現(xiàn)狀

大佬紛紛下場(chǎng)，角逐“向上捅破天”市場(chǎng)

今年8月下旬，SpaceX與美國(guó)無線運(yùn)營(yíng)商T-Mobile聯(lián)合宣布，將通過星鏈衛(wèi)星為美國(guó)部分用戶提供手機(jī)直連衛(wèi)星的服務(wù)。9月10日，AST公司的藍(lán)色行者3試驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射入軌，未來系統(tǒng)成功部署后可從太空直接向手機(jī)提供衛(wèi)星移動(dòng)通信服務(wù)。

在手機(jī)市場(chǎng)端，9月6日和7日, 國(guó)內(nèi)外兩家主流手機(jī)終端廠商各自發(fā)布了一款可直連衛(wèi)星的旗艦手機(jī)，分別可支持北斗短報(bào)文服務(wù)和全球星的衛(wèi)星緊急救援功能, 揭開了衛(wèi)星通信探索消費(fèi)領(lǐng)域的序幕。

疑惑

為什么需要手機(jī)直連衛(wèi)星?

目前實(shí)現(xiàn)難在哪兒?

5G已然如此強(qiáng)大，為什么還需要手機(jī)直連衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)?帶著這個(gè)問題我們先看看全球移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀。

目前，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)僅僅覆蓋了地球約20%的陸地面積，而對(duì)占地球表面71%的海洋的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率只有5%?？傮w算下來，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)只覆蓋了全球不到10%的面積。

沙漠，叢林，冰原等人跡罕至的地方，海洋上各種各樣的船只，這些邊緣地帶的通信需求如何滿足?洪水、地震、海嘯等自然災(zāi)害導(dǎo)致斷電、斷網(wǎng)、斷路，使救援工作困難重重。危急時(shí)刻如何打通救援的生命線?這些場(chǎng)景對(duì)手機(jī)直連衛(wèi)星有迫切的剛性需求。我們需要建設(shè)一張覆蓋全球，不受地面環(huán)境限制的通信網(wǎng)絡(luò)。

從手機(jī)產(chǎn)業(yè)角度來看，目前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，急需新形態(tài)的技術(shù)幫助產(chǎn)業(yè)破局。多家廠商開始把新的競(jìng)爭(zhēng)賽道定位到手機(jī)直連衛(wèi)星通信技術(shù)，這是面向未來布局的重要一環(huán)，對(duì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)+終端+場(chǎng)景全方位融合意義重大。然而實(shí)際情況是：推出的新手機(jī)在直連衛(wèi)星上還處于比較初級(jí)的階段，功能上非常受限。

手機(jī)直連衛(wèi)星的難度到底在哪兒?

基于3GPP的蜂窩通信協(xié)議從2G、3G、4G，再到5G，針對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景一路演進(jìn)過來，要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的挑戰(zhàn)難度很大，主要面對(duì)以下幾項(xiàng)挑戰(zhàn)：

1、高傳輸時(shí)延。GEO(高軌道)衛(wèi)星的單向傳輸時(shí)延可達(dá)250毫秒以上(RTT時(shí)延可達(dá)500毫秒以上)，極大地影響基站和手機(jī)間交互的時(shí)效性，特別是接入和切換等需要多次信令交互的過程。即使是低軌衛(wèi)星(LEO)， 單向時(shí)延也可能超過25毫秒(UE-衛(wèi)星-信關(guān)站)。因此，需要對(duì)相關(guān)協(xié)議流程進(jìn)行改進(jìn)或者重新設(shè)計(jì)。

2、多普勒頻移等因素造成的通信性能不穩(wěn)定。對(duì)于非地球同步軌道衛(wèi)星(例如低軌衛(wèi)星)，相對(duì)地球是高速運(yùn)動(dòng)的，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的多普勒頻移。對(duì)于這樣的衛(wèi)星系統(tǒng)，不但需要處理幾十千赫茲甚至兆赫茲級(jí)別的多普勒偏移還有數(shù)十微秒的定時(shí)漂移，同時(shí)還存在覆蓋不均勻的情況，導(dǎo)致目前通信質(zhì)量很不穩(wěn)定，SpaceX交付各個(gè)國(guó)家的地面終端通信速率存在較大的波動(dòng)。

圖：美國(guó)加州Grass Valley用戶的下行速率測(cè)試結(jié)果，最高速率接近299Mbps，最低速率僅1.23Mbps

3、超大半徑的小區(qū)管理。地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)小區(qū)一般幾百米到幾千米，超遠(yuǎn)覆蓋也就到一百多千米，而LEO(低軌道衛(wèi)星)波束可達(dá)1000千米，GEO波束可達(dá)3500千米。因此，衛(wèi)星小區(qū)中心和邊緣的時(shí)延差異等將更加明顯，對(duì)系統(tǒng)定時(shí)同步也會(huì)帶來一定的影響，此需要增強(qiáng)同步機(jī)制從而避免用戶間干擾。另外，小區(qū)半徑較大，也意味著需要管理的用戶較多，可能會(huì)經(jīng)常發(fā)生資源不夠用的情況。需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的小區(qū)管理和資源調(diào)度機(jī)制。

