大家好，我是蜉蝣君。
本期我們來聊聊衛(wèi)星通信，以及衛(wèi)星通信和地面通信的融合：非地面網(wǎng)絡的故事。
對于 5G 來說，這可能只是后半場的錦上添花；但對仍處于暢想中的 6G 來說，空天地海一體化通信則是待征服的星辰大海。
那么，這就開始咯。
為什么需要衛(wèi)星通信？
手機，已經(jīng)串聯(lián)起了我們生活中的一切環(huán)節(jié)。我們隨時隨地拿出手機，都能暢快地上網(wǎng)。
這一切是如此地理所當然，以至于我們甚至想不到這樣不可思議的問題：
移動通信網(wǎng)絡真的無處不在嗎？
我們都知道，地球雖叫“地”球，但實際上是一個不折不扣的水球，陸地面積只占 29%，海洋面積占到了 71%。
就這么點陸地面積，移動通信網(wǎng)絡也僅僅覆蓋了 20%；相比之下海洋的網(wǎng)絡覆蓋率就更低了，只有 5%。
總體算下來，移動通信網(wǎng)絡只覆蓋了全球不到 10% 的面積！
海洋里住不了人沒有覆蓋很好理解，陸地上的覆蓋率為什么這么低呢？看下面這張圖就明白了。
原來，陸地上適合人居住的地方本就不多。移動通信網(wǎng)絡沒有覆蓋到的地方，大多都是沙漠，叢林，冰原等人跡罕至的地方。
在這種地方建地面基站純屬虧本買賣，自然就成了信號的盲區(qū)。
可是，海洋上有各種各樣的船只要上網(wǎng)，陸地上人跡罕至的地區(qū)也不是完全沒人去。這些被遺忘的邊緣地帶的通信需求該如何滿足？
此外，在大自然面前，人類的力量是渺小的。洪水、地震、海嘯等自然災害往往導致大面積的地面基礎設施破壞，導致斷電、斷網(wǎng)、斷路，使救援工作困難重重。
在此等危急時刻，如何打通救援的生命線？
上述問題的本質(zhì)是：怎樣建設一張覆蓋全球，不受地面環(huán)境限制的通信網(wǎng)絡？
于是，人們把目光投向了天空，期望通信基站像星光和月光一樣，不管底下的大地是繁華還是貧瘠，是平原還是戈壁，都能把信號毫無偏見地灑滿大地。
這樣的方案還真有，就是“衛(wèi)星通信”。
衛(wèi)星通信如何實現(xiàn)？
一般情況下，我們所說的“衛(wèi)星”的全稱是“人造地球衛(wèi)星”。它們和地球的天然衛(wèi)星 —— 月球一樣，也在天空中圍繞著地球高速旋轉(zhuǎn)。
那么，衛(wèi)星運行的高度到底是多少呢？
回想起我之前介紹 5G ATG 時，用到了“5G，可以上天了！”這樣的摘要，現(xiàn)在想來是不夠嚴謹?shù)摹?/p>
雖然我們口頭上經(jīng)常把仰頭所能看到的外部世界叫做“天空”，但實際上，“天”和“空”的概念，是截然不同的。
“空”指的是地球表面到大氣層之內(nèi)的高度范圍，通過氣球、飛機、飛艇等航空器可達；而大氣層之外的空間，才可以稱之為“天”，一般需要通過火箭才可到達。
“空”和“天”一般以海拔 100 千米為界，也被稱作“卡門線”。這是由美國工程師和物理學家西奧多?馮?卡門通過研究航空器的極限飛行高度得出的。也就是說，地球大氣層的極限為 100 千米，再往上就是地球外部的茫茫宇宙了。
能實現(xiàn)“上天”的通信載體，就是各式各樣的通信衛(wèi)星。它們無時無刻不在我們頭上游弋，既熟悉又陌生。
衛(wèi)星軌道的高低，一般分為低軌、中軌、地球靜止軌道和高軌。
低軌（Low Earth Orbit，LEO）：距地面高度低于 2000 千米的衛(wèi)星系統(tǒng)。由于低軌道衛(wèi)星離地球近，有著路徑損耗小，傳輸時延低（一般小于 10 毫秒）的特點。
隨著發(fā)射成本的逐年降低，多個 LEO 衛(wèi)星可組成星座來實現(xiàn)真正的全球覆蓋，頻率復用更有效。因此，LEO 系統(tǒng)被認為是最有應用前景的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術。
中軌（Medium Earth orbit，MEO）：距地面高度 2000km~35786Km，傳輸時延一般小于 50 毫秒，要大于低軌道衛(wèi)星，但覆蓋范圍也更大。當軌道高度為 10000Km 時，每顆衛(wèi)星可以覆蓋地球表面的 23.5%，因而只要少量衛(wèi)星就可以覆蓋全球。
