仰望星空！非地面網(wǎng)絡(luò)，如何開辟太空互聯(lián)網(wǎng)新賽道？

本文將探討電信界當(dāng)前的一個(gè)熱議話題：非地面網(wǎng)絡(luò) (NTN)。5G NTN市場近期對恩智浦Layerscape處理器的需求激增，顯示出其日益增長的市場吸引力。

那么，究竟什么是非地面網(wǎng)絡(luò) (NTN) 呢？請放心，這個(gè)話題目前不涉及與外星生命體的交流。相反，TNT通過基于衛(wèi)星的系統(tǒng)為Verizon、Vodafone和中國移動(dòng)等運(yùn)營商提供的現(xiàn)有 (地面) 無線電信網(wǎng)絡(luò)帶來了增強(qiáng)。其核心宗旨在于拓展無線通信的覆蓋區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)地球的真正覆蓋。

這一理念并非首創(chuàng)。那些繼承了摩托羅拉精神的人們會(huì)記得銥星衛(wèi)星星座。自21世紀(jì)初期起，銥星就借助其衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為移動(dòng)電話提供接入服務(wù)。最終用戶從衛(wèi)星連接的全球覆蓋中獲益，他們的通信不再受限于國界或本地運(yùn)營商的范圍。盡管如此，銥星的出現(xiàn)似乎領(lǐng)先于時(shí)代。受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，它最終演變成了一個(gè)規(guī)模龐大且成本高昂的小眾市場應(yīng)用。

市場變化的影響

那么，為何當(dāng)前NTN的發(fā)展前景與以往不同，它能否取得更大的成功呢？這背后有多個(gè)相互作用的因素。

首先，隨著新一代可重復(fù)使用衛(wèi)星的推出，衛(wèi)星部署的成本正在顯著降低。美國太空探索技術(shù)公司 (SpaceX) 在這方面尤為突出，其可重復(fù)使用技術(shù)大幅降低了成本。當(dāng)市場的準(zhǔn)入門檻降低到一定程度時(shí)，就會(huì)向非政府實(shí)體開放。

其次，空中接口的標(biāo)準(zhǔn)化也是一個(gè)關(guān)鍵因素。5G技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其波形的靈活性，這包括對非地面部署的支持。這意味著大規(guī)模的地面技術(shù)可以被應(yīng)用于NTN場景，包括5G生態(tài)系統(tǒng)的組件、接口以及軟件協(xié)議棧的復(fù)用。這降低了復(fù)雜性和所需的時(shí)間，從而降低了成本和風(fēng)險(xiǎn)。

最后，市場需求的增長也是一個(gè)不可忽視的因素。全球有一半的人口尚未享受到通信服務(wù)，這不僅代表著一個(gè)巨大的市場潛力，也是可能獲得政府資助的一個(gè)途徑。

具有地面站、衛(wèi)星和終端單元的典型NTN系統(tǒng)。

NTN目標(biāo)應(yīng)用

NTN在功能、架構(gòu)和部署方面展現(xiàn)出多樣性，這主要是因?yàn)樗枰獫M足廣泛而多樣的目標(biāo)應(yīng)用：

■ 寬帶無線接入，這是消費(fèi)者對于“互聯(lián)網(wǎng)到家”服務(wù)最為熟悉的應(yīng)用形式。顯而易見，無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在那些傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)難以觸及的農(nóng)村地帶發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。根據(jù)聯(lián)合國的數(shù)據(jù)，全球約有一半的人口尚未接入互聯(lián)網(wǎng)。

■ 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 市場由眾多互聯(lián)、聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備組成，這些設(shè)備無需電線即可實(shí)現(xiàn)連接。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的規(guī)模從每天僅傳輸幾個(gè)比特的小型農(nóng)業(yè)傳感器，到每秒產(chǎn)生數(shù)千兆比特?cái)?shù)據(jù)的大型設(shè)備如汽車等都有。

