從GEO到LEO：衛星技術(shù)如何改變互聯(lián)網(wǎng)接入游戲規則

在衛星技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，低地球軌道（LEO）衛星已成為一項顛覆性的創(chuàng )新技術(shù)。這些衛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、數據收集手段與地球監測模式。LEO衛星在電信、地球觀(guān)測、科學(xué)研究和國家安全等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。預計到2029年，商業(yè)星座規模將從35%增至70%，其中約65%的增長(cháng)將集中于通訊應用，涉及跨越 低地球軌道（LEO） 、 中地球軌道（MEO） 和 地球同步軌道（GEO）衛星 的衛星網(wǎng)絡(luò )。

不同衛星軌道的對比

GEO衛星與地球同步旋轉，速度一致，因此相對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)平臺上，基于地面的GEO定向天線(xiàn)必須持續對準指定的GEO衛星 。這些傳統的地面衛星天線(xiàn)體積龐大、價(jià)格昂貴，且移動(dòng)部件眾多，需要定期維護。

MEO衛星，如GPS，通常用于導航。MEO衛星有其自身的優(yōu)勢，但與GEO衛星類(lèi)似，發(fā)射和維護成本高昂。盡管GEO和MEO衛星各有其用途，但都存在 延遲 和 數據速率 的問(wèn)題。

圖1，LEO、GEO、MEO衛星覆蓋區域

LEO衛星相較于地球靜止軌道和中地球軌道的同類(lèi)衛星具有顯著(zhù)優(yōu)勢；能夠為地球上偏遠和欠發(fā)達地區提供 低延遲 （比GEO快30倍）且 高速 的互聯(lián)網(wǎng)連接。LEO衛星需要數百到數千顆衛星來(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，如果一顆衛星離線(xiàn)，另一顆衛星可立刻補位以防信號丟失。目前，大多數LEO衛星的部署均由私營(yíng)企業(yè)和政府機構推動(dòng)；SpaceX、OneWeb、亞馬遜的Kuiper項目和Telesat 等公司都大舉投資LEO衛星的部署，為全球網(wǎng)絡(luò )互連和數據的輕松獲取開(kāi)辟了新紀元。

衛星在促進(jìn)全球互聯(lián)中發(fā)揮著(zhù)重要作用。如圖3所示，其主要承擔兩大任務(wù)：一是 直接與地球通信 ，為不同行業(yè)的眾多最終用戶(hù)終端提供支持；二是 直接或經(jīng)由衛星間鏈路（ISL）將數據回傳至地球 。隨著(zhù)更多LEO衛星發(fā)射升空，通信速度得到顯著(zhù)提升，覆蓋范圍日益擴大；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 )，包括地面衛星間鏈路（ISL）和應用連接

衛星基本組件

衛星作為一套復雜的系統，根據任務(wù)的不同包含多種功能；本文將聚焦通信有效載荷模塊內部的 轉發(fā)器組件 。轉發(fā)器是有效載荷模塊中負責發(fā)送和接收信號的一個(gè)子系統；其通常包含 放大器 、 接收器 和 發(fā)射器 ，用于通信目的。

圖3，衛星基本組件示例

用于衛星通信的頻率頻譜

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

表1，衛星通信（SATCOM）頻譜分配

為服務(wù)于5G非地面網(wǎng)絡(luò )應用，3GPP還分配了NTN頻段。表2顯示了L&S頻段的現有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

衛星與5G網(wǎng)絡(luò )的融合

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

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

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

圖4，互為補充的NTN 5G NR和IoT用例

其它應用場(chǎng)景還包括……

• 農業(yè)、采礦和林業(yè)等覆蓋不足的地區

• 當陸地通信網(wǎng)絡(luò )受損時(shí)的災區通信

• 在極廣范圍內廣播信息

結語(yǔ)

本文探討了LEO衛星對全球通信的影響，重點(diǎn)介紹了它們在電信和地球觀(guān)測等領(lǐng)域的關(guān)鍵作用。預計到2029年，商業(yè)星座中的LEO衛星數量將翻倍；并通過(guò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )為偏遠地區提供低延遲、高速率的互聯(lián)網(wǎng)接入優(yōu)勢。SpaceX、OneWeb和亞馬遜Kuiper項目等大型公司的投資，標志著(zhù)全球性連接提升的重大轉變。此外，我們還考察了通過(guò)NTN將衛星網(wǎng)絡(luò )與5G生態(tài)系統的整合，從而擴大頻率頻譜以改善覆蓋范圍，尤其是在服務(wù)不足的地區。這種整合不僅推動(dòng)了市場(chǎng)增長(cháng)，還凸顯衛星行業(yè)在推進(jìn)5G基礎設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)現方式，并探索LEO衛星部署的趨勢，以及這些趨勢如何推動(dòng)射頻（RF）前端設計的新進(jìn)展。