推動(dòng)通信發(fā)展：低軌衛星在全球無(wú)線(xiàn)通信擴展中的角色

在本系列文章的第1篇《 現代低軌衛星技術(shù)如何改寫(xiě)太空競賽格局 》中，我們探討了衛星通信市場(chǎng)的諸多方面，并初步討論了其對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星網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )與非地面網(wǎng)絡(luò )（NTN）的融合，以及它們如何改變未來(lái)的通信格局。

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

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

5G NR NTN與衛星技術(shù)的進(jìn)步

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

圖1，3GPP TS 22.261標準下，從UE到衛星的最大單向傳播延遲對比

融合衛星技術(shù)的5G NR NTN架構有望實(shí)現全球蜂窩無(wú)線(xiàn)連接。3GPP第17版標準側重于增強全球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十Mbps。

此外，第18版標準旨在通過(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，將使速度達到數百Mbps，有利于部署較小尺寸的有源電子掃描陣列（AESA）天線(xiàn)；如SpaceX的Starlink所使用的天線(xiàn)。這些技術(shù)進(jìn)步提升了速度，可支持災后恢復工作，還將覆蓋范圍擴展至傳統網(wǎng)絡(luò )無(wú)法觸及的偏遠地區。

如表1所示，3GPP標準下的5G NTN演進(jìn)包括頻譜的擴展，以涵蓋L、S、K和Ka頻段，從而增強上行鏈路覆蓋，并支持移動(dòng)服務(wù)。第18版標準還特別針對新引入的三個(gè)10GHz以上NTN頻段（n510、n511和n512），以進(jìn)一步完善5G NTN設計，實(shí)現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)鍵目標是 提高有限無(wú)線(xiàn)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)送和接收信號分配不同路徑的傳統方法。如表2所示，使用TDD頻段有助于移動(dòng)運營(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

單向與雙向衛星通信的對比

衛星通信分為單向和雙向系統。 單向通信涉及從衛星到地面的信號傳輸 ，應用于GPS、衛星電視和廣播等服務(wù)。相比之下， 雙向通信能夠實(shí)現衛星與地面站之間的交互式信號交換 ， 支持互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和電話(huà)通話(huà) 。圖2展示了涉及地球站和衛星單、雙向通信間的差異。

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

非地球靜止軌道（NGSO）是指衛星相對于地球表面的非靜止軌道類(lèi)型 。NGSO衛星的軌道高度低于GEO衛星，且完成一圈軌道所需時(shí)間更短。NGSO衛星在天空中不斷移動(dòng)，能夠為移動(dòng)衛星服務(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，單向和雙向衛星通信應用場(chǎng)景示例

雙向LEO衛星架構進(jìn)一步提升了整體衛星通信能力。此類(lèi)雙向衛星通信超越了過(guò)去的單向“彎管”式設置，融入了諸如AESA天線(xiàn)等技術(shù)?！皬澒堋奔軜嫷倪\作方式類(lèi)似于中繼器，而雙向架構則超越了這種單向通信方式。這些先進(jìn)的系統對于增強地面與衛星間的通信至關(guān)重要。

NTN的透明與再生架構

新一代地面站系統基礎設施正朝著(zhù)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 )。為了將衛星接入網(wǎng)絡(luò )融入5G，3GPP TR38.821引入了兩種基于衛星的下一代無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)（NG-RAN）架構： 透明架構和再生架構 。

如圖3（左）所示，在 透明有效載荷架構 中，3GPP 5G NR基站（gNB）位于地球上，而衛星則扮演“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星上進(jìn)行。

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

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

AESA和波束成形技術(shù)的引入

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

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)與衛星間的直接連接 。這些設備成本低廉、易于設置，可固定或移動(dòng)（如移動(dòng)衛星通信、海事應用等）。其利用AESA天線(xiàn)將各種技術(shù)集成到更緊湊、更輕巧的設計中。這包括用于靈活跟蹤和導向的波束成形技術(shù)，同時(shí)采用商用現成品（COTS）組件；此外，它們還支持更快的數據傳輸方式。

結語(yǔ)

本文重點(diǎn)探討了衛星網(wǎng)絡(luò )與5G NR NTN的集成，特別強調了LEO衛星的應用。這種部署擴大了地面5G網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍，并支持從應急通信到物聯(lián)網(wǎng)應用等的各類(lèi)服務(wù)。同時(shí)，我們著(zhù)重介紹了3GPP第17版中的最新進(jìn)展，特別是將衛星連接擴展到智能手機，從而獲得全球范圍的信息傳遞與寬帶增強功能。我們還探索了從傳統“彎管”模型向先進(jìn)雙向通信系統的轉變，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)，數據傳輸速度及可用頻率利用效率均得到顯著(zhù)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，并為偏遠地區提供更可靠的服務(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)空間衛星網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入蜂窩市場(chǎng)領(lǐng)域。