仰望星空！非地面網(wǎng)絡(luò )，如何開(kāi)辟太空互聯(lián)網(wǎng)新賽道？

本文將探討電信界當前的一個(gè)熱議話(huà)題：非地面網(wǎng)絡(luò ) (NTN)。5G NTN市場(chǎng)近期對恩智浦Layerscape處理器的需求激增，顯示出其日益增長(cháng)的市場(chǎng)吸引力。

那么，究竟什么是非地面網(wǎng)絡(luò ) (NTN) 呢？請放心，這個(gè)話(huà)題目前不涉及與外星生命體的交流。相反，TNT通過(guò)基于衛星的系統為Verizon、Vodafone和中國移動(dòng)等運營(yíng)商提供的現有 (地面) 無(wú)線(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了增強。其核心宗旨在于拓展無(wú)線(xiàn)通信的覆蓋區域，實(shí)現對整個(gè)地球的真正覆蓋。

這一理念并非首創(chuàng )。那些繼承了摩托羅拉精神的人們會(huì )記得銥星衛星星座。自21世紀初期起，銥星就借助其衛星網(wǎng)絡(luò )為移動(dòng)電話(huà)提供接入服務(wù)。最終用戶(hù)從衛星連接的全球覆蓋中獲益，他們的通信不再受限于國界或本地運營(yíng)商的范圍。盡管如此，銥星的出現似乎領(lǐng)先于時(shí)代。受限于當時(shí)的技術(shù)條件，它最終演變成了一個(gè)規模龐大且成本高昂的小眾市場(chǎng)應用。

市場(chǎng)變化的影響

那么，為何當前NTN的發(fā)展前景與以往不同，它能否取得更大的成功呢？這背后有多個(gè)相互作用的因素。

首先，隨著(zhù)新一代可重復使用衛星的推出，衛星部署的成本正在顯著(zhù)降低。美國太空探索技術(shù)公司 (SpaceX) 在這方面尤為突出，其可重復使用技術(shù)大幅降低了成本。當市場(chǎng)的準入門(mén)檻降低到一定程度時(shí)，就會(huì )向非政府實(shí)體開(kāi)放。

其次，空中接口的標準化也是一個(gè)關(guān)鍵因素。5G技術(shù)的一個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)是其波形的靈活性，這包括對非地面部署的支持。這意味著(zhù)大規模的地面技術(shù)可以被應用于NTN場(chǎng)景，包括5G生態(tài)系統的組件、接口以及軟件協(xié)議棧的復用。這降低了復雜性和所需的時(shí)間，從而降低了成本和風(fēng)險。

最后，市場(chǎng)需求的增長(cháng)也是一個(gè)不可忽視的因素。全球有一半的人口尚未享受到通信服務(wù)，這不僅代表著(zhù)一個(gè)巨大的市場(chǎng)潛力，也是可能獲得政府資助的一個(gè)途徑。

具有地面站、衛星和終端單元的典型NTN系統。

NTN目標應用

NTN在功能、架構和部署方面展現出多樣性，這主要是因為它需要滿(mǎn)足廣泛而多樣的目標應用：

■ 寬帶無(wú)線(xiàn)接入，這是消費者對于“互聯(lián)網(wǎng)到家”服務(wù)最為熟悉的應用形式。顯而易見(jiàn)，無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在那些傳統有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )難以觸及的農村地帶發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。根據聯(lián)合國的數據，全球約有一半的人口尚未接入互聯(lián)網(wǎng)。

■ 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 市場(chǎng)由眾多互聯(lián)、聯(lián)網(wǎng)的設備組成，這些設備無(wú)需電線(xiàn)即可實(shí)現連接。物聯(lián)網(wǎng)設備的規模從每天僅傳輸幾個(gè)比特的小型農業(yè)傳感器，到每秒產(chǎn)生數千兆比特數據的大型設備如汽車(chē)等都有。

■ 定位、導航和定時(shí) (PNT) 服務(wù)——由全球導航衛星系統 (GNSS) 提供——市場(chǎng)價(jià)值高達數千億美元，并且預計隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)、無(wú)人機以及其他依賴(lài)精確定位的移動(dòng)解決方案的發(fā)展，這一市場(chǎng)還將進(jìn)一步擴大。然而，現有的全球導航衛星系統解決方案 (如GPS、Galileo等) 存在局限性，包括室內覆蓋不足 (鏈路預算挑戰)、精度不夠 (未達到厘米級) 以及安全性問(wèn)題 (易受欺騙)。

星座類(lèi)型說(shuō)明

衛星網(wǎng)絡(luò )由其星座類(lèi)型決定，這一類(lèi)型定義了地面與衛星之間的距離及其網(wǎng)絡(luò )配置。在選擇部署哪種類(lèi)型的星座時(shí)，需要在部署所需的衛星數量、每顆衛星的成本、延遲/吞吐量等因素之間做出權衡。

星座類(lèi)型由衛星與地球之間的距離定義，在GEO、MEO和LEO（以及鮮為人知的HAPS和HEO）選項中：星座類(lèi)型根據衛星與地球之間的距離來(lái)劃分，包括地球靜止軌道 (GEO)、中地球軌道 (MEO)、低地球軌道 (LEO) 以及較少人知的高空平臺系統 (HAPS) 和高橢圓軌道 (HEO)。

◇ GEO——地球靜止軌道

這類(lèi)衛星位于距地球36000km的軌道上。在這個(gè)高度上，它們與地球同步運轉，始終位于地面的固定位置上方。GEO系統因此適合提供地理位置固定的服務(wù)，如北美的電視廣播。由于其距離地球較遠，GEO衛星能夠覆蓋廣闊的區域. 但這也意味著(zhù)成本較高，并且通信延遲較大 (往返大約550ms)，這對于需要實(shí)時(shí)通信的應用來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰。

