推動(dòng)通信發(fā)展：低軌衛(wèi)星在全球無(wú)線通信擴(kuò)展中的角色

在本系列文章的第1篇《 現(xiàn)代低軌衛(wèi)星技術(shù)如何改寫(xiě)太空競(jìng)賽格局 》中，我們探討了衛(wèi)星通信市場(chǎng)的諸多方面，并初步討論了其對(duì)5G新空口（NR）蜂窩網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡(luò)的影響。在本文中，我們將更深入地探索衛(wèi)星網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的融合，以及它們?nèi)绾胃淖兾磥?lái)的通信格局。

NTN衛(wèi)星作為中繼站，擴(kuò)展了地面網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線覆蓋范圍和容量 。這些網(wǎng)絡(luò)為緊急情況、災(zāi)難及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等其它服務(wù)提供通信手段。此外，一些公司正推出協(xié)議，將衛(wèi)星通信功能集成到最新的高端智能手機(jī)中。借助低地球軌道（LEO）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)全球雙向緊急信息傳遞、面向偏遠(yuǎn)地區(qū)的低成本互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、遠(yuǎn)程文本通信，以及其它基于手機(jī)的通信功能。

此外，3GPP第17版標(biāo)準(zhǔn)增加了新的5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，涵蓋 地球靜止軌道（GEO） 、 中地球軌道（MEO） 和 LEO衛(wèi)星技術(shù) 。5G NTN NR衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)通信鏈路——一個(gè) 在衛(wèi)星與用戶(hù)之間 ，另一個(gè) 在衛(wèi)星與連接至地球數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的地面站間 。它將提供NTN-IoT及5G NR通信服務(wù)，將智能手機(jī)和其它支持5G的設(shè)備連接到NTN服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

5G NR NTN與衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步

如圖1所示，位于地球上空35,000公里的GEO衛(wèi)星延遲為280毫秒（ms），而運(yùn)行在500至1,200公里高度的LEO衛(wèi)星則可將延遲降低至僅6至30毫秒。因此，從用戶(hù)設(shè)備（UE）到LEO衛(wèi)星的最大單向傳播延遲遠(yuǎn)低于MEO和GEO。

圖1，3GPP TS 22.261標(biāo)準(zhǔn)下，從UE到衛(wèi)星的最大單向傳播延遲對(duì)比

融合衛(wèi)星技術(shù)的5G NR NTN架構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)全球蜂窩無(wú)線連接。3GPP第17版標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于增強(qiáng)全球5G-NTN和IoT-NTN服務(wù)，并引入低延遲的直通蜂窩服務(wù)，將sub-6GHz頻段的速度提升至數(shù)十Mbps。

此外，第18版標(biāo)準(zhǔn)旨在通過(guò)使用10GHz以上的頻率——特別是 Ka和Ku頻段 ，來(lái)改善覆蓋范圍及移動(dòng)性。由此，將使速度達(dá)到數(shù)百M(fèi)bps，有利于部署較小尺寸的有源電子掃描陣列（AESA）天線；如SpaceX的Starlink所使用的天線。這些技術(shù)進(jìn)步提升了速度，可支持災(zāi)后恢復(fù)工作，還將覆蓋范圍擴(kuò)展至傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法觸及的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

如表1所示，3GPP標(biāo)準(zhǔn)下的5G NTN演進(jìn)包括頻譜的擴(kuò)展，以涵蓋L、S、K和Ka頻段，從而增強(qiáng)上行鏈路覆蓋，并支持移動(dòng)服務(wù)。第18版標(biāo)準(zhǔn)還特別針對(duì)新引入的三個(gè)10GHz以上NTN頻段（n510、n511和n512），以進(jìn)一步完善5G NTN設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更佳的性能和更廣泛的接入。

表1，SATCOM NTN頻率頻段

NTN網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是 提高有限無(wú)線電頻譜資源的效率 。該頻譜經(jīng)常處于擁塞狀態(tài)；最近的技術(shù)研究正在尋找更好的方法來(lái)管理這種擁塞；例如在空間網(wǎng)絡(luò)中采用 時(shí)分雙工（TDD）模式 ，改變了為發(fā)送和接收信號(hào)分配不同路徑的傳統(tǒng)方法。如表2所示，使用TDD頻段有助于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商在繁忙的sub-6GHz頻譜上騰出更多空間。這些改進(jìn)正在推動(dòng)衛(wèi)星技術(shù)向前發(fā)展，使其更為智能，更加符合地面網(wǎng)絡(luò)的要求。

表2，TDD NTN頻段

單向與雙向衛(wèi)星通信的對(duì)比

衛(wèi)星通信分為單向和雙向系統(tǒng)。 單向通信涉及從衛(wèi)星到地面的信號(hào)傳輸 ，應(yīng)用于GPS、衛(wèi)星電視和廣播等服務(wù)。相比之下， 雙向通信能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星與地面站之間的交互式信號(hào)交換 ， 支持互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和電話通話 。圖2展示了涉及地球站和衛(wèi)星單、雙向通信間的差異。

如圖所示，單向通信（左圖）——如直播衛(wèi)星（DBS）服務(wù)等，傳統(tǒng)上依賴(lài)GEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步，僅環(huán)繞地球赤道運(yùn)行。從地面視角看，GEO衛(wèi)星在天空中處于固定位置。 GEO衛(wèi)星是地球同步軌道（GSO）衛(wèi)星的一種 ，兩者都用于電信及地球觀測(cè)。

