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卫星直连手机技术详细介绍
有删减，全文见公众号：“空基通信”
[size=21.3333px]卫星直连手机技术介绍 (qq.com)
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从人口的角度，2022年全球智能手机用户数量已有60亿（数据来源于爱立信移动报告），而尚未接入互联网的人数接近20亿，从面积的角度，目前陆地移动通信网络尚有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域没有覆盖。为了解决这一问题，目前业界有一个大胆的想法来帮助解决这一数字鸿沟：使用卫星将普通移动终端直接连接到蜂窝宽带网络。最近美国一些太空初创公司，如AST/Lynk等已经开展了相关的关键技术验证工作。 显而易见，卫星直连手机有着广阔的应用场景，首先，这几乎是应急通信的最佳解决方案，理论上可以构建全球覆盖、全天候、全天时的基于手机直连的公众应急通信网；其次，能够构建运营商打底网络，提供无处不在的通信网络服务；从产业的角度，可以复用蜂窝产业链，降低卫星产业成本，实现卫星产业和地面蜂窝通信强强融合；另外，卫星直连手机模式下，基站可以集中部署，用户稀疏的偏远地区就不用建站了，可显著降低运营商的建设和运维成本，对类似星链的低轨卫星网络而言，节省了大量的用户端设备成本。 从技术角度，卫星直连手机主要有三个技术路线： 一是本文将重点介绍的美国初创公司AST/Lynk的技术路线，手机不做任何改动，技术难度全部交由卫星处理。首要问题就是要克服手机发射功率和天线增益不够的问题，把卫星的轨道要建得低一些、把卫星的天线建得大一些（超大规模MIMO，天线增益足够大）、卫星的发射功率高一些、通信频率低一些。带来的优势则是如AST公司Wibergh所说：“AST SpaceMobile 的创新在于，你的手机会自动发现卫星，自动连接到卫星，获得互联网接入。唯一可以实际使用现有设备的技术解决方案。其他基于卫星的连接都基于新型设备、新型电话”。Lynk公司创办人之一米勒：我们开发的技术不需要在地面架设任何卫星天线，使用我们卫星的手机也不用安装任何特别的软件，使用的体验就像出国漫游选择当地网络一样。 二是采用专用的通信协议和频段，即传统的卫星电话的模式，如铱星、Globalstar、Inmarsat等属于此类。这种方案手机需要定制，比如常见的带鹅颈天线的卫星手机，一般速率很低。马斯克的星链，采用的是的私有通信协议，私有的协议必然导致无法迅速做大生态链。 三是依赖3GPP等标准化组织的标准进展。2022年3月3GPP完成了全球5G标准的第三个版本——Release-17的功能性冻结。在Rel-17标准中，就引入了卫星通信的新特性。即面向非地面网络（NTN）的5G NR支持。面向非地面通信的5G NR主要支持两种类型的终端：一种是基于CPE的卫星回传通信，比如在房屋外接收卫星电视信号的卫星接收器；另一种是与手持设备的直接通信，比如智能手机、支持eMTC和NB-IoT功能的物联网设备。卫星通信的重要价值在于可以覆盖地球上几乎所有的位置。近期，中国移动等运营商也表示基于统一空口的终端直连模式，正成为空天地一体网的重要发展趋势，需要开展协同组网、协议增强和设备兼容三大能力的技术攻关。 “国内版星链”，如火如荼的“中国星网”其实也存在这个通信体制选择的问题，传统高轨卫星通信体制主要遵循欧洲制定的DVB-S、DVB-S2、DVB-S2X标准，地面移动通信主要采用5G的标准。DVB、5G哪种通信体制更适用于低轨卫星网络尚有争议，马斯克的星链模式，从通信体制而言，也不见得是最优方案。从行业规划的角度，卫星互联网和地面蜂窝网络可以分为“两网分离”和 “两网一体”两种方式。目前常用的两网分离方式采用卫星专用频段、协议及硬件，与地面蜂窝及系统不兼容，卫星专用方案无法复用地面蜂窝产业链，终端成本较高。现在产业正在积极探索两网一体这种方式，在这种方式下，空口技术统一，网络一体化。需要区分面向存量终端和增量终端两种场景，终端直连模式的空天地一体化需要开展三大技术攻关：协同组网、协议增强和设备兼容。在协同组网方面，需要网络架构、网络侧和业务侧协同组网，包括交叠带覆盖设计、星地网络负荷分担、业务连续性、业务分流等研究。