**概述**：2023年，一只漂洋过海的无人高空气球让全世界突然意识到：距地面约2万米的平流层，是可以长期驻留设备的空域。而在通信行业，"把基站飞上平流层"这条技术路线已经走了十多年——谷歌Loon、Facebook Aquila先后阵亡，空客Zephyr创造64天连飞纪录后坠毁，软银仍在推进HAWK30商用。本文回答三个问题：平流层基站在物理上有多难？Loon们为什么死？3GPP和ITU是如何从标准和频谱上给这条路线"上户口"的？标准侧解读以3GPP TR 38.821与ITU WRC-23官方材料为轴，商业史部分基于各公司当年官方公告与公开报道。 ## 目录 - 一、覆盖经济学：塔为什么不划算 - 二、两次著名阵亡：Loon 与 Aquila - 三、平流层四道坎：能量、环境、飞控、频谱 - 四、软银路线图：把 gNB 扛上2万米 - 五、标准与频谱：3GPP 和 ITU 怎么接住它 - 六、生态位之争：平流层对低轨卫星 - 七、老兵判断：谁会先活下来 ## 一、覆盖经济学：塔为什么不划算 干了十几年核心网和无线，我脑子里始终有一笔账：**全球仍有大片区域，建塔是亏本生意**。沙漠、草原、海岛、山区，宏站三扇区按半径2~3公里算，单站覆盖不过二三十平方公里，加上铁塔、传输、电力、回传和常年维护，每平方公里摊下来的成本在人口稠密区算得过来，在人烟稀少区就算不过来了。 于是行业一直有个念头：与其在地面上一个一个堆塔，不如把整个基站搬到高处去。搬多高？行业试过三层： 1. **飞机层**：改装支线客机或无人机在万米以下盘旋当基站，也就是ATG（空对地）路线，专攻航空覆盖，中国民航的机上上网走的就是这类方案； 2. **平流层层**：在约20公里的高度长期驻留无人平台，向下投影一个大覆盖圈； 3. **卫星层**：低轨星座直连手机，这两年已经商用。 平流层是其中最尴尬也最诱人的一层。诱人在覆盖：按视距公式估算，把接收和发射高度代入 d≈4.12×(√h₁+√h₂)，平台高度取20公里、地面终端取1.7米、最低仰角按5°算，单个平台的覆盖半径大约在170~200公里，对应覆盖面积十几万平方公里——是地面宏站的数千倍。尴尬在"长期驻留"四个字：这层空域离地太高、太空又太近，气象条件恶劣，能量只能靠太阳，一不注意就是机毁平台亡。 先把三层的家底盘一盘，后文再展开： | 路线 | 驻留高度 | 单点覆盖 | 单点时延 | 代表项目 | | --- | --- | --- | --- | --- | | ATG飞机 | 约10公里级 | 数百公里带状 | 毫秒级 | 各国航空互联 | | 平流层HAPS | 约20公里 | 百公里级圆盘 | 亚毫秒到毫秒级 | Loon、Zephyr、HAWK30 | | 低轨卫星 | 500~600公里 | 数百至数千公里 | 约4~40毫秒 | 星链直连、各存量星座 | ## 二、两次著名阵亡：Loon 与 Aquila 要理解平流层基站的现状，必须先读懂两次著名的失败，因为行业后来的很多设计，都是踩在这两个坑上长出来的。 **Loon：气球能上天，商业模式下不来。** 2013年6月，谷歌在新西兰放起了30个平流层气球，让50位试点用户率先接入，这就是Project Loon的起点。气球在约20公里高度随风漂流，通过调整高度"抓"不同方向的风层来实现编队。技术上它甚至真打过硬仗：2017年飓风"玛利亚"重创波多黎各后，Loon与AT&T合作，用气球在灾区上空临时撑起LTE覆盖，是全球公认的应急通信经典案例。2019年软银还参与了对Loon的上亿美元投资。但2021年1月，母公司Alphabet正式宣布关停Loon，官方理由直白：找不到一条成本可持续的商业路径。气球是租用平流层的"风"，为了维持覆盖，你得持续发射、持续回收、全球布气球，运营像一笔永远填不平的流水账。 **Aquila：两次试飞，证伪了"结构便宜"的假设。** Facebook 2013年成立Connectivity Lab，2016年6月28日太阳能无人机Aquila在亚利桑那首飞。原计划飞30分钟，结果飞了96分钟，代价是着陆时机体结构受损，美国国家运输安全委员会随后介入调查。团队花了一年多改进设计，2017年二次试飞成功着陆，但2018年年中，Facebook还是宣布不再自研飞机，转向合作伙伴提供高空平台的路线，自家的无人机项目就此终结。 **Zephyr：技术上的巅峰，也是风险的天花板。** 空客的Zephyr S是另一个极端：翼展约25米，自重只有70多公斤级别，却创造过连续飞行25天23小时的纪录（2018年）。2022年6月，Zephyr从美国亚利桑那起飞，一口气连飞约64天，刷新平流层驻留纪录——随后在7月于尤马上空意外坠毁。技术巅峰与机毁瞬间之间，只隔着一个没设计好的飞控边界。 