5G，上天了！卫星和基站擦出了火花？

来源:中科院半导体所发布时间:2022-11-18852浏览

文章来源：无线深海作者：蜉蝣采采

今天我们来聊聊卫星通信，以及卫星通信和地面通信的融合：非地面网络的故事。

对于5G来说，这可能只是后半场的锦上添花；但对仍处于畅想中的6G来说，空天地海一体化通信则是待征服的星辰大海。
那么，这就开始咯。 为什么需要卫星通信？手机，已经串联起了我们生活中的一切环节。我们随时随地拿出手机，都能畅快地上网。这一切是如此地理所当然，以至于我们甚至想不到这样不可思议的问题：移动通信网络真的无处不在吗？我们都知道，地球虽叫“地”球，但实际上是一个不折不扣的水球，陆地面积只占29%，海洋面积占到了71%。就这么点陆地面积，移动通信网络也仅仅覆盖了20%；相比之下海洋的网络覆盖率就更低了，只有5%。总体算下来，移动通信网络只覆盖了全球不到10%的面积！

全球GSM网络覆盖海洋里住不了人没有覆盖很好理解，陆地上的覆盖率为什么这么低呢？看下面这张图就明白了。

全球人口密度
原来，陆地上适合人居住的地方本就不多。移动通信网络没有覆盖到的地方，大多都是沙漠，丛林，冰原等人迹罕至的地方。在这种地方建地面基站纯属亏本买卖，自然就成了信号的盲区。
可是，海洋上有各种各样的船只要上网，陆地上人迹罕至的地区也不是完全没人去。这些被遗忘的边缘地带的通信需求该如何满足？此外，在大自然面前，人类的力量是渺小的。洪水、地震、海啸等自然灾害往往导致大面积的地面基础设施破坏，导致断电、断网、断路，使救援工作困难重重。

在此等危急时刻，如何打通救援的生命线？上述问题的本质是：怎样建设一张覆盖全球，不受地面环境限制的通信网络？于是，人们把目光投向了天空，期望通信基站像星光和月光一样，不管底下的大地是繁华还是贫瘠，是平原还是戈壁，都能把信号毫无偏见地洒满大地。这样的方案还真有，就是“卫星通信”。

卫星通信如何实现？一般情况下，我们所说的“卫星”的全称是“人造地球卫星”。它们和地球的天然卫星——月球一样，也在天空中围绕着地球高速旋转。
那么，卫星运行的高度到底是多少呢？
虽然我们口头上经常把仰头所能看到的外部世界叫做“天空”，但实际上，“天”和“空”的概念，是截然不同的。
“空”指的是地球表面到大气层之内的高度范围，通过气球、飞机、飞艇等航空器可达；而大气层之外的空间，才可以称之为“天”，一般需要通过火箭才可到达。

“空”和“天”一般以海拔100千米为界，也被称作“卡门线”。这是由美国工程师和物理学家西奥多·冯·卡门通过研究航空器的极限飞行高度得出的。也就是说，地球大气层的极限为100千米，再往上就是地球外部的茫茫宇宙了。
能实现“上天”的通信载体，就是各式各样的通信卫星。它们无时无刻不在我们头上游弋，既熟悉又陌生。卫星轨道的高低，一般分为低轨、中轨、地球静止轨道和高轨。

低轨（Low Earth Orbit，LEO）：距地面高度低于2000千米的卫星系统。由于低轨道卫星离地球近，有着路径损耗小，传输时延低（一般小于10毫秒）的特点。随着发射成本的逐年降低，多个LEO卫星可组成星座来实现真正的全球覆盖，频率复用更有效。因此，LEO 系统被认为是最有应用前景的卫星互联网技术。中轨（Medium Earth orbit，MEO）：距地面高度2000km~35786Km，传输时延一般小于50毫秒，要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大。当轨道高度为10000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%，因而只要少量卫星就可以覆盖全球。地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）：距地面高度35786km，即同步静止轨道。也就是说，GEO卫星运动的角速度和地球自转相同，因此从地球上看这些卫星是相对静止的。理论上，用三颗地球静止轨道卫星即可以实现全球覆盖。但是，同步卫星有一个不可避免的缺点，就是轨道离地球太远，链路损耗严重，信号传播时延一般为250毫秒以上，远大于LEO和MEO。

高轨（High Earth Orbits，HEO）：距地面高度大于35786km。此外还有椭圆轨道等，相比于前面几种，这些技术的应用较少，在此不再赘述。
这些不同轨道的距离尺度以数字的形式来看感受不明显，从下图可以看出，中轨和高轨以地球同步静止轨道为分界线，它们高度范围是非常宽广的。相比之下，低轨则离地面非常近，可容纳的卫星自然就少得多。

根据赛迪顾问研究报告数据，地球近地轨道可容纳约6万颗卫星。据预测，到2029年，地球近地轨道将部署总计5.7万颗低轨卫星。目前，单单一个SpaceX的星链，就已经规划了4.2万颗卫星。这么稀缺的资源，你不抢，有的是人抢。因此，随着卫星互联网的发展，低轨卫星的建设已炙手可热。

