劍指B5G/6G非地面網路　HAPS通訊乘飛行器上高空

高空偽衛星(High Altitude Pseudo Satellite, HAPS)，係架設於高空的新一代通訊平台，其系統位置與性質介於地面通訊和衛星通訊之間，滯空時間可以長達數個月至1年，具有大範圍覆蓋和固定於空中指定範圍的特性。

依據國際電信聯盟(ITU)無線電規則第1.66A定義，HAPS為固定停留在20至50公里高空位置的基地台。HAPS在搭載通訊模組和各式感測模組後，能提供持續、大範圍服務並發展出多樣的應用情景，包含行動通訊、軍事通訊、災難通訊、空氣監測、環境監測等。

HAPS載體形式

HAPS載體可為三種形式，分別為飛機(Airplane)、飛行船(Airship)、熱氣球(Hot Air Balloon)。三種形式HAPS，在其載體擴充性、承載能力、操作性等面向皆存在差異。以熱氣球形式的HAPS為例，由於比空氣輕，因此不需要額外動力即可使其漂浮於空中，然而熱氣球形式HAPS通常是無動力平台，所以可操作性較為不足；相反的，飛行船形式HAPS配備推進系統，具有較高的可操作性，惟飛行船尺寸巨大，因此在起飛與著陸時有較高的摩擦力，需要大型地面控制系統方可進行操控；至於飛機形式HAPS則較為常見，具有最佳的可操作性，但無法對應地面，需覆蓋區域固定於天空且承載能力有限。

整體而言，目前產業界應用發展，以飛機與熱氣球形式之HAPS較具商業進展。

HAPS關鍵應用

HAPS三大關鍵應用，分別為衛星通訊中繼站、空中行動通訊基地台與空中持續性監測。首先，以HAPS作為衛星通訊中繼站，係指利用HAPS介於地面網路系統與衛星系統間之特性，使HAPS作為地面基地台與衛星間的通訊中繼站。藉由HAPS與地面設備或固網設備連接，再由HAPS於平流層中與衛星介接，以此串接地面/固網設備與衛星間的通訊，提供更有效率的網路服務。

其次，以HAPS作為空中行動通訊基地台，係ITU、3GPP等國際組織的討論重點。以ITU為例，ITU於2000年提出ITU-R M.1456及2006年提出ITU-R M.1641兩篇報告，便開始對使用HAPS作為行動通訊系統提供服務的技術要求與作業條件進行研究。在此基礎下，ITU於2019年世界無線電通訊大會(WRC-19)第247號決議文(Resolution 247)，研擬將HAPS視為行動通訊基地台(High-altitude Platform Stations as IMT Base Stations, HIBS)，並研議與地面行動通訊基地台使用相同的通訊頻段，以將其作為地面行動通訊網路的一部分。

值得一提的是，因HAPS位於距離地表約20至50公里的平流層，其高度介於民航飛機與衛星軌道間，且於空氣流動相對穩定的平流層中運行，可自高空穩定向下發送訊號，可提供直徑50至200公里的行動通訊網路覆蓋，故用於提供如飛機、船隻、汽車等終端設備移動網路服務，在其覆蓋範圍內可維持穩定通訊品質。相較於地面網路設備，以HAPS作為空中行動通訊基地台而提供終端設備行動網路，可使終端設備在移動過程中不需頻繁切換基地台，可獲得更好的網路品質。

最後，以HAPS用於空中持續性監測，係透過其搭載各式感測器(如紅外線感測器、高光譜影像器、自動識別感測系統、微波成像雷達等)之方式，借助HAPS可相對地面固定於空中之特點，可用於實現特定區域內之持續性監測。 因HAPS所處位置比起衛星相對較低，可提供更高之空間解析度。

以產業生態系角度而言，HAPS係一個高度跨領域之產業，除行動網路營運商外，更涵蓋飛行載具製造商、飛行塔公司等。

HAPS生態體系關鍵角色

具體而言，HAPS生態體系有五個關鍵角色，分別為：

．R&D研發人員

飛行載具開發人員，主要提供飛行載具的參考設計與規格，擁有飛行載具設計智慧財產權，透過授權獲取營利。

．製造商

飛行載具製造商，其生產成本高低對HAPS總成本具關鍵影響，亦對HAPS產業推展具一定影響力。

．飛行塔公司

除進行飛行載具的採購與維護外，還包含三個服務面向，分別為：

(1)飛行載具運行服務，如機場基礎設施、遠端飛行操作等；

(2)地面網路接收服務，係通訊服務中用於接收飛行載具傳送之通訊網路訊號，此外也包含地面骨幹網路的建設與維護；

(3)飛行網路服務，係提供飛行載具無線通訊服務，其涵蓋飛行載具設備端的天線、通訊網路整合管理等。

．天線供應商

係提供如遠端射頻模組(Remote Radio Unit, RRU)、主動天線模組(Active Antenna Unit, AAU)等設備之通訊服務設備商。

．行動網路營運商

透過與飛行塔公司合作，提供終端用戶行動通訊服務。

HAPS應用測試發展

另以產業端的應用測試發展而言，HAPS三種形式中，產業面係以飛機形式居多，其次為熱氣球形式，且不論飛機或熱氣球形式，產業面之應用測試皆以HAPS作為空中行動通訊基地台為主。

