現(xiàn)狀

大佬紛紛下場，角逐“向上捅破天”市場

今年8月下旬，SpaceX與美國無線運營商T-Mobile聯(lián)合宣布，將通過星鏈衛(wèi)星為美國部分用戶提供手機直連衛(wèi)星的服務(wù)。9月10日，AST公司的藍色行者3試驗衛(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提供衛(wèi)星移動通信服務(wù)。

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

疑惑

為什么需要手機直連衛(wèi)星?

目前實現(xiàn)難在哪兒?

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

目前，移動通信網(wǎng)絡(luò)僅僅覆蓋了地球約20%的陸地面積，而對占地球表面71%的海洋的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率只有5%。總體算下來，移動通信網(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)害導致斷電、斷網(wǎng)、斷路，使救援工作困難重重。危急時刻如何打通救援的生命線?這些場景對手機直連衛(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)。

從手機產(chǎn)業(yè)角度來看，目前市場競爭激烈，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爭賽道定位到手機直連衛(wèi)星通信技術(shù)，這是面向未來布局的重要一環(huán)，對實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)+終端+場景全方位融合意義重大。然而實際情況是：推出的新手機在直連衛(wèi)星上還處于比較初級的階段，功能上非常受限。

手機直連衛(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，針對地面網(wǎng)絡(luò)場景一路演進過來，要實現(xiàn)衛(wèi)星通信的挑戰(zhàn)難度很大，主要面對以下幾項挑戰(zhàn)：

1、高傳輸時延。GEO(高軌道)衛(wèi)星的單向傳輸時延可達250毫秒以上(RTT時延可達500毫秒以上)，極大地影響基站和手機間交互的時效性，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)， 單向時延也可能超過25毫秒(UE-衛(wèi)星-信關(guān)站)。因此，需要對相關(guān)協(xié)議流程進行改進或者重新設(shè)計。

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

圖：美國加州Grass Valley用戶的下行速率測試結(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，超遠覆蓋也就到一百多千米，而LEO(低軌道衛(wèi)星)波束可達1000千米，GEO波束可達3500千米。因此，衛(wèi)星小區(qū)中心和邊緣的時延差異等將更加明顯，對系統(tǒng)定時同步也會帶來一定的影響，此需要增強同步機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，可能會經(jīng)常發(fā)生資源不夠用的情況。需要設(shè)計相應(yīng)的小區(qū)管理和資源調(diào)度機制。

4、移動性管理。非地球同步軌道類型的衛(wèi)星相對用戶高速運動，會導致頻繁的小區(qū)切換和重選等移動性問題。一方面，在移動性管理決策中，需要將小區(qū)的移動狀態(tài)信息等納入考量，避免不必要的切換或重選;另一方面，可進一步利用小區(qū)的移動狀態(tài)信息，進行預先的小區(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，必然存在同一時間用戶數(shù)量增多而服務(wù)速率下降的情況，當更多用戶爭搶同一個地面關(guān)口站的帶寬時，必然發(fā)生擁擠降速的尷尬狀況。

5. 終端的復雜度和功耗。手機等終端要同時支持地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)的復雜度會大幅增加。對于物聯(lián)網(wǎng)類型的終端，支持衛(wèi)星通信可能會比普通的地面通信消耗更多的功率。另外，要實現(xiàn)手機直連衛(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)進行融合也需要相關(guān)的設(shè)計。總體來說，要實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星需要從終端、衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)等多個維度進行設(shè)計，是一項高難度的系統(tǒng)性的工程，會影響通信產(chǎn)業(yè)的多個層面。

目前手機直連衛(wèi)星的標準化程度和產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平如何?

在標準化方面，目前3GPP Rel.17的空口標準已經(jīng)凍結(jié)，在標準中正式引入了面向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NTN的空口功能。除了空口標準的制定，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)議也進行了相關(guān)的增強，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)取得很大進展。今年年中，展銳、聯(lián)發(fā)科、中興等廠家紛紛報道完成了5G NTN終端芯片在衛(wèi)星或衛(wèi)星信道模擬環(huán)境下的測試。若僅從技術(shù)的角度來看，5G NTN標準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，手機直連衛(wèi)星通信是一項系統(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)驗證工作。測試廠商(例如羅德與施瓦茨)在這方面扮演著重要角色。可以通過其提供的各種測試設(shè)備和方案加快技術(shù)驗證，保證各種指標滿足通信的需求，例如在射頻方面需要針對手機終端的發(fā)射機和接收機的射頻指標進行測試，優(yōu)化硬件參數(shù)。在協(xié)議方面針對其一致性進行測試。可以通過各種測試儀表的組合去搭建和模擬不同的測試環(huán)境，針對特定測試目標進行相關(guān)的技術(shù)驗證。也需要針對衛(wèi)星的載荷，進行相關(guān)的射頻參數(shù)測試，例如下圖：

暢想

未來衛(wèi)星通信還有更多可能

衛(wèi)星通信包含多種場景，包括寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和手機直連衛(wèi)星服務(wù)等。目前的星鏈業(yè)務(wù)就屬于前者，而“手機直連衛(wèi)星”則是后者。未來，衛(wèi)星通信和地面移動通信、固定寬帶通信和手機移動通信，無縫融合、互為補充。當我們在城市的辦公室或家中時，主要使用光纖寬帶;出門或開車時，主要使用5G網(wǎng)絡(luò);到戶外，手機自動切換為直連衛(wèi)星;坐上輪船、飛機，或開車到郊外，則通過衛(wèi)星終端和WIFI熱點，自動接入衛(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。手機直連衛(wèi)星成為風口，標志著下一代互聯(lián)網(wǎng)激烈競爭拉開帷幕。

審核編輯：湯梓紅