地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）：距地面高度 35786km，即同步靜止軌道。也就是說，GEO 衛(wèi)星運動的角速度和地球自轉(zhuǎn)相同，因此從地球上看這些衛(wèi)星是相對靜止的。
理論上，用三顆地球靜止軌道衛(wèi)星即可以實現(xiàn)全球覆蓋。但是，同步衛(wèi)星有一個不可避免的缺點，就是軌道離地球太遠，鏈路損耗嚴重，信號傳播時延一般為 250 毫秒以上，遠大于 LEO 和 MEO。
高軌（High Earth Orbits，HEO）：距地面高度大于 35786km。此外還有橢圓軌道等，相比于前面幾種，這些技術的應用較少，在此不再贅述。
這些不同軌道的距離尺度以數(shù)字的形式來看感受不明顯，從下圖可以看出，中軌和高軌以地球同步靜止軌道為分界線，它們高度范圍是非常寬廣的。相比之下，低軌則離地面非常近，可容納的衛(wèi)星自然就少得多。
根據(jù)賽迪顧問研究報告數(shù)據(jù)，地球近地軌道可容納約 6 萬顆衛(wèi)星。據(jù)預測，到 2029 年，地球近地軌道將部署總計 5.7 萬顆低軌衛(wèi)星。
目前，單單一個 SpaceX 的星鏈，就已經(jīng)規(guī)劃了 4.2 萬顆衛(wèi)星。這么稀缺的資源，你不搶，有的是人搶。因此，隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，低軌衛(wèi)星的建設已炙手可熱。
要采用衛(wèi)星來實現(xiàn)遠距離無線通信，頻譜資源也是至關重要的。
隨著容量的需求，衛(wèi)星通信使用的頻段從中頻 L、S 波段到 Ku、Ka，再到毫米波一路向上，頻率越來越高，帶寬也越來越大。
衛(wèi)星通信頻段和空間軌道資源一樣都屬于“不可再生資源”，國際原則是“先登先占”的使用模式。目前低軌衛(wèi)星的主要通信頻段（Ku 和 Ka）已趨于飽和。
衛(wèi)星通信的架構和終端
衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成可以分為三部分：空間段、地面段和用戶段。
空間段指的主要就是天上的由多顆通信衛(wèi)星組成的星座，以及衛(wèi)星之間的通信鏈路（ISL，Inter-satellite Link，也叫星間鏈路）。
地面段主要包含地球站（也可稱作網(wǎng)關），以及業(yè)務控制、監(jiān)控管理、時間注入等輔助部分。地面網(wǎng)絡的傳輸、核心網(wǎng)等網(wǎng)元也可以看作地面段的一部分。
用戶段指的是接入衛(wèi)星的終端，主要包含天線（我們常說的“鍋”）、信號處理并提供網(wǎng)絡接入能力的設備（如路由器等）、接入網(wǎng)絡的終端（手機、電腦等）。
從上圖可以看出，在有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡均沒有覆蓋的地方，要實現(xiàn)低成本的上網(wǎng)，只需在房頂上安裝衛(wèi)星天線，連接室內(nèi)的路由器即可實現(xiàn)電腦、筆記本、手機等終端共同上網(wǎng)。
如果想在野外隨時隨地上網(wǎng)，Starlink 的方案依然是攜帶小尺寸的電子相控陣天線和路由器。
標準尺寸的天線功耗為 50~75 瓦，路由器也需供電，因此，車載電源是必不可少的。看上圖，一人在靜謐的星空下獨享衛(wèi)星高速網(wǎng)絡，好不愜意。
如果你僅僅是在緊急情況下有語音通信需求，想要甩掉笨重的天線輕裝上陣，那么你就需要一部專用的便攜式衛(wèi)星電話。
衛(wèi)星電話長什么樣呢？
下圖是美國 2022 年銷量最好的三款衛(wèi)星電話，支持 Inmarsat（國際海事衛(wèi)星）或者 Iridium（銥星）這兩種主流的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。
乍一看，這初號機的造型、9 宮格按鍵、又粗又大又長的天線，莫非是穿越到了 20 年前？