4、移動(dòng)性管理。非地球同步軌道類型的衛(wèi)星相對(duì)用戶高速運(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致頻繁的小區(qū)切換和重選等移動(dòng)性問題。一方面，在移動(dòng)性管理決策中，需要將小區(qū)的移動(dòng)狀態(tài)信息等納入考量，避免不必要的切換或重選;另一方面，可進(jìn)一步利用小區(qū)的移動(dòng)狀態(tài)信息，進(jìn)行預(yù)先的小區(qū)或波束切換，減少信令交互開銷，此外，隨著用戶數(shù)量的增加，必然存在同一時(shí)間用戶數(shù)量增多而服務(wù)速率下降的情況，當(dāng)更多用戶爭(zhēng)搶同一個(gè)地面關(guān)口站的帶寬時(shí)，必然發(fā)生擁擠降速的尷尬狀況。

5. 終端的復(fù)雜度和功耗。手機(jī)等終端要同時(shí)支持地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度會(huì)大幅增加。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)類型的終端，支持衛(wèi)星通信可能會(huì)比普通的地面通信消耗更多的功率。另外，要實(shí)現(xiàn)手機(jī)直連衛(wèi)星，還需要部署地面網(wǎng)關(guān)(信關(guān)站)、基站和核心網(wǎng)。這些設(shè)備如何和傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合也需要相關(guān)的設(shè)計(jì)?？傮w來說，要實(shí)現(xiàn)手機(jī)直連衛(wèi)星需要從終端、衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)維度進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)高難度的系統(tǒng)性的工程，會(huì)影響通信產(chǎn)業(yè)的多個(gè)層面。

目前手機(jī)直連衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)化程度和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平如何?

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，目前3GPP Rel.17的空口標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)凍結(jié)，在標(biāo)準(zhǔn)中正式引入了面向NTN(非地面網(wǎng)絡(luò))的5G 空口功能，支持包括NTN NR和支持eMTC和NB-IoT的NTN IoT兩種衛(wèi)星通信方式。目前Rel.18還在持續(xù)增強(qiáng)NTN的空口功能。除了空口標(biāo)準(zhǔn)的制定，系統(tǒng)架構(gòu)和核心網(wǎng)協(xié)議(例如3GPP SA1，SA2, CT1, CT3和CT4)和網(wǎng)管協(xié)議也進(jìn)行了相關(guān)的增強(qiáng)，以支持NTN的通信。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，經(jīng)過多年的努力，NTN已經(jīng)取得很大進(jìn)展。今年年中，展銳、聯(lián)發(fā)科、中興等廠家紛紛報(bào)道完成了5G NTN終端芯片在衛(wèi)星或衛(wèi)星信道模擬環(huán)境下的測(cè)試。若僅從技術(shù)的角度來看，5G NTN標(biāo)準(zhǔn)化和終端芯片化有望在近兩三年內(nèi)出現(xiàn)可落地的產(chǎn)品。

如上述介紹，手機(jī)直連衛(wèi)星通信是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要產(chǎn)業(yè)鏈的多方參與，其中重要的一環(huán)就是技術(shù)驗(yàn)證工作。測(cè)試廠商(例如羅德與施瓦茨)在這方面扮演著重要角色?？梢酝ㄟ^其提供的各種測(cè)試設(shè)備和方案加快技術(shù)驗(yàn)證，保證各種指標(biāo)滿足通信的需求，例如在射頻方面需要針對(duì)手機(jī)終端的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的射頻指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)化硬件參數(shù)。在協(xié)議方面針對(duì)其一致性進(jìn)行測(cè)試?？梢酝ㄟ^各種測(cè)試儀表的組合去搭建和模擬不同的測(cè)試環(huán)境，針對(duì)特定測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)驗(yàn)證。也需要針對(duì)衛(wèi)星的載荷，進(jìn)行相關(guān)的射頻參數(shù)測(cè)試，例如下圖：

暢想

未來衛(wèi)星通信還有更多可能

衛(wèi)星通信包含多種場(chǎng)景，包括寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和手機(jī)直連衛(wèi)星服務(wù)等。目前的星鏈業(yè)務(wù)就屬于前者，而“手機(jī)直連衛(wèi)星”則是后者。未來，衛(wèi)星通信和地面移動(dòng)通信、固定寬帶通信和手機(jī)移動(dòng)通信，無縫融合、互為補(bǔ)充。當(dāng)我們?cè)诔鞘械霓k公室或家中時(shí)，主要使用光纖寬帶;出門或開車時(shí)，主要使用5G網(wǎng)絡(luò);到戶外，手機(jī)自動(dòng)切換為直連衛(wèi)星;坐上輪船、飛機(jī)，或開車到郊外，則通過衛(wèi)星終端和WIFI熱點(diǎn)，自動(dòng)接入衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)。

未來的通信必然朝著天地融合、無處不在的方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)這一愿景，需要把衛(wèi)星通信和地面5G或未來的6G網(wǎng)絡(luò)融為一體。以SpaceX為代表的全球科技巨頭都在積極搶占不可再生軌道資源。手機(jī)直連衛(wèi)星成為風(fēng)口，標(biāo)志著下一代互聯(lián)網(wǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)拉開帷幕。

審核編輯：湯梓紅