非地面網(wǎng)絡(luò )對當前和未來(lái)全球連接的影響

本文探討了非地面網(wǎng)絡(luò )（NTNs）的現狀及其可能的發(fā)展方向，重點(diǎn)關(guān)注早期采用這種新技術(shù)的實(shí)用考慮因素。非地面網(wǎng)絡(luò )（NTNs）是全球電信領(lǐng)域的一項令人興奮的發(fā)展，有潛力改變全球連接并彌合數字?zhù)櫆?。在本文中，我們將討論物?lián)網(wǎng)設備開(kāi)發(fā)人員如何開(kāi)始利用其功能以實(shí)現無(wú)縫全球覆蓋。

什么是NTNs？

非地面網(wǎng)絡(luò )（NTNs）是一種利用地球表面以上的高空平臺（HAPS）或衛星以及地面資產(chǎn)運行的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。圖1展示了NTNs可以基于的平臺。

圖1. NTNs可以基于多種空中和空間平臺。圖片由高通公司提供

NTNs的多種應用

3GPP（一個(gè)全球移動(dòng)通信標準開(kāi)發(fā)組織）在2022年發(fā)布的第17版中定義了NTNs的要求。自那以后，NTNs已成為不斷發(fā)展的5G生態(tài)系統的重要組成部分。它們支持多種應用，包括：

• 全球互聯(lián)網(wǎng)接入

• 全球移動(dòng)寬帶服務(wù)

• 災難響應的關(guān)鍵通信

• 環(huán)境監測

NTNs還具有許多軍事和私人航空航天應用?；谛l星的NTNs通過(guò)整合地面網(wǎng)絡(luò )與衛星通信技術(shù)，在擴展全球通信方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。它們填補了地面基礎設施在偏遠或服務(wù)不足地區留下的空白，為蜂窩和物聯(lián)網(wǎng)終端用戶(hù)設備提供了直接衛星接入的可能性。盡管仍需重大技術(shù)發(fā)展以充分應對衛星通信的挑戰，但NTNs已經(jīng)出現，其市場(chǎng)正在增長(cháng)。盡管仍處于起步階段，但NTNs在3GPP標準中的采用有望推動(dòng)其發(fā)展，使其成為6G的完全集成組件。

NTNs增長(cháng)的驅動(dòng)因素

全球5G NTN市場(chǎng)在2023年估值為42億美元，預計到2032年將增長(cháng)到798億美元，復合年增長(cháng)率超過(guò)35%。這種強勁的市場(chǎng)增長(cháng)是由對全球帶寬的快速增長(cháng)需求、對偏遠和孤立地區連接需求的增加以及衛星生產(chǎn)和發(fā)射成本的快速下降所驅動(dòng)的。與此同時(shí)，將NTNs整合到3GPP 5G生態(tài)系統以及NTN標準的開(kāi)發(fā)，為這一快速發(fā)展的市場(chǎng)中的開(kāi)發(fā)人員和制造商提供了穩定性和確定性。NTNs在農業(yè)、物流、能源和交通等行業(yè)中啟用應用。它們?yōu)楦髌髽I(yè)提供了顯著(zhù)的機遇，使企業(yè)能夠實(shí)現真正的全球運營(yíng)，在以前無(wú)法到達的地點(diǎn)收集數據?，F有的和新興的用例包括：

• 公共安全行動(dòng)

• 災難響應和恢復管理

• 自動(dòng)駕駛車(chē)輛和V2X通信

• 海事和航空通信

• 高級遠程信息處理服務(wù)

• 5G網(wǎng)絡(luò )的回傳支持

• 簡(jiǎn)化的5G漫游

這些用例和應用的需求刺激了空間技術(shù)的重大創(chuàng )新，導致衛星生產(chǎn)和發(fā)射成本大幅下降。隨著(zhù)每年發(fā)射的衛星數量增加，設計、生產(chǎn)和維護成本分布在更高的產(chǎn)量上。由此產(chǎn)生的規模經(jīng)濟導致單位成本降低。與此同時(shí)，芯片組和半導體變得更小、更強大。這使得更多功能可以被集成到衛星中，增加了空間市場(chǎng)的商業(yè)可行性。因此，像OneWeb、SpaceX、Project Kuiper和Telesat這樣的大量運營(yíng)商已經(jīng)出現，通過(guò)低軌道衛星群提供全球通信服務(wù)。

