低軌衛(wèi)星在無線通信行業(yè)的應用

在本系列文章的第1篇《現(xiàn)代低軌衛(wèi)星技術如何改寫太空競賽格局》中，我們探討了衛(wèi)星通信市場的諸多方面，并初步討論了其對5G新空口（NR）蜂窩網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡的影響。在本文中，我們將更深入地探索衛(wèi)星網(wǎng)狀網(wǎng)絡與非地面網(wǎng)絡（NTN）的融合，以及它們如何改變未來的通信格局。

NTN衛(wèi)星作為中繼站，擴展了地面網(wǎng)絡的無線覆蓋范圍和容量。這些網(wǎng)絡為緊急情況、災難及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡設備等其它服務提供通信手段。此外，一些公司正推出協(xié)議，將衛(wèi)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(wèi)星網(wǎng)絡，可實現(xiàn)全球雙向緊急信息傳遞、面向偏遠地區(qū)的低成本互聯(lián)網(wǎng)服務、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(wèi)星網(wǎng)絡應用，涵蓋地球靜止軌道（GEO）、中地球軌道（MEO）和LEO衛(wèi)星技術。5G NTN NR衛(wèi)星網(wǎng)絡包括兩個通信鏈路——一個在衛(wèi)星與用戶之間，另一個在衛(wèi)星與連接至地球數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的地面站間。它將提供NTN-IoT及5G NR通信服務，將智能手機和其它支持5G的設備連接到NTN服務網(wǎng)絡。

5G NR NTN與衛(wèi)星技術的進步

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

融合衛(wèi)星技術的5G NR NTN架構有望實現(xiàn)全球蜂窩無線連接。3GPP第17版標準側重于增強全球5G-NTN和IoT-NTN服務，并引入低延遲的直通蜂窩服務，將sub-6GHz頻段的速度提升至數(shù)十Mbps。

此外，第18版標準旨在通過使用10GHz以上的頻率——特別是Ka和Ku頻段，來改善覆蓋范圍及移動性。由此，將使速度達到數(shù)百Mbps，有利于部署較小尺寸的有源電子掃描陣列（AESA）天線；如SpaceX的Starlink所使用的天線。這些技術進步提升了速度，可支持災后恢復工作，還將覆蓋范圍擴展至傳統(tǒng)網(wǎng)絡無法觸及的偏遠地區(qū)。

如表1所示，3GPP標準下的5G NTN演進包括頻譜的擴展，以涵蓋L、S、K和Ka頻段，從而增強上行鏈路覆蓋，并支持移動服務。第18版標準還特別針對新引入的三個10GHz以上NTN頻段（n510、n511和n512），以進一步完善5G NTN設計，實現(xiàn)更佳的性能和更廣泛的接入。

表1，SATCOM NTN頻率頻段

NTN網(wǎng)絡的另一個關鍵目標是提高有限無線電頻譜資源的效率。該頻譜經(jīng)常處于擁塞狀態(tài)；最近的技術研究正在尋找更好的方法來管理這種擁塞；例如在空間網(wǎng)絡中采用時分雙工（TDD）模式，改變了為發(fā)送和接收信號分配不同路徑的傳統(tǒng)方法。如表2所示，使用TDD頻段有助于移動運營商在繁忙的sub-6GHz頻譜上騰出更多空間。這些改進正在推動衛(wèi)星技術向前發(fā)展，使其更為智能，更加符合地面網(wǎng)絡的要求。

表2，TDD NTN頻段

單向與雙向衛(wèi)星通信的對比

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

如圖所示，單向通信（左圖）——如直播衛(wèi)星（DBS）服務等，傳統(tǒng)上依賴GEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)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(wèi)星在天空中處于固定位置。GEO衛(wèi)星是地球同步軌道（GSO）衛(wèi)星的一種，兩者都用于電信及地球觀測。

非地球靜止軌道（NGSO）是指衛(wèi)星相對于地球表面的非靜止軌道類型。NGSO衛(wèi)星的軌道高度低于GEO衛(wèi)星，且完成一圈軌道所需時間更短。NGSO衛(wèi)星在天空中不斷移動，能夠為移動衛(wèi)星服務提供更好的覆蓋，并改善全球連接。NGSO軌道有多種類型，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(wèi)星通信應用場景示例

雙向LEO衛(wèi)星架構進一步提升了整體衛(wèi)星通信能力。此類雙向衛(wèi)星通信超越了過去的單向“彎管”式設置，融入了諸如AESA天線等技術。“彎管”架構的運作方式類似于中繼器，而雙向架構則超越了這種單向通信方式。這些先進的系統(tǒng)對于增強地面與衛(wèi)星間的通信至關重要。

NTN的透明與再生架構

新一代地面站系統(tǒng)基礎設施正朝著靈活且互聯(lián)的方向發(fā)展，配備了更小的平板用戶終端，類似于蜂窩網(wǎng)絡。為了將衛(wèi)星接入網(wǎng)絡融入5G，3GPP TR38.821引入了兩種基于衛(wèi)星的下一代無線接入網(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(wèi)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(wèi)星上進行。

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(wèi)星上實現(xiàn)。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(wèi)星上完成。這就如同在衛(wèi)星上搭載了全部或部分gNB傳統(tǒng)地面蜂窩基站的功能。此類用于LEO衛(wèi)星的再生系統(tǒng)架構相較于傳統(tǒng)“彎管”轉發(fā)器具有諸多優(yōu)勢；且由于當前的LEO星座擁有自己專有的波形和機載處理系統(tǒng)，其已成為未來架構的方向。

圖3，衛(wèi)星有效載荷透明網(wǎng)絡和再生網(wǎng)絡

AESA和波束成形技術的引入

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

，用戶CPE終端是用戶與衛(wèi)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（如移動衛(wèi)星通信、海事應用等）。其利用AESA天線將各種技術集成到更緊湊、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，同時采用商用現(xiàn)成品（COTS）組件；此外，它們還支持更快的數(shù)據(jù)傳輸方式。

結語

本文重點探討了衛(wèi)星網(wǎng)絡與5G NR NTN的集成，特別強調了LEO衛(wèi)星的應用。這種部署擴大了地面5G網(wǎng)絡覆蓋范圍，并支持從應急通信到物聯(lián)網(wǎng)應用等的各類服務。同時，我們著重介紹了3GPP第17版中的最新進展，特別是將衛(wèi)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(tǒng)“彎管”模型向先進雙向通信系統(tǒng)的轉變，其中采用了商用技術以提高效率。借助AESA和波束成形技術，數(shù)據(jù)傳輸速度及可用頻率利用效率均得到顯著提升。這一進步正在推動全球通信向前發(fā)展，使互聯(lián)網(wǎng)連接更快、覆蓋范圍更廣，并為偏遠地區(qū)提供更可靠的服務。

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，以及它如何改變并推動空間衛(wèi)星網(wǎng)絡進入蜂窩市場領域。