特别是蜂窝网和卫星网部分网元接口需要开放，传递星历、频率、负荷等信息，实现用户网间的业务保障。在协议增强方面，面向增量场景进行端到端协议演进，针对3GPP NTN协议和NTN终端进行时频同步、移动性、多场景兼容等研究；面向存量场景进行网络侧的协议改进，针对4G/5G协议进行接入、切换流程、HARQ调度、定时提前等研究。 二、激烈战场，众多玩家蜂拥而至1、美国初创公司AST SpaceMobile目前，卫星直连手机仍然要解决很多关键问题，如果不能有效应对，卫星直连手机还很难立即进入普通用户的视野。让我们以AST SpaceMobile为例，解剖一只麻雀，一窥的手机卫星直连方案细节。 AST SpaceMobile的愿景是：“第一个直接使用手机的基于空间的蜂窝宽带网络”。一位高管表示该公司将在2023年开始部署运行直接兼容手机的宽带星座卫星，目前，该公司一直在推进在其原型卫星BlueWalker 3上进行多项地面测试，并计划将通过SpaceX Falcon 9进行发射。AST Space Mobile表示这对于在LEO轨道上展示其技术十分重要。重达1500公斤的BlueWalker 3原型机比其进阶形态的BlueBird小得多，前者拥有一个64平方米的相控阵天线将在太空中展开，通过3GPP标准频率直接与蜂窝设备通信。最终，AST SpaceMobile的目标是部署大约100颗卫星，以实现大量的全球移动覆盖。 目前，AST SpaceMobile公司已经获得了沃达丰、乐天移动和American Tower等公司的战略投资，已经与Vodafone、Rakuten Mobile、Orange等运营商达成合作意向。在BlueWalker-3完成测试后，将在全球五大洲开展全球测试。 卫星基站方面，根据AST官网2022年7月28日的报道，已经与诺基亚签署了一项为期五年的5G协议。诺基亚的 AirScale Single RAN 设备旨在使 AST SpaceMobile 能够为目前没有地面通信网络服务的地区的新用户和现有用户提供移动服务。这包括在全球范围内连接陆地、海上或飞行中的设备。诺基亚将提供其全面、节能的 AirScale 产品组合中的设备，包括由最新一代诺基亚 ReefShark 片上系统 (SoC) 芯片组提供支持的 AirScale 基站。AST SpaceMobile 将受益于诺基亚的模块化基带插卡，该插卡可在需要时增加容量，从而提供灵活性和效率。诺基亚还将为网络管理和无缝日常网络运营以及优化和技术支持服务提供其 NetAct 解决方案。 AST SpaceMobile于近期从美国联邦通信委员会获得了一项实验许可证，将在夏威夷及其家乡得克萨斯州测试基于BlueWalker 3的服务。根据联邦通信委员会批复的实验申请信息，BlueWalker 3是一种非对地静止卫星（“NGSO”），将用于测试一种新型相控阵卫星技术，以提供与现有蜂窝移动手机直接连接。在测试过程中，卫星前向链路将发生V波段频率上，然后每个载波将通过空间站点波束将业务链路频率传送到用户设备。测试也将反向进行（返回链路），其中用户设备将根据业务链路频率传输到卫星， 然后将其在V波段频率上传输回到地面。卫星将在51至55度的倾角下运行，高度在375至425公里之间。
在服务链路频段上的测试将使用现有的设备（如智能手机）与进行通信。所有用户设备都将在已经授权给各方的频率上运行。 V频段中的网关上行链路载波上传BlueWalker 3卫星的每个活动小区无线下行链路信号。卫星有效载荷处理器将V波段上行链路信号解复用，并将它们映射到在指定的无线网络信道中从相控阵天线发射的小区下行链路波束中。在返回链路中，来自指定无线网络信道中不同小区的用户设备上行链路信号，被BlueWalker 3卫星上的相控阵天线接收。接收到的信号在频域中进行复用，上转换至V波段下行链路频率，并传输到网关站。 V波段网关地面站将使用2.4米天线。多个网关可以并置在每个网关站点上。下面的图显示了系统的架构： BlueWalker 3与手机之间通信的天线是一个 64 平方米（693 平方英尺）的相控阵天线，工作在700-900MHz的LTE频段。巨大的相控阵天线可以生成很多独立的、电扫描的波束，波束最大增益为36dBi，旁瓣水平符合ITU-R标准（优于－20 dB）。天线的每个波束可以跟踪地面上一个固定的小区，而无需转动天线阵面。