HAPS(高空平台站):卫星运营商在平流层的巨额投资

“气球是连通性的未来。”这听起来像是从托马斯·品钦(Thomas Pynchon)的蒸汽朋克(steampuck)小说中直接撕下的一条线,实际上这句话是Loon的核心使命宣言,Loon是Google/Alphabet的子公司,它想把气球发射到平流层来提供全球宽带连接。

发布在Loon’s网站上的一张图片显示,一个覆盖着太阳能电池板的发射器悬挂在一个半透明的热气球上。这是一个技术上被称为高空平台站(HAPS)的例子,它直观地展示了未来互联互通的前景,甚至未来商业卫星服务的模样。

地面通信、平流层和卫星技术分别适用于地球的不同地区和使用情况。Loon相信,通过上述技术,连通性问题将得到解决,Loon的技术主管、Google的高级软件工程师Brian Barritt博士说:我们很自豪能为连接生态系统添加一个新的解决方式。

这一新的连接方式吸引了世界上最大的全球卫星运营商——Intelsat的注意。

Intelsat负责业务开发的副总裁Greg Ewart说:HAPS技术已经提出20多年,但主要用于军事应用,复合材料、电池技术和太阳能天线的进步使HAPS在商业生产上更具可行性,类似于电动汽车的发展。

但是,引起Intelsat兴趣的一个问题是,高空气球能否将其卫星服务带到地球上,比以往任何时候都更接近消费者?

由于软件定义网络(SDN)的发展——它可以作为混合网络中多语言翻译官——HAPS平台可以无缝地集成到与地球同步(GEO)卫星的网络中。Ewart补充说,这种集成完全发生在后台环境中,用户大多数都不关心卫星如何工作,只希望在他们熟悉和喜爱的设备上提供可靠服务。

多年来,国际通信卫星组织一直在等待一条经济上可行的道路,与消费者建立直接联系,而不需要卫星专用硬件和地面上的一系列专业销售团队。HAPS是Intelsat多年来实现这一目标的最有希望的机会,因此它一致保持观察,等待合适的时机加入。

埃沃特说:“我们一直认为,没有一种技术能够从沟通的角度将所有人聚集在一起。”。作为一家公司,我们从来没有害怕过要在新的技术前沿上突破极限。基本上,这是我们的DNA。

国际电信联盟(ITU)对HAPS系统的定义也相当高。根据国际电联(ITU)的说法,HAPS系统是一个无线电台,位于平流层中的一个物体上,高度在20到50公里之间,并且位于相对于地球的一个指定的、标称的、固定的点上。HAP可以类似于气球或太阳能飞机,关键是要轻量化和节能,以确保长期、连续运行,以便在目标区域提供固定宽带连接。

在Alphabet的无限资源和支持下,Loon是第一个将HAPS从概念转换为原型的人。迄今为止,Loop在平流层的飞行时间超过100万小时,飞行里程超过4000万公里。

巴里特说:“在任何特定时刻,全世界都有几十架Loop飞行设备在高空飞行。”其中许多都专注于为我们的商业伙伴服务,比如在肯尼亚,而其他的则用于持续的研究和开发目的。我们从两个发射场发射我们的飞行器——一个在内华达州,一个在波多黎各。如果需要,我们可以利用我们定制的自动发射系统每30分钟发射一个飞行器。

Loons气球 或 LEO低轨卫星

与Intelsat一样,NSR分析师希瓦•穆鲁加南德姆(Shiva murugandham)也一直在关注HAPS市场。他为这项技术的未来撰写了几篇预测报告。最近的一份报告是NSR的第四版高空平台研究报告,于7月初发布。

Muruganandham认为,除了让卫星运营商能够绕过专业卫星设备,直接进入消费者设备之外,投资于HAPS还可以使GEO卫星运营商获得战略地位,以抵御即将到来的竞争性服务浪潮,包括低地球轨道(LEO)星座服务。

卫星不可能存在于真空中。Muruganandham说,运营商必须密切关注邻近的技术发展,并了解未来可能需要应对的新商业模式。

Ewart阅读了Muruganandham的报告,并承认,能够与炫目的新LEO系统形成清晰的竞争对比,将影响运营商是否会投资于HAPS。他解释说,大约两年前,HAPS技术达到了一个成熟点,这一点改变了Intelsat的想法。最终,在整个供应链上有影响力的科技公司的支持下,它终于便宜到足以生产、测试和验证的地步,并迅速走向市场。Intelsat已经开始通过HAPS为其蜂窝回程业务确定重要的商业机会。