要采用卫星来实现远距离无线通信，频谱资源也是至关重要的。随着容量的需求，卫星通信使用的频段从中频L、S波段到Ku、Ka，再到毫米波一路向上，频率越来越高，带宽也越来越大。

卫星通信频段和空间轨道资源一样都属于“不可再生资源”，国际原则是“先登先占”的使用模式。目前低轨卫星的主要通信频段（Ku 和 Ka）已趋于饱和。 卫星通信的架构和终端卫星通信系统的组成可以分为三部分：空间段、地面段和用户段。

卫星系统架构（来源：Starlink）空间段指的主要就是天上的由多颗通信卫星组成的星座，以及卫星之间的通信链路（ISL，Inter-satellite Link，也叫星间链路）。地面段主要包含地球站（也可称作网关），以及业务控制、监控管理、时间注入等辅助部分。地面网络的传输、核心网等网元也可以看作地面段的一部分。用户段指的是接入卫星的终端，主要包含天线（我们常说的“锅”）、信号处理并提供网络接入能力的设备（如路由器等）、接入网络的终端（手机、电脑等）。

农村数字连接中心（来源：Starlink）从上图可以看出，在有线网络和无线网络均没有覆盖的地方，要实现低成本的上网，只需在房顶上安装卫星天线，连接室内的路由器即可实现电脑、笔记本、手机等终端共同上网。

野外用卫星接入上网（来源：Starlink）如果想在野外随时随地上网，Starlink的方案依然是携带小尺寸的电子相控阵天线和路由器。标准尺寸的天线功耗为50~75瓦，路由器也需供电，因此，车载电源是必不可少的。看上图，一人在静谧的星空下独享卫星高速网络，好不惬意。

Starlink 的用户终端（来源：维基百科）如果你仅仅是在紧急情况下有语音通信需求，想要甩掉笨重的天线轻装上阵，那么你就需要一部专用的便携式卫星电话。
卫星电话长什么样呢？
下图是美国2022年销量最好的三款卫星电话，支持Inmarsat（国际海事卫星）或者Iridium（铱星）这两种主流的卫星通信系统。

乍一看，这初号机的造型、9 宫格按键、又粗又大又长的天线，莫非是穿越到了20年前？我们再来看看国内的卫星通信系统和卫星电话是什么样的。
2020年1月10日，我国自主建设的第一个卫星移动通信系统——天通系统，正式面向全社会提供服务。天通一号01卫星可以提供速率为1.2 kbps的语音业务和最大384 kbps的数据通信业务。虽然容量比较低，但提供应急通信服务还是可以的。

2022年5月17日，某电信运营商推出“天地翼卡”，宣称用户不用换SIM卡，也不用换手机号就能打卫星电话，永不失联！如果能收到地面基站的信号，4G和5G网络也能正常用。虽说不用换卡换号，但手机却是必须要换的。小编在某购物平台搜了下，支持天通系统的手机型号还是不少的，价格从几千到上万的都有，旗舰机确实可以支持5G。某电信运营商2020年主推的一款可支持4G和天通卫星的手机。看起来颜值是比传统的卫星电话高了些，但价格也确实是贵。这其中的原因，一是卫星电话的定位并不是给普通人用的消费品，而是专门给野外、远洋工作者使用的工业品，需要在恶劣的环境下稳定工作，成本确实也比较高；二是卫星通信产业的用户比较少，系统和终端成本都难以摊薄。我们从下面的产品介绍中就可以窥见其中端倪。

至于资费，那就更能看出卫星电话的定位了：100元60分钟通话，短信0.4元一条，300元20M流量。这价格，也确实只能在十万火急的时候满足最关键的通信需求。

由此看来，卫星通信，和我们的日常生活之间的鸿沟，无疑是巨大的：使用场景少，手机不好用，资费还很贵。 5G和卫星通信的融合那么卫星手机，是否有走进消费领域的希望呢？目前在消费领域，手机上的卫星通信和地面的4G、5G网络还是两套独立的系统，技术上并没有进行融合，且卫星仅定位于应急通信，这一点跟传统的卫星电话并没有本质的差别。甚至，由于技术上的限制，华为和苹果的这两款手机连卫星电话都还打不了。
那么，我们能否更进一步，让这两套系统融合起来，卫星直接发送5G信号？这样一来，我们可能连手机都不用换，在荒郊野岭就直接能通过卫星来连上5G了！答案是肯定的。且Starlink在这方面已经走出了第一步。
今年8月25日，SpaceX宣布和T-Mobile将达成频谱共享，新一代的Starlink V2卫星将通过1.9GHz来向现网的手机提供服务。
现网的手机可不像专用的卫星电话一样有硕大的天线，发射功率也被协议定在了很低的水平（一般是0.2瓦）。因此要达成目标只能在卫星上下功夫。
Starlink V2卫星对信号接收能力进行了增强，将卫星天线加长到7米，面板增加到25平米，通信性能达到上一代V1的10倍。这样一来，现网已有的手机终于可以直连卫星上5G了，预计吞吐率可达2~4Mbps。这速率，虽说跟通常意义上5G动辄几百兆的速率不能相比，但支持打电话是不在话下的，流畅上网也是可以保证的。跟地面上的5G网络相比，这种飘在天上的5G网络自然就叫做“非地面网络（Non-Terrestrial Network）”，简称作NTN。