也可以使用多个波束覆盖同一个小区从而提升容量，所有的波束都可以在天线的覆盖范围内灵活分布。 巨大的相控阵天线由上百个独立的小阵列天线面板组成，而每个小阵列天线面板又由16个天线单元组成。在BlueWalker 3搭载火箭升空的时候，小阵列天线面板非常适合折叠起来以缩小整体体积，到了预定高度再将小阵列面板展开，拼接起来形成巨大的相控阵天线。下图是单个小阵列天线面板及其折叠状态  下图是相控阵天线折叠状态与展开状态 整个相控阵天线包含了上千个天线单元，这些天线单元的工作频段为上行：846.5-849 MHz，845-846.5 MHz，788-798 MHz；下行：891.5-894 MHz，890-891.5 MHz，758-768 MHz。由于工作频段相对较低，因此天线单元尺寸较大。大尺寸的天线单元使其背面可以直接集成各种射频器件与芯片，这不仅有助于降低射频能量损耗，也有利于各个器件散热。 值得一提的是，组成相控阵天线的每个天线单元都是完全相同的，包括其设计、制造、测试等，这就获得了数量上的优势，使得AST可以通过批量生产相同的天线单元从而降低整个相控阵天线的成本。这与传统的卫星不同，传统的卫星上边往往有很多定制化的部件，造成其整体成本很高。AST相控阵低成本的优势，为其后续建造覆盖全球的卫星通信网络奠定了基础。 AST SpaceMobile的BlueWalker 3将在以下频段运行： a）用于地球到空间方向的服务链路 846.5-849 MHz 845-846.5 MHz 788-798 MHz b）用于空间到地球方向的服务链路 891.5-894 MHz 890-891.5 MHz 758-768 MHz c）对于地球到太空方向的网关/回传链路 47.2-50.2和50.4-51.4GHz d）对于空间到地球方向的网关/回传链路 37.5-42.0和42.0-42.5GHz 每个用户波束都有一个专用信道，使用10MHz、5MHz、3MHz或1.4MHz的信道带宽的任意组合。卫星将以相同或不同频率传输其所有活动用户波束。每个活动用户波束将跟踪在其视场角内地面上的固定小区，而无需操纵平面相控阵天线的视轴。所有活动波束都可以灵活地分布在其视场角内。地面上的同一小区可以通过卫星的单个波束或多个波束进行测试。波束对波束的切换使用与地面系统类似的方法，网关切换基于预先计划，并使用“break-then-make”的方法。
另外，有点值得商榷的是，如果AST试验是基于2G和3G技术，不对手机做任何修改是有可能做到的，但如果使用TDD模式的4G和5G技术实现卫星直连手机的宽带通信，由于卫星系统传播延迟大，理论上需要修改现有4G和5G技术标准。因为TDD组网，存在上下行时隙切换问题。超远覆盖，就会造成严重时隙交叉干扰。如，5G的最大小区半径整体上由PRACH/GP二者共同决定。下表说明5G PRACH Preamble格式及对应最大覆盖距离。 3、SpaceX 在卫星通信领域永远不缺少SpaceX的身影，该公司的卫星互联网服务在过去几年中显著扩展，今年的卫星数量也获得猛增。SpaceX现在在轨运行着2500多颗卫星，拥有近50万用户，采用的是特制地面终端站的方式。但是事情正在起变化，该公司于2022年7月25日向美国联邦通信委员会请求允许使用2GHz 频段来“增强”其移动卫星服务 (MSS)。该公司表示，在收购为物联网设备提供互联网连接的小型卫星公司Swarm后，它将推动实现这一目标。在SpaceX向FCC提交文件中该公司表示，“无论他们身在何处，无论何时何地，无论他们在做什么，（都能得到服务）……，特别是，他们已经习惯于使用可以随身携带或固定在移动平台上的小型手持设备进行连接”。SpaceX表示将使用小型手持设备代替需要墙上插座供电的大型特制地面终端站。FCC文件并未详细披露该设备的外观、尺寸等具体细节。不过，这难免被视为SpaceX未来向苹果或安卓手机用户直接提供服务的信号。 从SpaceX于2022年7月25日向FCC请求允许使用 2 GHz 频段来“增强”其移动卫星服务 (MSS）的申请来看，该公司正在与卫星广播公司 Dish Network 争夺2GHz频率资源，且计划未来在其卫星上增加一个2GHz的有效载荷模组。SpaceX和Dish也一直在争夺12GHz频段的频谱，这是 Starlink和其他非地球静止卫星运营商用来连接用户终端的Ku频段的一部分。 