手機(jī)直連衛(wèi)星背后的關(guān)鍵技術(shù)有哪些

中國(guó)信科陳山枝等在《6G 星地融合移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)》中提到手機(jī)直連衛(wèi)星的進(jìn)展：

蘋果公司(Apple) 基于Globalstar 衛(wèi)星, 于2022 年實(shí)現(xiàn)雙向短消息發(fā)送功能;

AST Space Mobile 聯(lián)合AT&T, 于2023 年4 月完成了天基雙向通話；

中國(guó)信科2023 年6 月發(fā)布基于5G NTN 透明轉(zhuǎn)發(fā)的高低軌一體化系統(tǒng)及星地融合寬帶業(yè)務(wù)驗(yàn)證;

華為公司2023 年8 月發(fā)布基于高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)雙向短消息和語(yǔ)音功能的智能手機(jī)Mate 60 Pro;

中國(guó)移動(dòng)2023 年9 月完成NR NTN 低軌衛(wèi)星模擬驗(yàn)證, 支持手機(jī)直連衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù);

星鏈(Starlink) 2024 年1 月通過(guò)美國(guó)T-mobile 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收了短信。

更進(jìn)一步，在今年的8月6日、10月15日，我國(guó)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座“千帆星座”先后以“一箭18”的方式成功發(fā)射第一、二批組網(wǎng)衛(wèi)星，目前在軌36顆衛(wèi)星，按計(jì)劃進(jìn)行在軌測(cè)試任務(wù)。

“手機(jī)直連衛(wèi)星”是近兩年來(lái)的技術(shù)熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠商已在進(jìn)行設(shè)備研制。從工程技術(shù)角度講，面對(duì)巨型星座組網(wǎng)及與地面設(shè)備流暢的通信，依然存在不小挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，5G-NTN體制的手機(jī)直連衛(wèi)星方案初步按照3GPP R17/18協(xié)議進(jìn)行，部分廠家已進(jìn)行地面模擬驗(yàn)證及試驗(yàn)星在軌驗(yàn)證階段。

那么，這其中到底有哪些關(guān)鍵技術(shù)，以及如何確保衛(wèi)星上天后，終端能夠穩(wěn)定接入衛(wèi)星并進(jìn)行通信，這是工程師們十分關(guān)心的問(wèn)題。

在2023年的MATLAB用戶大會(huì)上，恩艾（NI）分享了他們的觀點(diǎn)。

要使得5G協(xié)議適用于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，顯然需要針對(duì)衛(wèi)星信道特點(diǎn)和高速移動(dòng)帶來(lái)的多普勒頻移等問(wèn)題進(jìn)行適配修改。

手機(jī)直連衛(wèi)星的價(jià)值在于，與地面通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，確保在關(guān)鍵時(shí)刻不失聯(lián)。

技術(shù)演進(jìn)的過(guò)程預(yù)計(jì)持續(xù)3~5年，包括通信協(xié)議、應(yīng)用終端、業(yè)務(wù)類型等多個(gè)方面。

在技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，一個(gè)不得不面對(duì)的現(xiàn)實(shí)是：如何完成地面系統(tǒng)驗(yàn)證？顯而易見的是衛(wèi)星信道只能依賴于信道模擬器完成，發(fā)射機(jī)+信道模擬器+接收機(jī)，組成一套驗(yàn)證系統(tǒng)。

NI公司顯然也看了這樣的商機(jī)，提出了基于SDR的原型驗(yàn)證系統(tǒng)。對(duì)于設(shè)備商而言，只有通過(guò)自己的設(shè)備，借助信號(hào)源、頻譜儀、信道模擬器、GNSS模擬器等，完成系統(tǒng)驗(yàn)證。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)級(jí)的驗(yàn)證顯然十分重要，星地超寬帶信道模擬器可用于模擬星地之間的通信信道。

目前市場(chǎng)上的信道模擬器一般價(jià)格不菲，是德科技、坤恒順維等企業(yè)已研發(fā)出多通道、大帶寬、多頻段的信道模擬器。

要想把地面5G NR的通信協(xié)議搬上衛(wèi)星，并不能一蹴而就，需要對(duì)上、下行的同步、接入等進(jìn)行技術(shù)增強(qiáng)。

NI分享了搭建的簡(jiǎn)易NTN原型驗(yàn)證系統(tǒng)，NTN用戶終端+信道模擬器+衛(wèi)星gNB。

毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，天線技術(shù)將扮演重要角色。當(dāng)前，相控陣天線技術(shù)日趨成熟，不管是載荷還是地面終端，相控陣的波束跟蹤能力至關(guān)重要。

“波束賦形”技術(shù)在此刻更體現(xiàn)其重要性，成百上千的陣元如何調(diào)控才能完美實(shí)現(xiàn)精確的波束指向和跟蹤，是業(yè)界關(guān)心的重要問(wèn)題。

射頻天線固然重要，同樣對(duì)于基帶波形而言，NTN也并不簡(jiǎn)單。從5G 的NR協(xié)議就可知道，面對(duì)各個(gè)信道的物理層實(shí)現(xiàn)，需要眾多研發(fā)工程師投入，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，需要上百人的投入。

在物理層中，我們經(jīng)常會(huì)遇到slot調(diào)度等，需要配合高層協(xié)議棧，完成基帶信號(hào)的收發(fā)。

星地同步技術(shù)極為重要，我們需要在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成波形的收發(fā)。例如在接入過(guò)程中，我們經(jīng)常會(huì)遇到TA的計(jì)算。此外，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步方案將決定能否實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)灌通。

面對(duì)復(fù)雜的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)軌道環(huán)境下，能否準(zhǔn)確計(jì)算TA和多普勒頻移補(bǔ)償值，將決定是否能夠正常入網(wǎng)和業(yè)務(wù)操作。

總結(jié)下來(lái)，手機(jī)直連衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)：

巨型星座組網(wǎng)技術(shù)

端到端地面原型驗(yàn)證技術(shù)

相控陣波束掃描跟蹤技術(shù)

星地同步技術(shù)

多普勒頻移補(bǔ)償技術(shù)

面對(duì)未來(lái)的通信需求，我們通信人還要繼續(xù)貢獻(xiàn)力量，接力實(shí)現(xiàn)全人類“永不失聯(lián)”。

參考： 1.MATLAB EXPO，5G NTN與“手機(jī)直連衛(wèi)星”快速原型 2.5GNTNTechnologies, Standards, and System Design ---<完>--- 更多關(guān)于5G、衛(wèi)星通信、FPGA、數(shù)字IC、通信算法等內(nèi)容，可關(guān)注微信公眾號(hào)【FPGA算法工程師】