從GEO到LEO：衛(wèi)星技術(shù)如何改變互聯(lián)網(wǎng)接入游戲規(guī)則

在衛(wèi)星技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，低地球軌道（LEO）衛(wèi)星已成為一項(xiàng)顛覆性的創(chuàng)新技術(shù)。這些衛(wèi)星位于距離地球表面約100至500英里的高空，徹底改變了我們的通信方式、數(shù)據(jù)收集手段與地球監(jiān)測(cè)模式。LEO衛(wèi)星在電信、地球觀測(cè)、科學(xué)研究和國(guó)家安全等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。預(yù)計(jì)到2029年，商業(yè)星座規(guī)模將從35%增至70%，其中約65%的增長(zhǎng)將集中于通訊應(yīng)用，涉及跨越 低地球軌道（LEO） 、 中地球軌道（MEO） 和 地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

不同衛(wèi)星軌道的對(duì)比

GEO衛(wèi)星與地球同步旋轉(zhuǎn)，速度一致，因此相對(duì)于地球的位置固定不動(dòng)，保證了從地表任意位置固定的指向角度。 在移動(dòng)平臺(tái)上，基于地面的GEO定向天線必須持續(xù)對(duì)準(zhǔn)指定的GEO衛(wèi)星 。這些傳統(tǒng)的地面衛(wèi)星天線體積龐大、價(jià)格昂貴，且移動(dòng)部件眾多，需要定期維護(hù)。

MEO衛(wèi)星，如GPS，通常用于導(dǎo)航。MEO衛(wèi)星有其自身的優(yōu)勢(shì)，但與GEO衛(wèi)星類似，發(fā)射和維護(hù)成本高昂。盡管GEO和MEO衛(wèi)星各有其用途，但都存在 延遲 和 數(shù)據(jù)速率 的問(wèn)題。

圖1，LEO、GEO、MEO衛(wèi)星覆蓋區(qū)域

LEO衛(wèi)星相較于地球靜止軌道和中地球軌道的同類衛(wèi)星具有顯著優(yōu)勢(shì)；能夠?yàn)榈厍蛏掀h(yuǎn)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)提供 低延遲 （比GEO快30倍）且 高速 的互聯(lián)網(wǎng)連接。LEO衛(wèi)星需要數(shù)百到數(shù)千顆衛(wèi)星來(lái)覆蓋地球表面，從而形成交叉鏈接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不僅 擴(kuò)大了全球覆蓋范圍 ，還 提高了連接的可靠性 ——例如，如果一顆衛(wèi)星離線，另一顆衛(wèi)星可立刻補(bǔ)位以防信號(hào)丟失。目前，大多數(shù)LEO衛(wèi)星的部署均由私營(yíng)企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)推動(dòng)；SpaceX、OneWeb、亞馬遜的Kuiper項(xiàng)目和Telesat 等公司都大舉投資LEO衛(wèi)星的部署，為全球網(wǎng)絡(luò)互連和數(shù)據(jù)的輕松獲取開(kāi)辟了新紀(jì)元。

衛(wèi)星在促進(jìn)全球互聯(lián)中發(fā)揮著重要作用。如圖3所示，其主要承擔(dān)兩大任務(wù)：一是 直接與地球通信 ，為不同行業(yè)的眾多最終用戶終端提供支持；二是 直接或經(jīng)由衛(wèi)星間鏈路（ISL）將數(shù)據(jù)回傳至地球 。隨著更多LEO衛(wèi)星發(fā)射升空，通信速度得到顯著提升，覆蓋范圍日益擴(kuò)大；信息從太空到地球的傳輸變得更加便捷，延遲也更小。