再看價格，好家伙，就支持些打電話、發(fā)短信、GPS、緊急呼叫等我們看來 2G 手機自誕生起就支持的功能，竟然賣到了接近 1600 美元，約等于人民幣一萬多。
我們再來看看國內(nèi)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)和衛(wèi)星電話是什么樣的。
2020 年 1 月 10 日，我國自主建設的第一個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) —— 天通系統(tǒng)，正式面向全社會提供服務，由中國電信運營。
天通一號 01 衛(wèi)星可以提供速率為 1.2 kbps 的語音業(yè)務和最大 384 kbps 的數(shù)據(jù)通信業(yè)務。雖然容量比較低，但提供應急通信服務還是可以的。
2022 年 5 月 17 日，電信推出“天地翼卡”，宣稱用戶不用換 SIM 卡，也不用換手機號就能打衛(wèi)星電話，永不失聯(lián)！如果能收到地面基站的信號，4G 和 5G 網(wǎng)絡也能正常用。
雖說不用換卡換號，但手機卻是必須要換的。蜉蝣君在某購物平臺搜了下，支持天通系統(tǒng)的手機型號還是不少的，價格從幾千到上萬的都有，旗艦機確實可以支持 5G。
下圖是電信 2020 年主推的一款可支持 4G 和天通衛(wèi)星的手機?？雌饋眍佒凳潜葌鹘y(tǒng)的衛(wèi)星電話高了些，但價格也確實是貴。
這其中的原因，一是衛(wèi)星電話的定位并不是給普通人用的消費品，而是專門給野外、遠洋工作者使用的工業(yè)品，需要在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作，成本確實也比較高；二是衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的用戶比較少，系統(tǒng)和終端成本都難以攤薄。
我們從下面的產(chǎn)品介紹中就可以窺見其中端倪。
至于資費，那就更能看出衛(wèi)星電話的定位了：100 元 60 分鐘通話，短信 0.4 元一條，300 元 20M 流量。
這價格，也確實只能在十萬火急的時候滿足最關鍵的通信需求。
由此看來，衛(wèi)星通信，和我們的日常生活之間的鴻溝，無疑是巨大的：使用場景少，手機不好用，資費還很貴。
5G 和衛(wèi)星通信的融合
那么衛(wèi)星手機，是否有走進消費領域的希望呢？
今年，華為推出了支持北斗衛(wèi)星短報文的 Mate 50 旗艦機，蘋果也跟 Globalstar（全球星）合作推出了支持衛(wèi)星求救的 iPhone14。這兩款產(chǎn)品揭開了衛(wèi)星通信探索消費領域的序幕。
據(jù)悉，華為 Mate 50 可以通過北斗衛(wèi)星給個人定向發(fā)送文字、位置、軌跡圖等信息，但內(nèi)容會被審核，只有跟救援相關的信息才能被發(fā)送，而且收不到回復。
iPhone14 可以發(fā)布的內(nèi)容也是預設的求救信號，且自帶定位坐標，但不能定向發(fā)給個人，消息會統(tǒng)一發(fā)送至公立或付費的救援機構，但能收到救援機構的回復。
由此可見，目前在消費領域，手機上的衛(wèi)星通信和地面的 4G、5G 網(wǎng)絡還是兩套獨立的系統(tǒng)，技術上并沒有進行融合，且衛(wèi)星僅定位于應急通信，這一點跟傳統(tǒng)的衛(wèi)星電話并沒有本質(zhì)的差別。
甚至，由于技術上的限制，華為和蘋果的這兩款手機連衛(wèi)星電話都還打不了。
那么，我們能否更進一步，讓這兩套系統(tǒng)融合起來，衛(wèi)星直接發(fā)送 5G 信號？ 這樣一來，我們可能連手機都不用換，在荒郊野嶺就直接能通過衛(wèi)星來連上 5G 了！
答案是肯定的。且 Starlink 在這方面已經(jīng)走出了第一步。
今年 8 月 25 日，SpaceX 宣布和 T-Mobile 將達成頻譜共享，新一代的 Starlink V2 衛(wèi)星將通過 1.9GHz 來向現(xiàn)網(wǎng)的手機提供服務。
