衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

以下文章來(lái)源于半導(dǎo)體行業(yè)觀察 ，作者杜芹

衛(wèi)星通信正在通信領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。例如，中國(guó)通過(guò)衛(wèi)星電視已為非洲數(shù)千個(gè)村莊帶來(lái)了奧運(yùn)會(huì)、世界杯等國(guó)際賽事，極大地豐富了當(dāng)?shù)鼐用竦奈幕?。此外，衛(wèi)星還被用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)“摩羯”等自然災(zāi)害，為人們提供預(yù)警，減少損失。尤為值得一提的是，近兩年，隨著“手機(jī)直連衛(wèi)星”功能在華為、vivo等國(guó)產(chǎn)手機(jī)上陸續(xù)實(shí)現(xiàn)，衛(wèi)星通信逐漸走入大眾生活，讓更多人體驗(yàn)到了其便利性。

與此同時(shí)，商業(yè)衛(wèi)星市場(chǎng)發(fā)展迅猛。根據(jù)衛(wèi)星行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA) 的年度報(bào)告，2023年，商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)創(chuàng)歷史新高，部署了2,781顆創(chuàng)紀(jì)錄數(shù)量的衛(wèi)星，比上一年增加了20%。截至年底，地球軌道上運(yùn)行的活躍衛(wèi)星數(shù)量已達(dá)9691顆，五年內(nèi)增長(zhǎng)了361%。

衛(wèi)星通信發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力

衛(wèi)星通信技術(shù)近年來(lái)取得了顯著進(jìn)步，特別是在低地球軌道(LEO)衛(wèi)星的部署上。以SpaceX的Starlink為代表的LEO星座計(jì)劃已經(jīng)展示了其在提供高速、低延遲全球互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中的巨大潛力。而除了SpaceX，其他公司如OneWeb、亞馬遜的Kuiper項(xiàng)目和Telesat也正在大力投資LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。隨著更多衛(wèi)星的發(fā)射和部署，全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)將變得更加可行，并且成本將大幅下降。

低地球軌道(LEO)衛(wèi)星正成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域的顛覆性力量。根據(jù)軌道高度的不同，衛(wèi)星可以分為低地球軌道(LEO)、中地球軌道(MEO)和地球同步軌道(GEO)三種。其中，LEO衛(wèi)星相較于GEO和MEO的同類衛(wèi)星具有顯著優(yōu)勢(shì)，GEO衛(wèi)星信號(hào)傳輸延遲為280毫秒(ms)，而LEO衛(wèi)星能夠?qū)⒀舆t降低至僅6至30毫秒。因此，LEO衛(wèi)星能夠?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。

從市場(chǎng)需求上來(lái)看，5G技術(shù)的商用加速了人們對(duì)高速率、低延遲通信的需求，而衛(wèi)星通信能夠有效補(bǔ)充地面5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋不足，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)和海上。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的爆炸式增長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接提出了更高的要求，衛(wèi)星通信能夠提供廣域覆蓋和低功耗的連接解決方案。衛(wèi)星通信在無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛、智慧城市等新興應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

政策也是衛(wèi)星通信發(fā)展之路上的重要的推手。各國(guó)政府紛紛出臺(tái)政策，鼓勵(lì)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為其提供了良好的發(fā)展環(huán)境。例如，國(guó)內(nèi)方面：國(guó)務(wù)院在《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》提出加快布局衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等，推動(dòng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè);在《擴(kuò)大內(nèi)需戰(zhàn)略規(guī)劃綱要(2022-2035年)》中提出推進(jìn)衛(wèi)星及應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。國(guó)外方面：2024年7月15日，Rocket Lab公司獲得《CHIPS法案》高達(dá)2,390萬(wàn)美元的資金，Rocket Lab專門(mén)生產(chǎn)高效抗輻射復(fù)合半導(dǎo)體(太空級(jí)太陽(yáng)能電池)——用于在太空中將光轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。這項(xiàng)擬議的投資將使Rocket Lab能夠增加其用于航天器和衛(wèi)星的復(fù)合半導(dǎo)體產(chǎn)量。

衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢(shì)

01向高頻段邁進(jìn)

衛(wèi)星通信通常使用1–50千兆赫(GHz)的超高頻范圍來(lái)發(fā)送和接收信號(hào)。頻率范圍或波段用字母標(biāo)識(shí)：(從低頻到高頻)L、S、C、X、Ku、Ka、Q/V、E頻段。大多數(shù)衛(wèi)星部署通常使用L至Ka頻段，這些頻段廣泛應(yīng)用于通信、廣播、移動(dòng)寬帶等服務(wù)。