■ 定位、導(dǎo)航和定時(shí) (PNT) 服務(wù)——由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 提供——市場價(jià)值高達(dá)數(shù)千億美元，并且預(yù)計(jì)隨著自動(dòng)駕駛汽車、無人機(jī)以及其他依賴精確定位的移動(dòng)解決方案的發(fā)展，這一市場還將進(jìn)一步擴(kuò)大。然而，現(xiàn)有的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)解決方案 (如GPS、Galileo等) 存在局限性，包括室內(nèi)覆蓋不足 (鏈路預(yù)算挑戰(zhàn))、精度不夠 (未達(dá)到厘米級) 以及安全性問題 (易受欺騙)。

星座類型說明

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由其星座類型決定，這一類型定義了地面與衛(wèi)星之間的距離及其網(wǎng)絡(luò)配置。在選擇部署哪種類型的星座時(shí)，需要在部署所需的衛(wèi)星數(shù)量、每顆衛(wèi)星的成本、延遲/吞吐量等因素之間做出權(quán)衡。

星座類型由衛(wèi)星與地球之間的距離定義，在GEO、MEO和LEO（以及鮮為人知的HAPS和HEO）選項(xiàng)中：星座類型根據(jù)衛(wèi)星與地球之間的距離來劃分，包括地球靜止軌道 (GEO)、中地球軌道 (MEO)、低地球軌道 (LEO) 以及較少人知的高空平臺系統(tǒng) (HAPS) 和高橢圓軌道 (HEO)。

◇ GEO——地球靜止軌道

這類衛(wèi)星位于距地球36000km的軌道上。在這個(gè)高度上，它們與地球同步運(yùn)轉(zhuǎn)，始終位于地面的固定位置上方。GEO系統(tǒng)因此適合提供地理位置固定的服務(wù)，如北美的電視廣播。由于其距離地球較遠(yuǎn)，GEO衛(wèi)星能夠覆蓋廣闊的區(qū)域. 但這也意味著成本較高，并且通信延遲較大 (往返大約550ms)，這對于需要實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

◇ MEO——中地球軌道

這類衛(wèi)星運(yùn)行在距離地球5000-20000km的軌道上，與低軌衛(wèi)星 (LEO) 一同構(gòu)成非地球靜止軌道衛(wèi)星的群體 (NGSO)。全球定位系統(tǒng) (GPS) 便是MEO衛(wèi)星系統(tǒng)中最廣為人知的一個(gè)例子。GPS的獨(dú)特之處在于，它運(yùn)行在大約20200km高的半同步軌道上，軌道周期為12小時(shí)，每天兩次經(jīng)過赤道上的相同位置。

◇ LEO——低地球軌道

這類衛(wèi)星位于距地球500-1200km的軌道上。在這一高度部署衛(wèi)星的成本遠(yuǎn)低于其他兩個(gè)系統(tǒng)。因此，LEO軌道上擁有數(shù)千顆執(zhí)行科學(xué)研究、通信、成像等多種任務(wù)的衛(wèi)星。LEO衛(wèi)星覆蓋的地理范圍相對較小，這意味著需要大量的衛(wèi)星 (數(shù)十至數(shù)百顆) 來實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，并保持快速繞地球運(yùn)行的軌道 (<2小時(shí)/軌道)。由于受到大氣阻力的影響，LEO衛(wèi)星的軌道會(huì)逐漸降低，從而限制了它們的使用壽命在7至10年之間。

值得注意的是，LEO軌道上的衛(wèi)星因其有限的壽命、優(yōu)良的實(shí)時(shí)性能以及對大量衛(wèi)星的需求，使其成為了一個(gè)特殊的存在。正因如此，LEO系統(tǒng)對于創(chuàng)新具有特別的吸引力，包括利用近年來興起的低成本商業(yè)航天公司進(jìn)行的“批量”衛(wèi)星部署。

NTN系統(tǒng)覆蓋的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)——衛(wèi)星能夠覆蓋地球的多大面積。

NTN與標(biāo)準(zhǔn)化

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，隨著時(shí)間的推進(jìn)，NTN在3GPP聯(lián)盟中得到了逐步的標(biāo)準(zhǔn)化。3GPP的研究項(xiàng)目已在第15版和第16版中展開。到了3GPP第17版，規(guī)范性工作正式啟動(dòng)，旨在調(diào)整3GPP技術(shù)協(xié)議棧，以更好地支持寬帶和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