圖2，非地面網(wǎng)絡(luò)，包括地面衛(wèi)星間鏈路（ISL）和應(yīng)用連接

衛(wèi)星基本組件

衛(wèi)星作為一套復(fù)雜的系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)的不同包含多種功能；本文將聚焦通信有效載荷模塊內(nèi)部的 轉(zhuǎn)發(fā)器組件 。轉(zhuǎn)發(fā)器是有效載荷模塊中負(fù)責(zé)發(fā)送和接收信號(hào)的一個(gè)子系統(tǒng)；其通常包含 放大器 、 接收器 和 發(fā)射器 ，用于通信目的。

圖3，衛(wèi)星基本組件示例

用于衛(wèi)星通信的頻率頻譜

大多數(shù)衛(wèi)星部署使用 L至Ka頻段 。然而，當(dāng)前更多的衛(wèi)星正在向Q/V和E頻譜等更高頻段發(fā)展；如下表1所示。

表1，衛(wèi)星通信（SATCOM）頻譜分配

為服務(wù)于5G非地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，3GPP還分配了NTN頻段。表2顯示了L&S頻段的現(xiàn)有NTN頻段，以及在K和Ka頻段中新提議的頻段。

表2，SATCOM頻率頻段

衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)的融合

全球范圍內(nèi)，大型LEO衛(wèi)星星座提供的寬帶服務(wù)正逐漸普及。這一趨勢(shì)，加之衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與5G生態(tài)系統(tǒng)的整合，進(jìn)一步推動(dòng)了衛(wèi)星通訊市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

此外， 蜂窩通信正在成為衛(wèi)星生態(tài)系統(tǒng)的一部分 。隨著5G無(wú)線技術(shù)在3GPP第17版中的引入，使得5G系統(tǒng)能夠服務(wù)于非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）。NTN旨在擴(kuò)大全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，特別是在農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)，并促進(jìn)移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和商業(yè)自主駕駛車輛與衛(wèi)星之間的直接連接。這種整合使衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)能夠充分利用5G生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)。

3GPP第17版定義了5G新空口（NR）NTN與5G IoT NTN，如圖4所示。其專注于利用衛(wèi)星透明有效載荷架構(gòu)和具有GNSS功能的UE；圖4展示了5G NTN的預(yù)期用例。

圖4，互為補(bǔ)充的NTN 5G NR和IoT用例

其它應(yīng)用場(chǎng)景還包括……

• 農(nóng)業(yè)、采礦和林業(yè)等覆蓋不足的地區(qū)

• 當(dāng)陸地通信網(wǎng)絡(luò)受損時(shí)的災(zāi)區(qū)通信

• 在極廣范圍內(nèi)廣播信息

結(jié)語(yǔ)

本文探討了LEO衛(wèi)星對(duì)全球通信的影響，重點(diǎn)介紹了它們?cè)陔娦藕偷厍蛴^測(cè)等領(lǐng)域的關(guān)鍵作用。預(yù)計(jì)到2029年，商業(yè)星座中的LEO衛(wèi)星數(shù)量將翻倍；并通過(guò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供低延遲、高速率的互聯(lián)網(wǎng)接入優(yōu)勢(shì)。SpaceX、OneWeb和亞馬遜Kuiper項(xiàng)目等大型公司的投資，標(biāo)志著全球性連接提升的重大轉(zhuǎn)變。此外，我們還考察了通過(guò)NTN將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與5G生態(tài)系統(tǒng)的整合，從而擴(kuò)大頻率頻譜以改善覆蓋范圍，尤其是在服務(wù)不足的地區(qū)。這種整合不僅推動(dòng)了市場(chǎng)增長(zhǎng)，還凸顯衛(wèi)星行業(yè)在推進(jìn)5G基礎(chǔ)設(shè)施及全球通信能力方面的重要作用。

在本系列文章的第二篇中，我們將更深入探討NTN及其服務(wù)的通信實(shí)現(xiàn)方式，并探索LEO衛(wèi)星部署的趨勢(shì)，以及這些趨勢(shì)如何推動(dòng)射頻（RF）前端設(shè)計(jì)的新進(jìn)展。