隨著頻段從L到E頻段逐漸向更高頻率發(fā)展，高頻段通信需要更加精密的射頻功率放大器、濾波器、低噪聲放大器等器件來(lái)減少信號(hào)損耗和噪聲，同時(shí)保證在高頻環(huán)境下的高效運(yùn)行。在這方面，Qorvo是少有的能夠覆蓋到Ku波段和K/Ka波段的射頻器件供應(yīng)商，涵蓋PA、LNA、分立式開(kāi)關(guān)、RF濾波器、數(shù)字步進(jìn)衰減器、混頻器、倍增器、移相器等廣泛產(chǎn)品組合。2023年9月，Qorvo發(fā)布了業(yè)界最高功率的Ku波段衛(wèi)星通信放大器QPA0017，適用于日益增長(zhǎng)的相控陣天線衛(wèi)星終端以及高數(shù)據(jù)吞吐量的地面和移動(dòng)設(shè)備。這為衛(wèi)星通信向更高頻段的邁進(jìn)提供了有力支持。

隨著通信技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)更大帶寬需求的增加，越來(lái)越多的衛(wèi)星正逐步向Q/V和E頻譜等更高頻段發(fā)展。這些高頻段能夠提供更高的吞吐量，滿足未來(lái)更高速率的數(shù)據(jù)傳輸需求。行業(yè)仍需要積極應(yīng)對(duì)這些需求。

02衛(wèi)星通信與5G網(wǎng)絡(luò)的融合

下一代通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要趨勢(shì)是地面通信與衛(wèi)星通信的融合。尤其是，5G技術(shù)的快速發(fā)展帶來(lái)了全球移動(dòng)通信的變革，然而，地面5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋仍然受到基礎(chǔ)設(shè)施的限制，尤其是在農(nóng)村、山區(qū)、海洋和空中等偏遠(yuǎn)地區(qū)。在這些受限的區(qū)域，衛(wèi)星通信能夠?yàn)?G提供至關(guān)重要的回程支持。

然而，現(xiàn)有的地面5G NR標(biāo)準(zhǔn)不能適應(yīng)低軌衛(wèi)星信道，為此，國(guó)際電信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP已經(jīng)在其第17版和第18版標(biāo)準(zhǔn)中引入了非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)的支持，包括LEO、MEO(中地球軌道)和GEO衛(wèi)星系統(tǒng)。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(chē)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)。

通過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)的引入，衛(wèi)星通信將與地面5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，滿足更廣泛的通信需求。這不僅是技術(shù)上的融合，也預(yù)示著衛(wèi)星通信市場(chǎng)從專業(yè)和小眾領(lǐng)域轉(zhuǎn)向大眾市場(chǎng)的重大轉(zhuǎn)變。

衛(wèi)星通信的挑戰(zhàn)

衛(wèi)星通信的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)一直是成本問(wèn)題，尤其是用戶終端的成本。與商用電信領(lǐng)域相比，開(kāi)發(fā)衛(wèi)星通信終端更加復(fù)雜。雖然5G系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供了跨市場(chǎng)的統(tǒng)一硬件規(guī)范，但衛(wèi)星通信用戶終端缺乏一致的性能要求、物理接口、波形、調(diào)制解調(diào)器或中頻(IF)頻率。這使得終端開(kāi)發(fā)人員面臨巨大挑戰(zhàn)。

在擁有數(shù)千個(gè)元件的天線陣列中，砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)材料的每平方毫米成本較高，難以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量的衛(wèi)星通信終端應(yīng)用。高度集成的硅基波束成形IC提供了適合的大規(guī)模陣列集成的尺寸，并且能夠在大批量生產(chǎn)中保持較低的成本。

衛(wèi)星通信要擁抱5G，使用硅基毫米波IC的有源電子掃描天線(AESAs)已成為在成本和性能之間達(dá)到平衡的技術(shù)。用于平板AESA設(shè)計(jì)的硅IC具有高性能、應(yīng)用靈活性、易于集成、高能效和良好的經(jīng)濟(jì)性。

在這個(gè)領(lǐng)域，美國(guó)的Anokiwave公司在平板有源電子掃描陣列(AESA)天線領(lǐng)域已成為行業(yè)標(biāo)桿，而且是LEO、MEO和GEO 衛(wèi)星通信終端的毫米波平板有源天線領(lǐng)域中公認(rèn)的硅IC首選供應(yīng)商。不過(guò)在2024年1月31日, Anokiwave被Qorvo收入麾下，預(yù)計(jì)結(jié)合Qorvo在射頻領(lǐng)域的豐富積累，雙方的互補(bǔ)組合將大大推動(dòng)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的成本下降。

結(jié)語(yǔ)

衛(wèi)星通信正處于一個(gè)歷史性的發(fā)展機(jī)遇期，多種技術(shù)進(jìn)步、成本降低和市場(chǎng)需求的疊加，正在推動(dòng)這一產(chǎn)業(yè)逐漸邁向成熟。從LEO星座的部署到地面5G網(wǎng)絡(luò)的整合，衛(wèi)星通信的應(yīng)用場(chǎng)景將不斷拓展，最終實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫連接。在未來(lái)，我們有理由相信，在各方的共同努力下，衛(wèi)星通信將為人類社會(huì)帶來(lái)更多的便利和福祉。