4、Globalstar/Apple2021年，有关iPhone 13将具备卫星直连的传言就开始出现。后来尽管这款iPhone并没有此功能，但今年又有传言即将推出iPhone 14可能会在紧急情况下使用它，或者在超出蜂窝服务范围时向紧急联系人发送短文本。根据彭博社的一份新报告，下一代Apple Watch也可能采用这种技术。报告表示苹果及其明显的卫星合作伙伴Globalstar可能越来越接近推出这样的功能。今年2月，Globalstar表示已达成协议购买17颗新卫星，以帮助为“潜在”且未具名的客户提供“连续卫星服务”，该客户已向其支付了数亿美元。报告还提到，苹果设想最终部署自己的卫星阵列将数据传输到设备，但该计划可能距离实现还有数年时间。 从Globalstar的官网上，可以看到该公司宣称其系统就像天空中的“弯管”或镜子一样，能从地球表面 80% 以上的地方接收信号。通过 CDMA 技术将客户信号传输到相应地面网关的天线，然后信号再传输到本地网络，能提供最短的连接延迟。由于3GPP R17中的一个关键性的应用项目卫星/非地面网络（NTN），正式引入了面向NTN的5G NR支持，其中就有面向CPE的卫星回传通信和面向手持设备的直接低数据速率服务。而GlobalStar所拥有的n53频段（2.4835 - 2.495GHz）则适合用来拓展卫星手机直连通信业务 三、卫星直连手机的关键问题 1、有限的频率资源受限于终端天线和链路预算以及ITU的限制规则，Ku、Ka和Q/V这些频段现在还很难用于卫星直连手机。2GHz及以下频段是卫星直连手机的热点频段。 目前，L和S频段只有少量频谱资源可用于卫星系统，大部分频率为地面移动通信使用。从历史上看，卫星移动通信和地面移动通信的频段是以独占方式分配的，基本上是完全独立使用。要实现卫星直连手机宽带通信，需要突破现有规则，即准许在卫星频段部署地面网络，也准许在地面移动通信频段部署卫星系统。 2、低成本宽带卫星无论采用哪一种技术路线，卫星直连手机的第一大挑战就是如何实现低成本的卫星对手机的宽带通信。以Starlink为代表的卫星互联网系统，技术难度在卫星和终端之间进行平衡设计，目前宽带卫星已经实现低成本，虽然终端仍比较贵，但总体上具备了进入大众市场的能力。而卫星直连手机，技术难度全在卫星上，要实现宽带通信，卫星天线巨大，卫星功耗、重量也非常大，传统卫星移动通信系统没有很好地解决这个问题，未来的系统也未必能够解决这个难题。Lynk的试验通信速率非常低，还不能说明问题；AST提出的宽带通信方案尚未经过试验验证，能否工程实现还是个未知数。没有低成本宽带卫星解决方案，卫星直连手机将很难进入大众市场。 3、超大规模天线技术超大规模天线是在大规模天线（Massive MIMO）基础上的进一步演进，通过部署超大规模的天线阵列，应用新材料，引入新的工具，超大规模天线技术可以获得更高的频谱效率、更广更灵活的网络覆盖、更高的定位精度、更高的能量效率等。随着天线和芯片集成度的不断提升，在尺寸、重量和功耗可控的条件下天线阵列的规模将持续增大。天线规模的进一步扩展将提供具有极高空间分辨率和处理增益的空间波束，提高网络的多用户复用能力和干扰抑制能力，从而提高频谱效率。 随着新材料技术的发展（如智能超表面），超大规模天线将与环境更好地融合，网络的覆盖、多用户容量和信号强度等都可以大幅度提高。6G 系统向超高频段扩展所面临的一个关键挑战是超高频段的路径损耗。超大规模天线技术超高的处理增益能够在不增加发射功率的条件下增加超高载频通信的通信距离和覆盖范围，成为保障超高频段的通信性能的关键技术。超大规模天线也面临诸多挑战，包括成本高、信道测量与建模难度大、信号处理运算量大、参考信号开销大、前传容量压力大等。天线规模的进一步扩展将提供具有极高空间分辨率和处理增益的空间波束，提高网络的多用户复用能力和干扰抑制能力，从而提高频谱效率。超大规模天线具备在三维空间内进行波束调整的能力，从而在提供地面覆盖之外，还可以提供非地面覆盖，如覆盖无人机、民航客机甚至低轨卫星等。
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发表于 2022-11-24 14:58:17
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