現(xiàn)網(wǎng)的手機可不像專用的衛(wèi)星電話一樣有碩大的天線，發(fā)射功率也被協(xié)議定在了很低的水平（一般是 0.2 瓦）。因此要達成目標只能在衛(wèi)星上下功夫。
Starlink V2 衛(wèi)星對信號接收能力進行了增強，將衛(wèi)星天線加長到 7 米，面板增加到 25 平米，通信性能達到上一代 V1 的 10 倍。
這樣一來，現(xiàn)網(wǎng)已有的手機終于可以直連衛(wèi)星上 5G 了，預計吞吐率可達 2~4Mbps。
這速率，雖說跟通常意義上 5G 動輒幾百兆的速率不能相比，但支持打電話是不在話下的，流暢上網(wǎng)也是可以保證的。
跟地面上的 5G 網(wǎng)絡相比，這種飄在天上的 5G 網(wǎng)絡自然就叫做“非地面網(wǎng)絡（Non-Terrestrial Network）”，簡稱作 NTN。
廣義的 NTN 包含的范圍很廣，有無人機、地對空通信、高空基站、衛(wèi)星網(wǎng)絡等等?；谛l(wèi)星的 NTN 自然是最受關注的重點，因此在一般情況下，我們說的 NTN 都是基于衛(wèi)星的。
下圖是 3GPP 對于 NTN 技術標準化的進展及計劃。可以看出，在 R15 和 R16，5G NTN 還處于研究階段；從 R17 開始，5G 通過 NTN 的接入技術已開始了標準化，并將在后續(xù)版本不斷向前推進。
NTN 的思路是：衛(wèi)星發(fā)射 5G 信號，直接和用戶的手機相連，地面上再架設信關站作為網(wǎng)關，最終連接到 5G 核心網(wǎng)。
其中，衛(wèi)星和用戶之間的鏈路叫做服務鏈路（Service Link）；衛(wèi)星和信關站之間的鏈路叫做饋電鏈路（Feeder Link）；衛(wèi)星之間的鏈路叫做星間鏈路（Inter-Satellite Link，ISL）。
在目前的 NTN 相關協(xié)議中，定義了兩種實現(xiàn)架構，分別是“透明載荷”和“可再生載荷”。
所謂“透明載荷”，也稱作透明轉(zhuǎn)發(fā)，實際上把衛(wèi)星僅當作信號中繼的鏈路。5G 基站作為地面網(wǎng)絡的一部分部署在信關站的后面。衛(wèi)星不關注基站發(fā)了什么，對信號也不做任何處理，只要流暢地把手機和信關站連起來就好。
透明載荷架構可以利用已有衛(wèi)星，技術上實現(xiàn)起來較為容易，成本也低，但衛(wèi)星和基站之間的路徑長，時延大，不支持星間協(xié)作，需部署大量信關站。
可再生載荷，又稱作基站上星，相當于把 5G 基站部署在了衛(wèi)星上。衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的星間鏈路就跟地面基站之間的 Xn 接口一樣；衛(wèi)星和信關站之間的饋電鏈路，實際就是基站跟核心網(wǎng)之間回傳網(wǎng)絡的一部分。
可再生載荷這種架構必須改造并新發(fā)射衛(wèi)星，技術復雜，成本高。優(yōu)點是手機和衛(wèi)星基站之間的時延短，且由于有星間鏈路的存在，信關站可以少部署一些。
在這兩種架構的基礎上，要實現(xiàn) 5G NTN，本質(zhì)上是將衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信這兩種原本涇渭分明的系統(tǒng)進行融合。
然而，蜂窩通信協(xié)議從 2G、3G、4G，再到 5G，針對地面網(wǎng)絡的場景這么一路演進過來，要和衛(wèi)星通信相融合的挑戰(zhàn)是巨大的，協(xié)議上要進行大量的更新。
1、高傳輸時延。GEO 衛(wèi)星的傳輸時延可達 250 毫秒以上（針對透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星），如此高的時延將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。
在這么高的時延下，很可能系統(tǒng)的定時器早都超時重啟了，信令還沒送達。因此，需要對相關協(xié)議流程進行改進或者重新設計。
2、多普勒頻移。由于非地球同步軌道衛(wèi)星是相對地球高速運動的，這會導致嚴重的多普勒頻移。
