建造一座空中基站

Sceye的飞艇是高空平台站（HAPS，high-altitude platform station）的典型代表，它从地球平流层提供互联网接入服务。HAPS有多种不同设计，而Sceye选择的是自动驾驶氦气飞艇 —— 白天依靠太阳能供电，夜间则由电池供电。

在过往测试中，Sceye已证明其飞艇能够升至平流层，并通过电动风扇实现昼夜定点悬停。尽管20公里的高度已超越大部分地面气象影响，但由于平流层狂风肆虐，保持位置稳定仍是一项工程壮举。目前，该公司正在测试更长航时飞行，逐步向数月级连续飞行迈进，本次计划中的太平洋跨洋飞行便是其中一环。

高空平台基站若要真正服务于通信网络，往往需要在同一位置持续驻留数月甚至更久。目前的纪录保持者是空客旗下Zephyr的固定翼飞行器，据报道，它去年创下了连续飞行67天的纪录（https://www.aaltohaps.com/zephyr ... ys-in-stratosphere/）。

Sceye目前尚无法企及这一成绩，但公司首席执行官Mikkel Frandsen认为，其轻于空气的飞艇设计具备另一项优势：有效载荷能力。Frandsen表示，Zephyr这类飞行器仅能搭载数公斤设备，而Sceye正在测试的载荷重达250公斤。

更大的载荷意味着可以搭载性能更强的网络通信设备。在日本，Sceye将测试一款名为SceyeCELL的天线，这是专为平流层环境设计的MIMO面板模块。

SceyeCELL：https://sceye.com/press-releases ... -antenna-sceyecell/

MIMO：https://spectrum.ieee.org/5g-bytes-massive-mimo-explained

电信公司为何青睐高空平台站（HAPS）

Frandsen表示，Sceye今年计划与跨国电信企业开展两项、很可能三项商用测试。

业界对此抱有兴趣的原因之一在于：与星链卫星不同，SceyeCELL使用的频段正是现有手机所支持的频率。其天线还采用与地面基站一致的3GPP标准 —— 4G为eNodeB、5G为 gNodeB。这意味着地面智能手机无法区分信号来自地面基站还是Sceye的空中基站。HAPS研究人员指出，这类无缝连接至关重要。

研究人员认为，HAPS网络想要投入实际应用，还必须证明两点：一是平台自身能够稳定驻留，二是天线性能达标。

地面设备必须维持低延迟、稳定吞吐量的可靠连接。HAPS虽有望在气象条件之上运行，提供更优的视距覆盖，但如果在下方风暴天气中、或是高密度城市高楼之间出现覆盖不稳，这些优势便毫无意义。若多台HAPS共同为同一城市服务，它们还需实现相互通信。此外，空中网络不得对传统蜂窝信号产生干扰。

“高空平台站要想在已有地面基站的区域正常运行，建立完善的干扰管理机制至关重要。”Yanikomeroglu表示。

Sceye目前尚未开展HAPS间通信测试，但Frandsen称他们正在攻克其他关键指标：“我们计划验证平台能够回传至客户核心网络，同时验证前端可直接向终端设备发射信号，达到预期速率并将干扰控制在最低水平。”

平流层中的桥梁？

以往的高空平台站概念，比如谷歌现已关停的Loon气球网络，主要目标是为偏远地区提供互联网连接。

意大利帕多瓦大学的Marco Giordani并未参与Sceye项目，他表示：“事实证明，这类项目从经济角度来看并不具备可持续性，尤其是与卫星系统相比时更为明显。”

由于这些不利因素，HAPS的支持者如今开始考虑将其用于人口更密集地区的永久部署。“高空平台站的覆盖范围很广，”俄亥俄大学雅典分校的Animesh Yadav表示（他同样未参与Sceye项目），“如果只将它用于农村地区，那就大材小用了。”

Frandsen举例称，软银希望利用HAPS来增强卫星覆盖密度。如今大多数手机并不具备能与近地轨道卫星良好连接的专用天线。不止软银一家公司寄望于HAPS来弥补这一短板。

“在这种应用场景下，HAPS可以充当中继站，接收地面用户的通信流量，然后转发至卫星，再回传下来，”Giordani说，“我认为这一方向非常有前景。”

HAPS支持者构想了这样一张未来网络 —— 即便不是6G，也会是7G乃至更下一代技术 —— 它将地面、高空与太空融为一体，而HAPS则作为悬浮的中间层。部分研究者还提出了更具雄心的设想，例如在 HAPS 上搭载设备，用于边缘计算、联邦学习等任务。

当然，工程师们首先必须证明HAPS能够完成最基础的功能。