於飛機形式HAPS部分，近期標竿應用測試案例，如2020年8月，德國電信與英國新創公司SPL合作，於德國巴伐利亞洲進行5G Ready的LTE技術驗證。其HAPS飛行於距離地表14公里處，且向地面發射直徑超過10公里的行動網路訊號覆蓋範圍，並於範圍內使行動電話成功透過HAPS取得行動網路訊號，完成VoLTE語音通話之測試。

又如2020年10月，日本軟銀子公司HAPSMobile與美國飛機開發商AeroVironment合作，於美國新墨西哥州的太空港進行LTE網路連線測試，於測試期間行動電話成功透過HAPS達成連續15小時的LTE連線，且完成視訊通話測試。

至於熱氣球形式HAPS部分，標竿案例實屬以Alphabet子公司Loon LCC為代表。2019年5月，該案例的熱氣球形式HAPS由波多黎各起飛，期間越過祕魯並向南飛越太平洋，並於2020年3月在墨西哥降落，累積飛行時間長達312天；且實現飛行期間不間斷提供地面達18.9Mbps下載速度之行動網路訊號。

又如2020年7月，Loon與肯亞電信公司Telkom Kenya合作於肯亞進行行動通訊網路覆蓋測試，在為期三個月的測試中，有35,000人成功透過HAPS取得行動網路訊號，且完成如語音/視訊通訊、多媒體影音串流等服務測試。

受限於熱氣球聯網商業化進展延宕，Alphabet於2021年1月宣布解散Loon。而雖然Loon解散，熱氣球形式HAPS之技術與應用發展，仍有如西班牙航太運輸公司Zero 2 Infinity等，持續進行該技術運用於空中行動通訊基地台之發展。

HAPS通訊應用

隨著B5G/6G逐步發展，非地面網路通訊議題逐漸受到產業與標準組織重視。而歸屬非地面網路之一的HAPS於通訊上的兩大應用，涵蓋作為空中行動基地台，從空中提供大範圍、穩定行動網路；以及作為衛星中繼站讓地面與空中的其他基地台與骨幹網路連接。此兩大應用正是現行國際標準組織與產業端聚焦項目，於標準組織面向立基此兩大應用進行技術與操作規範研究開展，而於產業面向則立基此兩大應用進行應用測試與商用落地發展。

於標準組織部分，早於2015年3GPP即於Release 14展開相關研究，其後Release 15、Release 16，甚至進行中的Release 17，不僅持續強化HAPS與地面通訊網路間的網路互操作性技術標準化外，更進一步深化HAPS於不同垂直應用場景的技術與操作標準研究。觀察3GPP於Release 16與Release 17中HAPS相關之研究有案可考，目前由物理層技術端研究，如雙向傳輸延遲、頻率偏移補償、定時提前等，逐步擴展至垂直應用領域，如NB-IoT/eMTC與HAPS整合的實質落地。

於產業端部分，2018年起相關聯盟、企業與專案相繼成立，而其中最具代表性，係為2020年初由科技業者(如Alphabet、軟銀等)、通訊設備商(如Nokia、Ericsson等)、航空業者(如AeroVironment、Airbus Defence and Space、Bharti Airtel Limited等)，以及行動通訊營運商(如中國電信、德意志電信、西班牙電信等)所共同成立之HAPS聯盟，可視為產業發展的里程碑。而該聯盟致力於推進以HAPS作為地面行動網路的向外延伸，不僅解決數位落差問題，更實現無所不在的行動網路全域覆蓋。

HAPS關鍵技術發展趨勢/潛在技術挑戰

展望未來HAPS落地各式垂直應用領域，甚至隨著行動通訊技術之演進，期以實現下世代行動通訊6G追求萬物聯網與全覆蓋之應用潛力，可預期HAPS未來有三個關鍵技術發展趨勢/潛在技術挑戰。

首先，HAPS的可移動性雖然帶來高彈性通訊網路覆蓋之效益，惟不同垂直應用場景下HAPS所處高度與移動速度的不同，其潛在都卜勒頻率偏移、鏈路路徑變動延遲之差異，對於與5G、6G行動通訊網路的互通將會是一個挑戰。有鑑於此，未來需進一步研議高效且極簡的接入程序，以及相對應頻率偏移估計等解決方案。

HAPS具備地面基地台部分或全部功能之再生酬載型態，係可直接且高速提供如偏遠地區之行動網路覆蓋，再者透過複數台HAPS彼此串接更可帶來極高的行動網路廣域覆蓋。惟在此之下，複數台HAPS間的直接通訊方式將會是一個挑戰，故研議複數台HAPS下的高效率聯合傳輸方案將會是未來研究重點之一。

對於HAPS更廣泛的部署場景需求，以及頻譜效率問題而需求較高的頻譜使用效率，可預期波型設計將會是未來研究重點之一，期能依據目標場景的不同而配置適當的子載波間距(Subcarrier spacing)、循環前綴(Normal CP, NCP)等系統參數。另一方面，有鑑於萬物聯網的發展趨勢，為確保HAPS足以支援大規模巨量的聯網終端裝置/用戶的接入，可預期多址接入技術亦是未來研究重點之一。

(本文作者為資策會MIC產業分析師)