地面 5G 系統(tǒng)在一般場景下要處理的頻偏是非常小的，即使是在高鐵等特殊場景，也僅需考慮數(shù)千赫茲的頻偏補償。
然而對于低軌衛(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。這些對于 5G NTN 系統(tǒng)的設計是一個巨大的挑戰(zhàn)。
3、超大小區(qū)半徑。地面蜂窩網(wǎng)絡小區(qū)一般就幾百米到幾千米，超遠覆蓋也就到一百多千米，而 NTN 小區(qū)的覆蓋范圍要大得多，LEO 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。5G 是同步通信系統(tǒng)，因此需要增強同步機制從而避免用戶間干擾。
4、移動性管理。由于非地球同步軌道衛(wèi)星相對用戶是高速運動的，這會導致頻繁的小區(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。
這些技術上的挑戰(zhàn)固然棘手，但沒關系，只要有需求，只要市場在，隨著各路專家的不懈努力，技術總會找到出路。
未來之路的期許
就在 2022 年，我們已經(jīng)看到了業(yè)界一個個堅實的腳步。
6 月 21 日，紫光展銳宣布，其已聯(lián)合北京鵬鵠物宇，完成全球首個基于 R17 IoT-NTN 標準的 5G 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)上星實測。
7 月 11 日，愛立信、高通及法國航空航天公司泰雷茲聯(lián)合完成“5G 手機直連 LEO 衛(wèi)星”的研究，并將在 LEO 軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡上部署 5G 進行測試。
7 月 28 日，諾基亞和 AST SpaceMobile 達成五年協(xié)議，將建設一張 4G、5G 手機可訪問的天基移動寬帶網(wǎng)絡。預計將采用透明載荷架構，諾基亞主要提供地面基站。
8 月 17 日，聯(lián)發(fā)科宣布，其已經(jīng)和羅德施瓦茨公司合作，在實驗室完成全球首次基于 3GPP R17 標準的 5G NTN 的衛(wèi)星和手機直連測試。實驗室模擬的 LEO 衛(wèi)星高度為 600 千米，移動速度高達每小時 27000 千米。
8 月 26 日，中國移動、中興通訊和交通運輸通信信息集團等單位合作，共同發(fā)布全球首個基于 3GPP R17 的運營商 5G NTN 技術外場驗證成果。本次測試基于 GEO 衛(wèi)星，ping 64 字節(jié)時延約 4s，實現(xiàn)了文字短消息、語音對講等業(yè)務。
可以看出，這些計劃和測試目前還都處于比較初級的階段，但是卻真實不虛地驗證了 NTN 技術架構是可行的，這就是從“0”到“1”的突破。
回顧衛(wèi)星通信的發(fā)展史，一般認為分為三個階段：
第一階段是在二十多年以前，衛(wèi)星通信和地面通信經(jīng)過正面交鋒和競爭最終落敗。
第二階段大概是 2000 年到 2014 年這十幾年時間，衛(wèi)星通信蟄伏起來，僅僅作為地面通信的補充和備份，在夾縫中生存。
第三階段自 2014 年起至今，以 O3b 的投入運營為肇端，以 Starklink 的崛起為高潮，基于 LEO 的寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅猛，并和地面通信加速融合。
5G NTN，正是衛(wèi)星通信和地面通信融合的產(chǎn)物，是一顆希望的種子。
期望在不久的未來，我們每一個人的手機，都可以在杳無人跡的沙漠荒原，在波濤洶涌的茫茫大海，在被自然災害蹂躪下的殘破家園，都能接收到來自衛(wèi)星的滿格信號。
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本文來自微信公眾號：無線深海 （ID：wuxian_shenhai），作者：蜉蝣采采
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