非地球靜止軌道（NGSO）是指衛(wèi)星相對(duì)于地球表面的非靜止軌道類(lèi)型 。NGSO衛(wèi)星的軌道高度低于GEO衛(wèi)星，且完成一圈軌道所需時(shí)間更短。NGSO衛(wèi)星在天空中不斷移動(dòng)，能夠?yàn)橐苿?dòng)衛(wèi)星服務(wù)提供更好的覆蓋，并改善全球連接。NGSO軌道有多種類(lèi)型，包括 LEO 、 MEO 和 高橢圓軌道（HEO） ，其中LEO距離地球最近。

圖2，單向和雙向衛(wèi)星通信應(yīng)用場(chǎng)景示例

雙向LEO衛(wèi)星架構(gòu)進(jìn)一步提升了整體衛(wèi)星通信能力。此類(lèi)雙向衛(wèi)星通信超越了過(guò)去的單向“彎管”式設(shè)置，融入了諸如AESA天線等技術(shù)。“彎管”架構(gòu)的運(yùn)作方式類(lèi)似于中繼器，而雙向架構(gòu)則超越了這種單向通信方式。這些先進(jìn)的系統(tǒng)對(duì)于增強(qiáng)地面與衛(wèi)星間的通信至關(guān)重要。

NTN的透明與再生架構(gòu)

新一代地面站系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施正朝著靈活且互聯(lián)的方向發(fā)展，配備了更小的平板用戶(hù)終端，類(lèi)似于蜂窩網(wǎng)絡(luò)。為了將衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)融入5G，3GPP TR38.821引入了兩種基于衛(wèi)星的下一代無(wú)線接入網(wǎng)（NG-RAN）架構(gòu)： 透明架構(gòu)和再生架構(gòu) 。

如圖3（左）所示，在 透明有效載荷架構(gòu) 中，3GPP 5G NR基站（gNB）位于地球上，而衛(wèi)星則扮演“彎管”中繼器的角色。在透明有效載荷通信中，RF濾波、變頻和放大等操作均在衛(wèi)星上進(jìn)行。

在圖3（右）所示的 再生有效載荷架構(gòu) 中，全部或部分gNB功能在衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)。因此，在再生有效載荷通信中，RF濾波、變頻和放大、解調(diào)、編碼/解碼、切換或路由，以及調(diào)制等操作均在衛(wèi)星上完成。 這就如同在衛(wèi)星上搭載了全部或部分gNB傳統(tǒng)地面蜂窩基站的功能。此類(lèi)用于LEO衛(wèi)星的再生系統(tǒng)架構(gòu)相較于傳統(tǒng)“彎管”轉(zhuǎn)發(fā)器具有諸多優(yōu)勢(shì)；且由于當(dāng)前的LEO星座擁有自己專(zhuān)有的波形和機(jī)載處理系統(tǒng)，其已成為未來(lái)架構(gòu)的方向。

圖3，衛(wèi)星有效載荷透明網(wǎng)絡(luò)和再生網(wǎng)絡(luò)

AESA和波束成形技術(shù)的引入

傳統(tǒng)拋物面（碟形）天線的局限性已使其難以滿足當(dāng)前的需求，由此推動(dòng)了向AESA或相控陣天線等電子掃描天線的過(guò)渡。 AESA天線可以電子方式改變信號(hào)方向 ，而無(wú)需物理移動(dòng)，這在靈活性上大大優(yōu)于機(jī)械掃描天線。此外，AESA可以利用 波束成形 技術(shù)創(chuàng)建和發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的波束方向調(diào)整。這使得與任何軌道上的衛(wèi)星建立連接成為可能，并能在衛(wèi)星間實(shí)現(xiàn)快速切換。

圖4，家用AESA波束成形終端

如圖4所示， 用戶(hù)CPE終端是用戶(hù)與衛(wèi)星間的直接連接 。這些設(shè)備成本低廉、易于設(shè)置，可固定或移動(dòng)（如移動(dòng)衛(wèi)星通信、海事應(yīng)用等）。其利用AESA天線將各種技術(shù)集成到更緊湊、更輕巧的設(shè)計(jì)中。這包括用于靈活跟蹤和導(dǎo)向的波束成形技術(shù)，同時(shí)采用商用現(xiàn)成品（COTS）組件；此外，它們還支持更快的數(shù)據(jù)傳輸方式。

結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)探討了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與5G NR NTN的集成，特別強(qiáng)調(diào)了LEO衛(wèi)星的應(yīng)用。這種部署擴(kuò)大了地面5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并支持從應(yīng)急通信到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等的各類(lèi)服務(wù)。同時(shí)，我們著重介紹了3GPP第17版中的最新進(jìn)展，特別是將衛(wèi)星連接擴(kuò)展到智能手機(jī)，從而獲得全球范圍的信息傳遞與寬帶增強(qiáng)功能。我們還探索了從傳統(tǒng)“彎管”模型向先進(jìn)雙向通信系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，其中采用了商用技術(shù)以提高效率。借助AESA和波束成形技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速度及可用頻率利用效率均得到顯著提升。這一進(jìn)步正在推動(dòng)全球通信向前發(fā)展，使互聯(lián)網(wǎng)連接更快、覆蓋范圍更廣，并為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供更可靠的服務(wù)。

在本系列的第三部分，我們將更深入地探討AESA波束成形技術(shù)，以及它如何改變并推動(dòng)空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入蜂窩市場(chǎng)領(lǐng)域。