為了適應(yīng)空間部署的特殊需求，3GPP技術(shù)協(xié)議棧的多個(gè)方面正在進(jìn)行優(yōu)化，包括物理層方面，如多普勒頻移和傳播延遲、高往返時(shí)間 (RTT) 等問題，這些都影響到重傳算法和控制平面信令。因此，控制平面信令需要進(jìn)行增強(qiáng)，以便納入衛(wèi)星信息，并支持非移動(dòng)用戶設(shè)備 (UE) 之間的切換。

組件和應(yīng)力系數(shù)

作為一家半導(dǎo)體組件供應(yīng)商，恩智浦面臨的一個(gè)特別挑戰(zhàn)是太空環(huán)境對電子組件的應(yīng)力與地球不同。這種應(yīng)力有多種形式：熱 (極端溫度變化)、振動(dòng)、輻射等。處于更高軌道的系統(tǒng)，尤其是位于范艾倫輻射帶之外的，需要采用所謂的“輻射硬化”部件，以抵御更強(qiáng)烈的輻射環(huán)境。這些部件的設(shè)計(jì)還必須考慮到預(yù)期的使用壽命。衛(wèi)星的壽命隨著衛(wèi)星與地球的距離而增加——地球靜止軌道的衛(wèi)星通常預(yù)期壽命為15年或更長，而低地球軌道衛(wèi)星的有效期可能只有此時(shí)段的一半。顯然，壽命更長的設(shè)備會(huì)在其使用期內(nèi)承受更多的輻射。

由于這些部件在太空中面臨的各種應(yīng)力因素，加上它們需要運(yùn)行超過10年甚至更久的壽命要求，與地球上的消費(fèi)電子產(chǎn)品相比，適用于衛(wèi)星系統(tǒng)的部件選擇大為縮減。市場上有些供應(yīng)商專門提供這類“太空級”組件和/或子系統(tǒng)。

重復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)化 (O-RAN)  5G組件的衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)。

復(fù)雜性驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

如您所見，這些NTN系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上提出了一系列特殊挑戰(zhàn)，例如系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，其中包括處理多普勒效應(yīng)、確保系統(tǒng)可靠性、考慮網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)等。此外，NTN系統(tǒng)的容量相對較低 (以千計(jì)而非百萬計(jì))，且組件的可用性有限，需要加固組件。同時(shí)，NTN系統(tǒng)還需支持大容量傳輸，高達(dá)數(shù)百Gbps。

這些因素共同推動(dòng)了工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。這種工程復(fù)雜性直觀地驅(qū)動(dòng)了模塊化設(shè)計(jì)，在模塊化設(shè)計(jì)中，可以多次實(shí)例化較小的子系統(tǒng)，這樣便可以將工程資源集中于優(yōu)化這些子系統(tǒng)。正是這種模塊化設(shè)計(jì)，促使了小型行業(yè)參與者的生態(tài)系統(tǒng)得以形成，每個(gè)參與者都在優(yōu)化NTN系統(tǒng)的某個(gè)特定方面。

太空潛力浩瀚如星辰

為什么恩智浦要對非地面網(wǎng)絡(luò) (NTN) 如此關(guān)注呢？事實(shí)證明，由于我們的組件不僅被應(yīng)用在衛(wèi)星上，還被廣泛應(yīng)用于地球上的消費(fèi)電子終端設(shè)備，NTN市場具有相當(dāng)大的商業(yè)潛力。許多恩智浦產(chǎn)品具有高度可編程性、靈活性和開放性，支持客戶應(yīng)對NTN所特有的挑戰(zhàn)。您認(rèn)為NTN的未來會(huì)走向何方？ 

本文作者

Wim Rouwet是恩智浦半導(dǎo)體公司的一位杰出技術(shù)人員。Wim專注于3GPP LTE和5G以及802.11處理協(xié)議棧及其應(yīng)用方案，負(fù)責(zé)與多個(gè)無線基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目有關(guān)的4G和5G協(xié)議棧開發(fā)、小基站以及CRAN應(yīng)用方案。