推动通信发展:低轨卫星在全球无线通信扩展中的角色

Qorvo半导体 2024-11-20 10:30

在本系列文章的第1篇《现代低轨卫星技术如何改写太空竞赛格局》中,我们探讨了卫星通信市场的诸多方面,并初步讨论了其对5G新空口(NR)蜂窝网络和物联网(IoT)网络的影响。在本文中,我们将更深入地探索卫星网状网络与非地面网络(NTN)的融合,以及它们如何改变未来的通信格局。


NTN卫星作为中继站,扩展了地面网络的无线覆盖范围和容量。这些网络为紧急情况、灾难及物联网网络设备等其它服务提供通信手段。此外,一些公司正推出协议,将卫星通信功能集成到最新的高端智能手机中。借助低地球轨道(LEO)卫星网络,可实现全球双向紧急信息传递、面向偏远地区的低成本互联网服务、远程文本通信,以及其它基于手机的通信功能。


此外,3GPP第17版标准增加了新的5G卫星网络应用,涵盖地球静止轨道(GEO)中地球轨道(MEO)LEO卫星技术。5G NTN NR卫星网络包括两个通信链路——一个在卫星与用户之间,另一个在卫星与连接至地球数据网络的地面站间。它将提供NTN-IoT及5G NR通信服务,将智能手机和其它支持5G的设备连接到NTN服务网络。




5G NR NTN与卫星技术的进步


如图1所示,位于地球上空35,000公里的GEO卫星延迟为280毫秒(ms),而运行在500至1,200公里高度的LEO卫星则可将延迟降低至仅6至30毫秒。因此,从用户设备(UE)到LEO卫星的最大单向传播延迟远低于MEO和GEO。


图1,3GPP TS 22.261标准下,从UE到卫星的最大单向传播延迟对比


融合卫星技术的5G NR NTN架构有望实现全球蜂窝无线连接。3GPP第17版标准侧重于增强全球5G-NTN和IoT-NTN服务,并引入低延迟的直通蜂窝服务,将sub-6GHz频段的速度提升至数十Mbps。


此外,第18版标准旨在通过使用10GHz以上的频率——特别是Ka和Ku频段,来改善覆盖范围及移动性。由此,将使速度达到数百Mbps,有利于部署较小尺寸的有源电子扫描阵列(AESA)天线;如SpaceX的Starlink所使用的天线。这些技术进步提升了速度,可支持灾后恢复工作,还将覆盖范围扩展至传统网络无法触及的偏远地区。


如表1所示,3GPP标准下的5G NTN演进包括频谱的扩展,以涵盖L、S、K和Ka频段,从而增强上行链路覆盖,并支持移动服务。第18版标准还特别针对新引入的三个10GHz以上NTN频段(n510、n511和n512),以进一步完善5G NTN设计,实现更佳的性能和更广泛的接入。


表1,SATCOM NTN频率频段


NTN网络的另一个关键目标是提高有限无线电频谱资源的效率。该频谱经常处于拥塞状态;最近的技术研究正在寻找更好的方法来管理这种拥塞;例如在空间网络中采用时分双工(TDD)模式,改变了为发送和接收信号分配不同路径的传统方法。如表2所示,使用TDD频段有助于移动运营商在繁忙的sub-6GHz频谱上腾出更多空间。这些改进正在推动卫星技术向前发展,使其更为智能,更加符合地面网络的要求。


表2,TDD NTN频段




单向与双向卫星通信的对比


卫星通信分为单向和双向系统。单向通信涉及从卫星到地面的信号传输,应用于GPS、卫星电视和广播等服务。相比之下,双向通信能够实现卫星与地面站之间的交互式信号交换支持互联网服务和电话通话。图2展示了涉及地球站和卫星单、双向通信间的差异。