納入3GPP標準

衛星通信日益受到關(guān)注，這體現在非地面網(wǎng)絡(luò )（NTN）被納入3GPP標準中。3GPP標準的第17版定義了兩類(lèi)NTN，每種都有其特定的用例和市場(chǎng)：

• NTN-IoT（物聯(lián)網(wǎng)）

• NTN-NR（新無(wú)線(xiàn)）

后續版本提升了性能、可靠性和效率。第18版于2023年第三季度凍結，涵蓋了對NTN-IoT和NTN-NR的增強功能。它增加了新的服務(wù)和流量模型，以及NTN-NR的頻段。預計將于2025年第四季度最終確定的第19版，增加了一種新的再生NTN架構（見(jiàn)圖2），該架構可以替代最初的“彎管”配置。新配置通過(guò)在衛星上放置分布式單元處理來(lái)支持星間鏈路。

透明與非透明NTN架構

圖2. 彎管（左側）和再生（右側）有效載荷及橢圓形波束模式。圖片由3GPP提供

3GPP的工作為確保NTN作為未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò )的完全集成組件奠定了基礎。與當前的5G NTN相比，預計這將更好地滿(mǎn)足垂直行業(yè)的需求和消費者市場(chǎng)的期望，在廣闊的地理區域內提供增強的連接性和低延遲。開(kāi)發(fā)人員利用NTN的實(shí)用考慮因素如今，NTN市場(chǎng)正在迅速發(fā)展，多個(gè)工作組和組織正在解決整合地面網(wǎng)絡(luò )（TN）和非地面網(wǎng)絡(luò )（NTN）的挑戰。NTN-IoT目前是發(fā)展最為成熟的市場(chǎng)，多家制造商提供的芯片組支持開(kāi)發(fā)具有真正全球覆蓋（陸地、海洋和空中）的物聯(lián)網(wǎng)用例。開(kāi)發(fā)NTN-IoT項目的開(kāi)發(fā)人員需要考慮以下因素：

• 衛星軌道

• 硬件，包括天線(xiàn)