三个案子的账本放在一起看，脉络非常清楚： | 项目 | 主体 | 平台形态 | 结局 | 核心败因 | | --- | --- | --- | --- | --- | | Loon | 谷歌/Alphabet | 平流层气球 | 2021年关停 | 移动驻留导致运营成本失控 | | Aquila | Facebook | 太阳能固定翼 | 2018年放弃自研 | 结构可靠性，商业定力不足 | | Zephyr | 空客（后转手BAE） | 太阳能固定翼 | 2022年64天纪录后坠毁 | 飞控与平台可靠性 | 十年沉浮，一图流过： ```mermaid timeline title HAPS 十年沉浮大事记 2013 : Loon 新西兰放起30个气球 2016 : Aquila 首飞96分钟 2017 : 软银入局成立HAPSMobile : Loon 驰援飓风灾区 2018 : Zephyr 飞25天创纪录 : Facebook 放弃自研Aquila 2019 : 软银加注 Loon 2021 : Loon 正式谢幕 2022 : Zephyr 连飞64天后坠毁 2023 : WRC-23 讨论 HIBS 频谱 ``` ## 三、平流层四道坎：能量、环境、飞控、频谱 平流层基站的难度，不在把东西送上去，而在让它**以基站级可用性挂在空中**。通信设备讲究"五个9"可用性，可平流层是个比机房恶劣得多的机房。 **第一道坎：能量账。** 太阳能无人机和飞艇的电力预算精确到瓦：白天要一边飞一边给储能充电，夜里全靠电池扛到天亮。Zephyr的办法是夜间主动掉高度、用滑翔省电，天亮再爬回作业高度——这不是优雅的设计，这是能量守恒逼出来的求生动作。而基站载荷本身还是耗电大户，射频满功率发射对整机的能量分配是持续挤占。换句话说，在平流层，"覆盖多大一圈"从来不是天线增益决定的，是电池容量和电机效率决定的。 **第二道坎：环境账。** 20公里高度气压只有地面的约5%，空气稀薄到普通螺旋桨几乎失去效率，必须用超大展弦比机翼和大直径低转速桨；温度在零下50摄氏度到零下70摄氏度量级；臭氧浓度高、紫外线强烈，材料要长期耐紫外老化；电子设备散热不能靠对流，只能靠辐射和强制风冷设计。地面基站机柜里任何一个放到这儿都是重新设计。 **第三道坎：飞控账。** HAPS要当基站用，前提是**位置相对固定**——下覆小区规划、邻区关系、切换参数都是按驻留位置配的，平台漂移几公里，覆盖圈就整体搬家，对地面就是一次"慢速割接"。但平流层有稳定的纬向风，全年大部分时间风速不低，只有季节性的弱风窗口（日本上空大致在初夏）。平台必须在这窗口内靠推进系统抵风悬停，全天候位置保持，这对飞控是极限要求。Zephyr的坠毁，恰恰说明这条坎还没有被彻底迈过。 **第四道坎：频谱账。** 平台对手机的下行链路，天然希望用低频段——穿透好、终端射频友好；而平台与地面信关站之间的馈线链路，用Ka这类高频段才有足够带宽。低频段在地面早已挤满移动业务，HAPS要来分，就得跟几十万个地面基站同频共存，干扰协调是频谱监管层面的硬骨头。这正是后面WRC-23议题存在的全部原因。 四道坎归成一张表： | 难坎 | 具体表现 | 行业对策 | | --- | --- | --- | | 能量 | 夜间无光照，储能有限 | 白天充电、夜间掉高滑翔、轻量化载荷 | | 环境 | 低温、低压、强紫外、散热难 | 超大展弦比机翼、特种材料、辐射散热 | | 飞控 | 高空风致位置漂移 | 弱风窗口运营、推进位置保持 | | 频谱 | 低频段与地面网同频共存 | ITU与各国监管专项议题、干扰协调 | ## 四、软银路线图：把 gNB 扛上2万米 Loon和Aquila谢幕之后，行业内还在正面推进HAPS商用的重量级玩家，日本软银是绕不开的一家。软银的思路跟谷歌不同：它不要"漂流的气球编队"，而要**位置准静止的平台，挂载标准化的移动通信载荷**，本质上就是一座飞在天上的基站。 载体上，软银与航空器制造商AeroVironment合作推进HAWK30太阳能固定翼无人机——2019年HAPSMobile入股AeroVironment，两家在HAPS平台上的绑定由来已久；HAWK30采用超大展弦比机翼，全翼展布满太阳能电池，设计目标就是在平流层做长期准静止驻留。按软银在其官方HAPS专页（https://www.softbank.jp/telecom/special/haps/）持续发布的规划，其商用瞄准的是2020年代中期，主推三类场景：**孤岛与偏远地区覆盖、灾害应急恢复、运营商网络的区域容量补充**。这三类场景对日本这个地震台风频发、又散布着大量离岛的岛国来说，账是算得过来的。需要说明的是，截至本文写作，软银HAPS的实际商用进度以其官方发布为准，公开渠道能看到的仍是持续的地面试验与载荷集成验证。 