◇ MEO——中地球軌道

這類(lèi)衛星運行在距離地球5000-20000km的軌道上，與低軌衛星 (LEO) 一同構成非地球靜止軌道衛星的群體 (NGSO)。全球定位系統 (GPS) 便是MEO衛星系統中最廣為人知的一個(gè)例子。GPS的獨特之處在于，它運行在大約20200km高的半同步軌道上，軌道周期為12小時(shí)，每天兩次經(jīng)過(guò)赤道上的相同位置。

◇ LEO——低地球軌道

這類(lèi)衛星位于距地球500-1200km的軌道上。在這一高度部署衛星的成本遠低于其他兩個(gè)系統。因此，LEO軌道上擁有數千顆執行科學(xué)研究、通信、成像等多種任務(wù)的衛星。LEO衛星覆蓋的地理范圍相對較小，這意味著(zhù)需要大量的衛星 (數十至數百顆) 來(lái)實(shí)現全球覆蓋，并保持快速繞地球運行的軌道 (<2小時(shí)/軌道)。由于受到大氣阻力的影響，LEO衛星的軌道會(huì )逐漸降低，從而限制了它們的使用壽命在7至10年之間。

值得注意的是，LEO軌道上的衛星因其有限的壽命、優(yōu)良的實(shí)時(shí)性能以及對大量衛星的需求，使其成為了一個(gè)特殊的存在。正因如此，LEO系統對于創(chuàng )新具有特別的吸引力，包括利用近年來(lái)興起的低成本商業(yè)航天公司進(jìn)行的“批量”衛星部署。

NTN系統覆蓋的一個(gè)關(guān)鍵挑戰——衛星能夠覆蓋地球的多大面積。

NTN與標準化

在標準化方面，隨著(zhù)時(shí)間的推進(jìn)，NTN在3GPP聯(lián)盟中得到了逐步的標準化。3GPP的研究項目已在第15版和第16版中展開(kāi)。到了3GPP第17版，規范性工作正式啟動(dòng)，旨在調整3GPP技術(shù)協(xié)議棧，以更好地支持寬帶和物聯(lián)網(wǎng)應用。

為了適應空間部署的特殊需求，3GPP技術(shù)協(xié)議棧的多個(gè)方面正在進(jìn)行優(yōu)化，包括物理層方面，如多普勒頻移和傳播延遲、高往返時(shí)間 (RTT) 等問(wèn)題，這些都影響到重傳算法和控制平面信令。因此，控制平面信令需要進(jìn)行增強，以便納入衛星信息，并支持非移動(dòng)用戶(hù)設備 (UE) 之間的切換。

組件和應力系數

作為一家半導體組件供應商，恩智浦面臨的一個(gè)特別挑戰是太空環(huán)境對電子組件的應力與地球不同。這種應力有多種形式：熱 (極端溫度變化)、振動(dòng)、輻射等。處于更高軌道的系統，尤其是位于范艾倫輻射帶之外的，需要采用所謂的“輻射硬化”部件，以抵御更強烈的輻射環(huán)境。這些部件的設計還必須考慮到預期的使用壽命。衛星的壽命隨著(zhù)衛星與地球的距離而增加——地球靜止軌道的衛星通常預期壽命為15年或更長(cháng)，而低地球軌道衛星的有效期可能只有此時(shí)段的一半。顯然，壽命更長(cháng)的設備會(huì )在其使用期內承受更多的輻射。

由于這些部件在太空中面臨的各種應力因素，加上它們需要運行超過(guò)10年甚至更久的壽命要求，與地球上的消費電子產(chǎn)品相比，適用于衛星系統的部件選擇大為縮減。市場(chǎng)上有些供應商專(zhuān)門(mén)提供這類(lèi)“太空級”組件和/或子系統。

重復使用標準化 (O-RAN)  5G組件的衛星系統架構。

復雜性驅動(dòng)設計

如您所見(jiàn)，這些NTN系統在設計上提出了一系列特殊挑戰，例如系統設計的復雜性，其中包括處理多普勒效應、確保系統可靠性、考慮網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )選項等。此外，NTN系統的容量相對較低 (以千計而非百萬(wàn)計)，且組件的可用性有限，需要加固組件。同時(shí)，NTN系統還需支持大容量傳輸，高達數百Gbps。

這些因素共同推動(dòng)了工程設計的復雜性。這種工程復雜性直觀(guān)地驅動(dòng)了模塊化設計，在模塊化設計中，可以多次實(shí)例化較小的子系統，這樣便可以將工程資源集中于優(yōu)化這些子系統。正是這種模塊化設計，促使了小型行業(yè)參與者的生態(tài)系統得以形成，每個(gè)參與者都在優(yōu)化NTN系統的某個(gè)特定方面。

太空潛力浩瀚如星辰

為什么恩智浦要對非地面網(wǎng)絡(luò ) (NTN) 如此關(guān)注呢？事實(shí)證明，由于我們的組件不僅被應用在衛星上，還被廣泛應用于地球上的消費電子終端設備，NTN市場(chǎng)具有相當大的商業(yè)潛力。許多恩智浦產(chǎn)品具有高度可編程性、靈活性和開(kāi)放性，支持客戶(hù)應對NTN所特有的挑戰。您認為NTN的未來(lái)會(huì )走向何方？ 

本文作者

Wim Rouwet是恩智浦半導體公司的一位杰出技術(shù)人員。Wim專(zhuān)注于3GPP LTE和5G以及802.11處理協(xié)議棧及其應用方案，負責與多個(gè)無(wú)線(xiàn)基礎設施項目有關(guān)的4G和5G協(xié)議棧開(kāi)發(fā)、小基站以及CRAN應用方案。