广义的NTN包含的范围很广，有无人机、地对空通信、高空基站、卫星网络等等。基于卫星的NTN自然是最受关注的重点，因此在一般情况下，我们说的NTN都是基于卫星的。
下图是3GPP对于NTN技术标准化的进展及计划。可以看出，在R15和R16，5G NTN还处于研究阶段；从R17开始，5G通过NTN的接入技术已开始了标准化，并将在后续版本不断向前推进。

NTN的思路是：卫星发射5G信号，直接和用户的手机相连，地面上再架设信关站作为网关，最终连接到5G核心网。

其中，卫星和用户之间的链路叫做服务链路（Service Link）；卫星和信关站之间的链路叫做馈电链路（Feeder Link）；卫星之间的链路叫做星间链路（Inter-Satellite Link，ISL）。
在目前的NTN相关协议中，定义了两种实现架构，分别是“透明载荷”和“可再生载荷”。所谓“透明载荷”，也称作透明转发，实际上把卫星仅当作信号中继的链路。5G基站作为地面网络的一部分部署在信关站的后面。卫星不关注基站发了什么，对信号也不做任何处理，只要流畅地把手机和信关站连起来就好。

透明载荷架构可以利用已有卫星，技术上实现起来较为容易，成本也低，但卫星和基站之间的路径长，时延大，不支持星间协作，需部署大量信关站。
可再生载荷，又称作基站上星，相当于把5G基站部署在了卫星上。卫星和卫星之间的星间链路就跟地面基站之间的Xn接口一样；卫星和信关站之间的馈电链路，实际就是基站跟核心网之间回传网络的一部分。

可再生载荷这种架构必须改造并新发射卫星，技术复杂，成本高。优点是手机和卫星基站之间的时延短，且由于有星间链路的存在，信关站可以少部署一些。
在这两种架构的基础上，要实现5G NTN，本质上是将卫星通信和地面蜂窝通信这两种原本泾渭分明的系统进行融合。然而，蜂窝通信协议从2G、3G、4G，再到5G，针对地面网络的场景这么一路演进过来，要和卫星通信相融合的挑战是巨大的，协议上要进行大量的更新。1、高传输时延。GEO卫星的传输时延可达250毫秒以上（针对透明转发卫星），如此高的时延将极大地影响基站和手机间交互的时效性，特别是接入和切换等需要多次信令交互的过程。在这么高的时延下，很可能系统的定时器早都超时重启了，信令还没送达。因此，需要对相关协议流程进行改进或者重新设计。

2、多普勒频移。由于非地球同步轨道卫星是相对地球高速运动的，这会导致严重的多普勒频移。地面5G系统在一般场景下要处理的频偏是非常小的，即使是在高铁等特殊场景，也仅需考虑数千赫兹的频偏补偿。

然而对于低轨卫星系统，不但需要处理几十千赫兹甚至兆赫兹级别的多普勒偏移，还有数十微秒的定时漂移。这些对于5G NTN系统的设计是一个巨大的挑战。3、超大小区半径。地面蜂窝网络小区一般就几百米到几千米，超远覆盖也就到一百多千米，而NTN小区的覆盖范围要大得多，LEO波束可达1000千米，GEO波束可达3500千米。因此，卫星小区中心和边缘的时延差异等将更加明显，对系统定时同步也会带来一定的影响。5G是同步通信系统，因此需要增强同步机制从而避免用户间干扰。

4、移动性管理。由于非地球同步轨道卫星相对用户是高速运动的，这会导致频繁的小区切换和重选等移动性问题。一方面，在移动性管理决策中，需要将小区的移动状态信息等纳入考量，避免不必要的切换或重选；另一方面，可进一步利用小区的移动状态信息，进行预先的小区或波束切换，减少信令交互开销。

这些技术上的挑战固然棘手，但没关系，只要有需求，只要市场在，随着各路专家的不懈努力，技术总会找到出路。
未来之路的期许回顾卫星通信的发展史，一般认为分为三个阶段：第一阶段是在二十多年以前，卫星通信和地面通信经过正面交锋和竞争最终落败。第二阶段大概是2000年到2014年这十几年时间，卫星通信蛰伏起来，仅仅作为地面通信的补充和备份，在夹缝中生存。第三阶段自2014年起至今，以O3b的投入运营为肇端，以Starklink的崛起为高潮，基于LEO的宽带卫星互联网发展迅猛，并和地面通信加速融合。
5G NTN，正是卫星通信和地面通信融合的产物，是一颗希望的种子。期望在不久的未来，我们每一个人的手机，都可以在杳无人迹的沙漠荒原，在波涛汹涌的茫茫大海，在被自然灾害蹂躏下的残破家园，都能接收到来自卫星的满格信号。

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编辑：了之