埃沃特说,与传统电信市场相比,我们服务的一些细分市场(如智能采矿或农业)相当小或是区域性的。然而,他们需要复杂和昂贵的网络来服务。例如,为这类市场部署全球LEO网络的资本成本非常昂贵。它们需要数十亿美元的前期投入,还需要大量的工作来连接设备,创造收入和偿还债务。另一方面,HAPS正显示出颠覆性的优势,它将使我们能够以外科手术般的精度,以LEO网络成本的一小部分,以MNO(移动网络运营商)的性能直接面向MNO用户设备,并根据市场需求和成效,高效地配置资本。

HAPS和LEO系统确实有相似之处。它们都在相对地球不断地运动,这需要高度协调可操纵波束任务、无线电资源管理和网络路径规划。Barritt解释说,这就是Loon在某种程度上与Telesat等LEO运营商合作的原因。

然而,HAPS和LEO之间的一个很大的区别是,Loon flight vehicles离地球更近,这使得延迟更低,并且能够与许多人已经拥有的移动设备无缝通信。例如,Barritt说,肯尼亚的一个Loon服务的早期测试显示延迟为19毫秒。

Ewart说,通过将HAPS整合到其网络中,Intelsat可以直接进入新市场,与具有专门应用的特定MNO合作,逐步扩展其小区覆盖网络以满足需求,并且比竞争对手花费更少的时间和金钱。

Ewart说,在这些情况下,LEO星座、蜂窝铁塔和光纤所需的建造成本和维护费用,基于它们能够从所服务的低密度市场中收回的收入,实在太高了。除了更便宜之外,HAPS网络的部署速度更快,而且可以在几小时或几天内分解、重新配置和/或刷新。

最后,Intelsat意识到HAPS技术可以帮助运营商实现直接连接到消费者MNO设备的梦想。埃沃特说:“我们认为这一点非常重要。”传统上,卫星服务提供商总是连接到一个昂贵的专用设备上,比如VSAT(甚小孔径终端)、卫星电话或设备调制解调器。直接使用MNO设备可以使我们成为专用设备的廉价替代品。它打开了一个更大的可定位的市场,我们利用了MNO的低成本设备和市场准入的生态结构。因此,我们不仅是免费的,我们还可以使用HAPS来扩展我们的网络,超出传统卫星服务的业务范围。

新联盟

NSR的Muruganandham说,不管LEO卫星和光纤服务的新商业模式有多厚颜无耻,像Intelsat这样的运营商不能奢望等待竞争对手的失败。在被COVID-19和旅行限制严重破坏的商业环境下,商业模式仍然依赖于落后或下降的广播市场和专业宽带服务,GEO运营商需要采取明智、大胆的举措来保持相关性。他说,在Intelsat的案例中,战略似乎是要看看它们如何在HAPS生态系统中协同工作,并从共享任务中获益。

加入HAPS联盟,即2020年2月成立的由电信公司组成的财团,合作开发一个对所有成员都有利的可互操作的HAPS系统。国际通信卫星组织(Intelsat)是创始成员之一,截至7月底,它仍是包括空客、诺基亚、AT&T、T-Mobile、Airtel和Google Loon在内的团队中唯一的卫星运营商。

HAPSMobile是软银(SoftBank)和少数股东AeroVironment联合成立的子公司,联合成立了HAPS联盟,以寻求行业合作伙伴的帮助,以克服决定HAPS是否发挥其潜力(即互操作性标准开发)的成败挑战。

HAPSMobile高级副总裁Ryuji Wakikawa也领导着软银的先进技术部门,他坚信需要新的标准和跨行业的协调监管政策来实现HAPS解决方案。Wakikawa说:“有了统一的声音,我们相信我们可以大大加快HAPS的采用。”我们认为,向合作伙伴展示HAPS作为一个非地面网络,如何补充其他现有的网络解决方案,包括地面网络和卫星,这一点也很重要。SoftBank也认识到,构建具有互操作性的系统至关重要,实现向后兼容和不干扰现有网络。

Barritt解释说,互操作性有几个方面:终端用户设备互操作性;核心网络可操作性;以及不同制造商开发的航空航天网络设备基础设施之间的互操作性问题。

Barritt说,Loon的网络设计已经解决了大多数互操作性问题;我们与现有的MNO合作,并使用标准的3GPP接口与它们的核心网络集成,这些接口通常用于促进MNO之间的漫游。因此,最终用户能够使用他们现有的手机通过我们的航空网络进行通信。它是如此平滑,以至于最终用户无法轻易区分其与地面基站的连接。

除了汇集政治和监管专业知识和资源外,参与HAPS联盟的公司将对假设的HAPS网络中通用产品规范的开发有独特的看法(和发言权)。埃沃特说,对Intelsat来说,作为技术合作伙伴与成员单位的接触也是很重要的,因为这使他们能够在卫星技术之外更加独立地运作。