• 測試和認證

NTN-NR目前還不夠成熟，但隨著(zhù)衛星通信技術(shù)的發(fā)展，其重要性將逐漸增加。目前，讓我們先專(zhuān)注于NTN-IoT。

衛星軌道

不同的用例需求可以通過(guò)不同的衛星軌道來(lái)優(yōu)化。每種軌道都具有特定的技術(shù)挑戰，并且在性能和能力方面涉及權衡。例如，地球靜止軌道（GEO）和地球同步軌道（GSO）衛星覆蓋范圍非常廣闊，能夠為最偏遠的地區提供覆蓋。它們采用簡(jiǎn)單的“彎管”架構，直接將信號反射回地面節點(diǎn)。然而，這些軌道距離地球約35,000到36,000公里，對任何系統的鏈路預算都是一個(gè)挑戰。延遲較高，數據速率限制在大約1 Kbps，由于傳輸時(shí)間更長(cháng)，導致功耗增加。對于需要多個(gè)連接、持續上行和下行流量的大量NB-IoT節點(diǎn)的應用，容量也可能成為一個(gè)問(wèn)題。另一方面，低地球軌道（LEO）衛星每90到100分鐘繞地球運行一次，軌道高度為500到700公里。它們支持更簡(jiǎn)單的鏈路預算和更高的數據速率（30到40 kbps），因此功耗更低。然而，由于軌道較低，需要一個(gè)LEO衛星網(wǎng)絡(luò )來(lái)提供覆蓋。在部署的早期階段，間歇性覆蓋（即在某一時(shí)刻沒(méi)有衛星經(jīng)過(guò)）可能是一個(gè)問(wèn)題。與快速移動(dòng)的LEO衛星通信也面臨挑戰。例如，多普勒頻移必須在設備的NTN軟件堆棧中處理。從開(kāi)發(fā)人員的角度來(lái)看，衛星可能僅在頭頂上方停留兩到三分鐘。這個(gè)短暫的傳輸窗口需要衛星網(wǎng)絡(luò )內的存儲和轉發(fā)機制，以將數據傳輸到客戶(hù)的云中。由于上行鏈路和下行鏈路是兩個(gè)獨立的事件，端到端延遲可能會(huì )有所不同。這在當前的部署階段尤其明顯，當時(shí)地面站和衛星可能數量有限。綜合以上因素，GSO/GEO衛星通常更適合關(guān)鍵數據——例如警報和緊急通信——這些數據的傳輸頻率較低，且功耗不是問(wèn)題。為了合理化與GSO/GEO衛星相關(guān)的較高成本，這些數據對終端用戶(hù)的價(jià)值應該是顯著(zhù)的。LEO衛星支持更低的功耗和更短的連接時(shí)間，并且數據速率更高。但缺點(diǎn)是延遲可能非常高——在最壞的情況下，甚至可能達到數小時(shí)。至少在部署的早期階段，LEO衛星更適合涉及物聯(lián)網(wǎng)數據報告的用例，這些用例對延遲的要求不高。隨著(zhù)更多LEO衛星的發(fā)射以及未來(lái)的3GPP版本解決與快速移動(dòng)的非地面平臺通信的挑戰，這些指導原則無(wú)疑會(huì )有所變化。

硬件和天線(xiàn)考量

通常，現有的蜂窩模塊可以成功地與衛星網(wǎng)絡(luò )通信。因此，升級現有應用以利用NTN可能只需要新的固件版本。在某些情況下，也有可能重用現有的天線(xiàn)。某些NTN頻段與蜂窩頻段相鄰，這意味著(zhù)可以使用相同的天線(xiàn)進(jìn)行蜂窩和NTN通信。這將取決于以下所有因素：

• 應用的部署區域。

• 選擇的頻段。

• 系統的整體性能。

由于衛星比蜂窩基站遠得多，鏈路預算對于確保穩定可靠的連接至關(guān)重要。表1提供了一些關(guān)于系統要求的指導。

表1. NTN衛星通信鏈路的典型性能要求

無(wú)論重新利用現有解決方案還是從頭設計，天線(xiàn)的選擇和定位都是關(guān)鍵活動(dòng)，應在設計周期的早期階段盡可能考慮。

測試與認證

天線(xiàn)測試與認證是一項復雜、成本高昂且耗時(shí)的任務(wù)，涉及專(zhuān)業(yè)技能和昂貴的設備。認證過(guò)程通常需要數月才能完成。然而，對于任何非地面網(wǎng)絡(luò )（NTN）的推出來(lái)說(shuō)，這是必不可少的環(huán)節。這給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了巨大的挑戰，因為他們面臨著(zhù)縮短開(kāi)發(fā)周期和快速推向市場(chǎng)的壓力。像Taoglas這樣的專(zhuān)業(yè)天線(xiàn)制造商擁有內部資源和技能，能夠支持客戶(hù)完成這一過(guò)程，幫助他們降低開(kāi)發(fā)成本并加快上市時(shí)間。

利用NTN生態(tài)系統確保市場(chǎng)成功

盡管仍在不斷發(fā)展，但非地面網(wǎng)絡(luò )（NTN）已經(jīng)為物聯(lián)網(wǎng)設備開(kāi)發(fā)人員提供了增強的覆蓋能力，只要他們愿意應對這一快速變化的法規和技術(shù)環(huán)境。市場(chǎng)成功取決于對NTN的現狀和未來(lái)展望的深刻理解，確保產(chǎn)品具有未來(lái)適應性并延長(cháng)其生命周期。然而，衛星通信是一個(gè)復雜的領(lǐng)域。獲得像Taoglas這樣的強大生態(tài)系統中專(zhuān)家的支持至關(guān)重要，這有助于在不犧牲開(kāi)發(fā)周期和成本的情況下克服挑戰。