从核心网视角看，一座HAPS基站在网络里长什么样？逻辑上它是典型的NTN透明转发架构：gNB的功能大多还留在地面，平台只做射频中继。我把架构画成下面这张图： ```mermaid flowchart TD CN["5G核心网"] --> GW["地面信关站"] GW -->|"馈线链路 Ka频段"| PL["平台载荷gNB"] PL -->|"用户链路 低频段"| UE["地面手机终端"] PWR["太阳能加锂电池"] --> PL FLT["飞控与推进"] --> PL PL -.->|"覆盖半径百公里级"| AREA["区域覆盖圈"] ``` 这套架构对运营商的真正价值在于：**平台换掉，网不变**。信关站以下是普通的回传承载，核心网无感知；哪天HAWK30退役换了新平台，地面网络侧的改动被压缩到信关站一段。这是3GPP把HAPS纳入NTN体系后给产业留下的最大红利——运营商可以像换RRU一样"换平台"，而不是重起一张网。 ## 五、标准与频谱：3GPP 和 ITU 怎么接住它 一条新技术路线能不能活，技术只占一半，另一半在标准和频谱。这两件事，HAPS都已经有了"户口"。 **标准侧**：3GPP在Rel-17启动非地面网络（NTN）标准化时，就明确把HAPS纳入NTN的场景集。权威依据是3GPP TR 38.821《Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN)》（可在3GPP官网38系列报告页查阅：https://www.3gpp.org/dynareport/38-series.htm），该报告把NTN场景按平台高度和载荷处理方式分成多类，其中专门定义了基于HAPS的场景，并在架构上区分了**透明转发**（bent-pipe，平台只做射频放大转发，基带在地面）与**星上处理/再生**（载荷具备部分gNB功能）两类。HAPS因为平台高度低、链路余量相对好，天然更适合从透明转发起步——这也与软银等厂商的工程选择一致。Rel-18、Rel-19持续做NTN增强，HAPS作为其中一类平台，跟着整个NTN体系往前走。 **频谱侧**：HAPS的基站形态（HIBS，HAPS IMT Base Station）进入了世界无线电通信大会的正式议题。WRC-23（2023年在迪拜召开）的议题1.15，专门审议在移动业务频段为HIBS划分频谱（大会官网：https://www.itu.int/en/ITU-R/conferences/wrc/2023/Pages/default.aspx）。通俗地说，就是讨论"让天上那座基站在哪些低频段上、按什么条件与地面几十万个同频基站共存"。这个议题的推进节奏，直接决定HIBS能不能拿到"行医执照"。 把这两件事放在一起，你会发现行业给HAPS设计的路径非常清晰：**先用NTN标准把"网络侧长什么样"定下来，再用WRC把"用哪些频率"定下来**，剩下的才是平台本身能不能飞得久、飞得稳的工程问题。标准先行、频谱护航、平台殿后——这个次序，恰恰是Loon时代不具备的。当年Loon连3GPP的正式门都没进，靠的是自家私有方案加临时合作；今天任何一家HAPS玩家，都是站在3GPP和ITU画好的格子里面。 ## 六、生态位之争：平流层对低轨卫星 这两年手机直连卫星已经商用落地，很多人会问：卫星都直连手机了，平流层基站还有存在必要吗？这是个好问题，答案是：**两者根本不在同一个生态位**。 低轨卫星在550~600公里轨道上，单颗过顶时间以分钟计，要连续覆盖必须铺星座，星座动辄数千颗；单颗卫星的容量摊到巨大的波束 footprint 上，单位面积容量密度天然稀薄。而HAPS平台在20公里高度，覆盖半径约200公里，覆盖圈内的频谱效率可以做到接近地面网络——用行话说，HAPS的容量密度比低轨卫星高出量级，代价是单点覆盖远小于星座。 再直白一点：卫星直连抢的是"有没有"（稀覆盖、窄带话音与消息），HAPS抢的是"好不好"（宽带容量、本地回传、区域增强）。灾害场景最能说明差异——地震摧毁地面站后，卫星直连能保住电话和短信，而一个HAPS平台可以悬停在灾区上空，把整个区域的宽带网络重新撑起来，容量够支撑恢复期的大量并发业务。 | 维度 | 低轨卫星直连 | 平流层HAPS | 地面宏站 | | --- | --- | --- | --- | | 覆盖逻辑 | 星座全球铺 | 单平台区域悬停 | 单站蜂窝堆叠 | | 单点覆盖 | 数百至数千公里 | 百公里级 | 公里级 | | 容量密度 | 低（footprint大） | 接近地面网 | 最高 | | 空口时延 | 约4~40毫秒 | 亚毫秒到毫秒级 | 毫秒级 | | 部署速度 | 发星周期长 | 平台升空即可用 | 站址获取慢 | | 连续覆盖成本 | 极高（数千颗） | 中（单平台机队） | 高（海量站址） | | 技术成熟度 | 已商用 | 试验与准商用之间 | 成熟 | ## 七、老兵判断：谁会先活下来 最后说说我的判断，按一个老运维的直觉排个序。 **最先落地的，是"灾害备份"这个场景**。日本、菲律宾、印尼这类灾害高发的岛国和群岛国家，对"几小时内恢复区域覆盖"有真实的付费意愿——软银把HAPS的第一场景定为灾害恢复，不是情怀，是商业上最诚实的选择。运营商不需要为常态覆盖养机队，只需要在台风季来临前确保平台可用，这在成本模型上比Loon的全球漂流气球健康得多。 **第二个活下来的，是标准化的载荷和信关站**。3GPP NTN架构已经把接口画好了，未来几年会看到越来越多的"平台无关"通信载荷——载荷厂商跟平台厂商解耦，就像今天RRU跟天线解耦一样。谁抓住载荷标准化，谁就抓住了产业链里利润最厚的一段。 **最不该做的，是拿HAPS去和卫星直连拼"广覆盖"**。Loon死于跟全球漫游逻辑硬碰硬，Zephyr死于极限边界，平流层路线的正解从来不是"更大"，而是"更近"——20公里高度带来的容量密度和毫秒级时延，是600公里轨道永远给不了的东西。 回头看这十多年：Loon证明了需求是真的（波多黎各的灾民用上了气球信号），Aquila证明了结构风险是真的（96分钟与两次试飞的差距），Zephyr证明了驻留极限是真的（64天的纪录与坠落），软银和3GPP正在证明标准化的路是真的。平流层基站这个故事，讲到这里才刚刚从"科技浪漫主义"进入"工程现实主义"——而工程现实主义，往往才是商用落地的真正起点。 ## 参考来源 1. [3GPP TR 38.821: Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN)](https://www.3gpp.org/dynareport/38-series.htm) — 3GPP官方38系列报告页，NTN场景集含HAPS场景定义，本文标准侧解读主轴 2. [ITU World Radiocommunication Conference 2023 (WRC-23)](https://www.itu.int/en/ITU-R/conferences/wrc/2023/Pages/default.aspx) — 国际电联WRC-23大会官网，议题1.15审议HIBS频谱划分 3. [SoftBank HAPS 特设页面](https://www.softbank.jp/telecom/special/haps/) — 软银官方HAPS项目页，商用场景与推进规划 4. [AeroVironment HAPS](https://www.avinc.com/haps) — HAWK30太阳能无人机制造商官方页面 5. [X (Alphabet) 公司博客](https://blog.x.company/) — Loon项目关停官方公告与复盘文章 > 注：商业史细节以各公司当年官方公告与当年公开报道为准；软银HAPS最新商用进度以官方发布为准。 --- > 本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵**爱卫生**（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 > 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。 > [!tip] 51学通信知识星球 > **星主：爱卫生**（微信：gprshome201101）——公众号「51学通信」创办者，19 年通信行业运维与讲师经验，著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书（各大电商平台有售）。 > **星球定位**：深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域，主打运维岗位与信令分析。 > **当前规模**：5200 篇主题 / 990 个回答，198 元/年。 > **加入福利**：加入星球后请加爱卫生微信，拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题，另有群内分享。 > **AI 加持**：51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy，使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例，做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。