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          推動通信發(fā)展:低軌衛(wèi)星在全球無線通信擴(kuò)展中的角色

          作者: 時間:2024-11-28 來源:Qorvo 收藏

          在本系列文章的第1篇《 現(xiàn)代技術(shù)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(luò)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)網(wǎng)絡(luò)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(luò)與非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)的融合,以及它們?nèi)绾胃淖兾磥淼耐ㄐ鸥窬帧?/p>本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202411/465054.htm

          NTN衛(wèi)星作為中繼站,擴(kuò)展了地面網(wǎng)絡(luò)的無線覆蓋范圍和容量 。這些網(wǎng)絡(luò)為緊急情況、災(zāi)難及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等其它服務(wù)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(jī)中。借助低地球軌道(LEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)全球雙向緊急信息傳遞、面向偏遠(yuǎn)地區(qū)的低成本互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、遠(yuǎn)程文本通信,以及其它基于手機(jī)的通信功能。

          此外,3GPP第17版標(biāo)準(zhǔn)增加了新的5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,涵蓋 地球靜止軌道(GEO) 、 中地球軌道(MEO) 和 LEO衛(wèi)星技術(shù) 。5G NTN NR衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(luò)的地面站間 。它將提供NTN-IoT及5G NR通信服務(wù),將智能手機(jī)和其它支持5G的設(shè)備連接到NTN服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

          5G NR NTN與衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)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(yùn)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(shè)備(UE)到LEO衛(wèi)星的最大單向傳播延遲遠(yuǎn)低于MEO和GEO。

          圖1,3GPP TS 22.261標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的5G NR NTN架構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)全球蜂窩無線連接。3GPP第17版標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于增強(qiáng)全球5G-NTN和IoT-NTN服務(wù),并引入低延遲的直通蜂窩服務(wù),將sub-6GHz頻段的速度提升至數(shù)十Mbps。

          此外,第18版標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到數(shù)百M(fèi)bps,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(shù)進(jìn)步提升了速度,可支持災(zāi)后恢復(fù)工作,還將覆蓋范圍擴(kuò)展至傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法觸及的偏遠(yuǎn)地區(qū)。

          如表1所示,3GPP標(biāo)準(zhǔn)下的5G NTN演進(jìn)包括頻譜的擴(kuò)展,以涵蓋L、S、K和Ka頻段,從而增強(qiáng)上行鏈路覆蓋,并支持移動服務(wù)。第18版標(biāo)準(zhǔn)還特別針對新引入的三個10GHz以上NTN頻段(n510、n511和n512),以進(jìn)一步完善5G NTN設(shè)計,實(shí)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(luò)的另一個關(guān)鍵目標(biāo)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(shù)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(luò)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(yùn)營商在繁忙的sub-6GHz頻譜上騰出更多空間。這些改進(jìn)正在推動衛(wèi)星技術(shù)向前發(fā)展,使其更為智能,更加符合地面網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于GPS、衛(wèi)星電視和廣播等服務(wù)。相比之下, 雙向通信能夠?qū)崿F(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(wù)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(wù)等,傳統(tǒng)上依賴GEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星與地球自轉(zhuǎn)同步,僅環(huán)繞地球赤道運(yùn)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?yàn)橐苿有l(wèi)星服務(wù)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(yīng)用場景示例

          雙向LEO衛(wèi)星架構(gòu)進(jìn)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(shè)置,融入了諸如AESA天線等技術(shù)?!皬澒堋奔軜?gòu)的運(yùn)作方式類似于中繼器,而雙向架構(gòu)則超越了這種單向通信方式。這些先進(jìn)的系統(tǒng)對于增強(qiáng)地面與衛(wèi)星間的通信至關(guān)重要。

          NTN的透明與再生架構(gòu)

          新一代地面站系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)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(luò)。為了將衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)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(gòu): 透明架構(gòu)和再生架構(gòu) 。

          如圖3(左)所示,在 透明有效載荷架構(gòu) 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(jìn)行。

          在圖3(右)所示的 再生有效載荷架構(gòu) 中,全部或部分gNB功能在衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)。因此,在再生有效載荷通信中,RF濾波、變頻和放大、解調(diào)、編碼/解碼、切換或路由,以及調(diào)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(gòu)相較于傳統(tǒng)“彎管”轉(zhuǎn)發(fā)器具有諸多優(yōu)勢;且由于當(dāng)前的LEO星座擁有自己專有的波形和機(jī)載處理系統(tǒng),其已成為未來架構(gòu)的方向。

          圖3,衛(wèi)星有效載荷透明網(wǎng)絡(luò)和再生網(wǎng)絡(luò)

          AESA和波束成形技術(shù)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(dāng)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(jī)械掃描天線。此外,AESA可以利用 波束成形 技術(shù)創(chuàng)建和發(fā)送信號,實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的波束方向調(diào)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(shí)現(xiàn)快速切換。

          圖4,家用AESA波束成形終端

          如圖4所示, 用戶CPE終端是用戶與衛(wèi)星間的直接連接 。這些設(shè)備成本低廉、易于設(shè)置,可固定或移動(如移動衛(wèi)星通信、海事應(yīng)用等)。其利用AESA天線將各種技術(shù)集成到更緊湊、更輕巧的設(shè)計中。這包括用于靈活跟蹤和導(dǎo)向的波束成形技術(shù),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(jié)語

          本文重點(diǎn)探討了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與5G NR NTN的集成,特別強(qiáng)調(diào)了LEO衛(wèi)星的應(yīng)用。這種部署擴(kuò)大了地面5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,并支持從應(yīng)急通信到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等的各類服務(wù)。同時,我們著重介紹了3GPP第17版中的最新進(jìn)展,特別是將衛(wèi)星連接擴(kuò)展到智能手機(jī),從而獲得全球范圍的信息傳遞與寬帶增強(qiáng)功能。我們還探索了從傳統(tǒng)“彎管”模型向先進(jìn)雙向通信系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變,其中采用了商用技術(shù)以提高效率。借助AESA和波束成形技術(shù),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(jìn)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(yuǎn)地區(qū)提供更可靠的服務(wù)。

          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(shù),以及它如何改變并推動空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入蜂窩市場領(lǐng)域。



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