然而,Ewart注意到 更多的卫星地面系统制造商并没有在联盟中扮演重要角色。他说:“我们在联盟中所做的基本工作是利用更多与传统移动网络运营商相关的技术。”特别是对于我们在HAPS方面的工作,像iDirect这样的公司传统上为卫星产业提供的专业技术将被诺基亚所掩盖。在这种情况下,对于我们所需要的HAPS平台和我们所连接的现成设备,诺基亚的深度和知识是无法比拟的。卫星专用制造商必须投入大量的研发资金,才能在这个领域赶上诺基亚。

诺基亚确实将自己定位为该组织中的地面基础设施和技术领导者。诺基亚企业总裁凯瑟琳·布瓦茨(Kathrin Buvac)在HAPS联盟博客中写道:“随着现在增强的LTE无线网络,以及接下来的5G连接,我们可以使用HAPS平台为服务不足的社区带来重大的经济和社会效益,尤其是在偏远和具有挑战性的环境中。”

Barritt说,Loon和HAPS联盟有着相同的长期愿景,即建立一种消除地面、HAPS和卫星系统之间界限的连接服务。消费者不会注意到任何东西。Barritt说,为了实现这一目标,我们将参与3GPP中的集成接入和回程(IAB)和非地面网络(NTN)标准化工作,这是5G Release 17+的一部分。我们也一直在开发时间空间软件定义的网络(TS-SDN)基础设施,以促进这些未来混合网络的控制平面

气球坠毁-没人说这会很容易。

在这一点上,HAPS联盟的存在主要是为了展示能力,因为它仍然是一项新技术。此外,联盟并不是游戏中唯一的玩家。在世界各地,有40多个处于不同发展阶段的HAPS项目,每个项目都针对具有独特应用的独特市场,并面临着独特的挑战。

Muruganandham认为,HAPS的技术上界非常高,但联盟成员之间仍有很大程度的化学反应尚未形成,仍有许多可见和未预见的技术挑战需要克服,他说。控制气球本身就是一个挑战。HAPS的开发人员仍在研究如何克服shutter speed的问题和在埃克曼风模式中导航的模式,以实现在服务地区持续飞行的能力。

HAPS技术发展迅速,但联盟成员国一致认为,他们需要更好性能的电池。目前的气球和轻型飞行器需要坚固的结构完整性。与卫星在寿命到期时可在大气层燃烧销毁的卫星不同,气球和飞机会坠落在地上,这会造成潜在的安全隐患。

Barritt在Loon的同事、产品管理主管Ken Riordan承认,HAPS将面临重大挑战,但他补充说,这些挑战可以通过结合过去克服了更大技术挑战的公司的努力来轻松克服。他说:“我们认识到,要使HAPS技术发挥其全部潜力,我们需要整个行业、监管机构和政府的协调努力。”。尽管在Loon我们对HAPS非常熟悉,但我们也了解到,对于我们的大部分行业,HAPS还没有得到很好的理解。因此,联盟的首要任务之一就是对行业进行教育。

这些气球值多少钱?

在NSR最新一期的高空平台报告中,Muruganandham预测,到2030年,气球和伪卫星平台提供的HAPS服务将产生约40亿美元的累计收入。他说,这项业务的大部分将发生在美洲,既有商业客户,也有政府客户。

Muruganandham说:“这显然仍然是一个非常年轻的市场,但自从我们上一份报告编制以来,它已经开始活跃起来。”。特别是在商业市场,我们肯定认为通信和遥感应用是最初几年的主要驱动力。也就是说,HAPS的大部分业务仍然主要来自科学界,至少在近期内是这样。但我认为,归根结底还是要看这些联盟是否真的能推动航空和电信领域的创新,并引领行业发展。从这些相关性中产生的解决方案,特别适合于HAPS部署,从长远来看,肯定会在市场上出现。我确实认为商业市场的发展需要相当长的时间。

Muruganandham说,由于COVID-19病毒的流行,HAPS市场在未来十年的大部分时间里都将处于复苏状态,在役设备在10年内的复合年增长率(CAGR)平均为8.7%。

Intelsat的Ewart不同意murugandham的评估,认为HAPS的商业市场将在10年内发展。

埃沃特说:“我读了NSR的报告,虽然我尊重并重视他们的专业知识,但我认为他们需要在收入的服务方面更加努力。”。–我认为该报告在很大程度上倾向于平台的制造方面。MNO市场目前还没有被触及。这是我们需要追求的新领域。

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