如图所示,单向通信(左图)——如直播卫星(DBS)服务等,传统上依赖GEO卫星。GEO卫星与地球自转同步,仅环绕地球赤道运行。从地面视角看,GEO卫星在天空中处于固定位置。GEO卫星是地球同步轨道(GSO)卫星的一种,两者都用于电信及地球观测。


非地球静止轨道(NGSO)是指卫星相对于地球表面的非静止轨道类型。NGSO卫星的轨道高度低于GEO卫星,且完成一圈轨道所需时间更短。NGSO卫星在天空中不断移动,能够为移动卫星服务提供更好的覆盖,并改善全球连接。NGSO轨道有多种类型,包括LEOMEO高椭圆轨道(HEO),其中LEO距离地球最近。


图2,单向和双向卫星通信应用场景示例


双向LEO卫星架构进一步提升了整体卫星通信能力。此类双向卫星通信超越了过去的单向“弯管”式设置,融入了诸如AESA天线等技术。“弯管”架构的运作方式类似于中继器,而双向架构则超越了这种单向通信方式。这些先进的系统对于增强地面与卫星间的通信至关重要。




NTN的透明与再生架构


新一代地面站系统基础设施正朝着灵活且互联的方向发展,配备了更小的平板用户终端,类似于蜂窝网络。为了将卫星接入网络融入5G,3GPP TR38.821引入了两种基于卫星的下一代无线接入网(NG-RAN)架构:透明架构和再生架构


如图3(左)所示,在透明有效载荷架构中,3GPP 5G NR基站(gNB)位于地球上,而卫星则扮演“弯管”中继器的角色。在透明有效载荷通信中,RF滤波、变频和放大等操作均在卫星上进行。


在图3(右)所示的再生有效载荷架构中,全部或部分gNB功能在卫星上实现。因此,在再生有效载荷通信中,RF滤波、变频和放大、解调、编码/解码、切换或路由,以及调制等操作均在卫星上完成。这就如同在卫星上搭载了全部或部分gNB传统地面蜂窝基站的功能。此类用于LEO卫星的再生系统架构相较于传统“弯管”转发器具有诸多优势;且由于当前的LEO星座拥有自己专有的波形和机载处理系统,其已成为未来架构的方向。


图3,卫星有效载荷透明网络和再生网络




AESA和波束成形技术的引入


传统抛物面(碟形)天线的局限性已使其难以满足当前的需求,由此推动了向AESA或相控阵天线等电子扫描天线的过渡。AESA天线可以电子方式改变信号方向,而无需物理移动,这在灵活性上大大优于机械扫描天线。此外,AESA可以利用波束成形技术创建和发送信号,实现快速且准确的波束方向调整。这使得与任何轨道上的卫星建立连接成为可能,并能在卫星间实现快速切换。



图4,家用AESA波束成形终端


如图4所示,用户CPE终端是用户与卫星间的直接连接。这些设备成本低廉、易于设置,可固定或移动(如移动卫星通信、海事应用等)。其利用AESA天线将各种技术集成到更紧凑、更轻巧的设计中。这包括用于灵活跟踪和导向的波束成形技术,同时采用商用现成品(COTS)组件;此外,它们还支持更快的数据传输方式。




结语


本文重点探讨了卫星网络与5G NR NTN的集成,特别强调了LEO卫星的应用。这种部署扩大了地面5G网络覆盖范围,并支持从应急通信到物联网应用等的各类服务。同时,我们着重介绍了3GPP第17版中的最新进展,特别是将卫星连接扩展到智能手机,从而获得全球范围的信息传递与宽带增强功能。我们还探索了从传统“弯管”模型向先进双向通信系统的转变,其中采用了商用技术以提高效率。借助AESA和波束成形技术,数据传输速度及可用频率利用效率均得到显著提升。这一进步正在推动全球通信向前发展,使互联网连接更快、覆盖范围更广,并为偏远地区提供更可靠的服务。


在本系列的第三部分,我们将更深入地探讨AESA波束成形技术,以及它如何改变并推动空间卫星网络进入蜂窝市场领域。


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